輸電線路行波故障定位中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    摘  要：為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對變化速度極快、變化過程極短的高速瞬態(tài)行波信號進(jìn)行采樣，研究了一種以DS80C320單片機(jī)為控制器。結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬娐泛秃侠淼目刂七壿嫎?gòu)成的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。闡述了快速尋址的方法、高速A／D轉(zhuǎn)換與快速存儲操作的協(xié)調(diào)控制關(guān)系和PC機(jī)總線接口技術(shù)，此系統(tǒng)符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)行波的測量。
   
1　前言
　　對電力系統(tǒng)高壓輸電線路進(jìn)行精確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一?，F(xiàn)代行波定位是通過對故障發(fā)生后線路出現(xiàn)的電壓行波和電流行波的采樣值進(jìn)行綜合分析，確定故障行波波頭到達(dá)線路上測量點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，來實(shí)現(xiàn)精確的故障定位。輸電線路短路故障發(fā)生后的暫態(tài)行波信號，其不同頻率分量具有不同的速度和衰減。波頭的形狀和極性與線路兩端的波阻抗變化情況有關(guān)，幅值與故障發(fā)生的時(shí)刻密切相關(guān)，使得行波在傳播過程中易發(fā)生畸變，降低了對行波準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間的判別及對行波反射波的識別能力。對于變化速度極快，變化過程極短的高速瞬態(tài)行波信號的采集，需要高速A／D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲單元、高速尋址和快速存儲等。
　　為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對μs級甚至ns級高速瞬變信號進(jìn)行采樣，研究了一種基于GPS同步的、用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)信號的實(shí)時(shí)采集。從而提高了輸電線路故障定位的精度。
　　由于所采集的信號是高頻信號，用常規(guī)的辦法受到單片機(jī)本身運(yùn)行速度的限制，使用計(jì)算機(jī)不僅造成成本提高，而且對高頻、遠(yuǎn)距離多路信號的信號處理上增加困難，有時(shí)無法區(qū)別所采集信號的真?zhèn)?。通過對8051單片機(jī)的外圍進(jìn)行有效的擴(kuò)展，采取在數(shù)據(jù)采集時(shí)由硬件實(shí)現(xiàn)其采集和存儲，采集完畢后由8051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信，比較好地解決了兩者的矛盾。
　　我們研制的高速數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率為20MSPS；A／D轉(zhuǎn)換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)?？蓮V泛用于電力測量、繼電保護(hù)和故障定位等。
2　硬件系統(tǒng)
　　對高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)而言，最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度與通過速率，特別是系統(tǒng)通過速率，是區(qū)別高速數(shù)據(jù)采集與一般數(shù)據(jù)采集最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在硬件的具體實(shí)現(xiàn)過程中，則需要考慮兩個(gè)方面：（1）A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲時(shí)間［3］。
　　本文根據(jù)需要使用DS80C320單片機(jī)，在時(shí)鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時(shí)間是110ns，充分發(fā)揮高速A／D轉(zhuǎn)換芯片的性能。硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統(tǒng)、視頻閃爍ADC轉(zhuǎn)換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計(jì)數(shù)器、采樣頻率控制、時(shí)序控制及譯碼電路等部分組成。

　　CPU1主要用于數(shù)據(jù)采集和同PC機(jī)通訊，CPU2用于接收GPS時(shí)間報(bào)文，GPS時(shí)間報(bào)文可在任何時(shí)刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。選用高速雙端口RAMIDT7130（2k×8位）、IDT7134（4k×8位），內(nèi)部具有判決電路以防止因?qū)δ骋粏卧瑫r(shí)操作而產(chǎn)生沖突。第一片雙口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的數(shù)據(jù)、同步時(shí)間信息及工作狀態(tài)等量，供PC機(jī)定時(shí)取用，同時(shí)也接收來自PC機(jī)的命令。第二片雙口RAMIDT7130其容量為2K字節(jié)，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時(shí)鐘信息。
2．1　高速A／D轉(zhuǎn)換
　　A／D轉(zhuǎn)換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉(zhuǎn)換速率為35Ms／s，分辨率為8位。AD9048內(nèi)部時(shí)鐘鎖定比較器，可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器工作在35 MSPS的高速，并避免了多數(shù)系統(tǒng)對取樣保持電路（S／H）和跟蹤保持電路（T／H）的需要。AD589和AD741，2N3906等構(gòu)成穩(wěn)壓可調(diào)電路，提供給9048的RB，RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［4］。由于AD9048的數(shù)據(jù)輸出沒有三態(tài)門控制，故在輸出加以74LS241作為三態(tài)門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉(zhuǎn)換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉(zhuǎn)換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。
2．2　高速尋址
　　對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換應(yīng)不受CPU控制，每當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換一次之后，由控制電路發(fā)出相應(yīng)的信號，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計(jì)數(shù)器加1，直到地址計(jì)數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結(jié)束信號，控制信號封鎖RAM寫信號，利用二進(jìn)制地址發(fā)生器的最高位通過中斷方式通知主機(jī)采樣已完成。
　　地址形成電路可根據(jù)地址位數(shù)由若干同步記數(shù)器級聯(lián)而成，5片74LS163可構(gòu)成19位地址形成電路。計(jì)數(shù)器每收到一個(gè)脈沖即產(chǎn)生一個(gè)地址，地址的初值可通過時(shí)序控制電路清零。若采用循環(huán)地址，則在記數(shù)滿后，用進(jìn)位信號迫使記數(shù)器的同步預(yù)置電平發(fā)生變化，使記數(shù)器恢復(fù)初值，進(jìn)入新一輪記數(shù)。
2．3　快速存儲
　　單片機(jī)與上位PC機(jī)間的串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實(shí)時(shí)性要求，DMA通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過5Mb／s［1］，這顯然無法滿足本系統(tǒng)中高達(dá)20Mb／s的采樣速度，為了解決高速數(shù)據(jù)采集與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，在單片機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器選用雙端口RAMIDT7134，在上位PC主機(jī)與單片機(jī)之間建立了一個(gè)4k字節(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機(jī)只須將經(jīng)過預(yù)處理的采樣值通過一個(gè)端口存入緩沖區(qū)，上位PC主機(jī)通過另一端口從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，這
樣就解決了高速采樣與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，可滿足實(shí)時(shí)采集和控制的要求。
2．4　總線控制
　　單片機(jī)系統(tǒng)總線上掛有若干RAM或I／O口，尋址和數(shù)據(jù)傳輸都是由CPU發(fā)出指令通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)的。對于高速數(shù)據(jù)采集，為了提高尋址和數(shù)據(jù)傳輸速度，避免總線沖突或“交通”堵塞，必須建立局部總線。系統(tǒng)總線與局部總線應(yīng)該既區(qū)別又統(tǒng)一，既隔離又結(jié)合，彼此通過合理的控制邏輯聯(lián)系起來。　　在內(nèi)存映射的傳輸方式中，A／D不斷地將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入高速緩存RAM，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要從高速緩存RAM讀取數(shù)據(jù)至雙口RAM1，雙口RAM1還需要將所有單元刷新一遍。這三種操作都要占用卡上的數(shù)據(jù)、地址總線，但它們發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，因此對總線的占用必然會產(chǎn)生沖突，總線仲裁電路的功能就是對這三種操作進(jìn)行協(xié)調(diào)。這里，通過5片74LS241二選一開關(guān)來協(xié)調(diào)地址計(jì)數(shù)器與CPU1對高速緩存RAM讀地址的沖突，2片74LS241來協(xié)調(diào)高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。
2．5　PC總線接口技術(shù)
　　PC系統(tǒng)總線對4kb的雙口RAM尋址是一個(gè)難點(diǎn)。本數(shù)據(jù)采集卡采用的是PC總線，又稱8位ISA總線。它使用靈活，便于同8位單片機(jī)構(gòu)成接口電路。它有62條引線，分五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、輔助與電源線。本數(shù)據(jù)采集卡只利用了其中一部分引線：8條數(shù)據(jù)線、10條地址線、IOR和IOW控制線、電源線。譯碼電路詳細(xì)框圖如圖2。

　　本數(shù)據(jù)采集卡使用308H、309H、30AH三個(gè)口地址實(shí)現(xiàn)在板緩存4kb的尋址。這里的譯碼電路使用了GAL20V8和兩片74HC574。當(dāng)PC機(jī)要訪問某一地址時(shí)，首先寫入雙口RAM的低8位地址，此時(shí)GAL20V8的輸出信號選中74HC574（右），將PC－DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的低8位地址Addrl，然后寫入雙口RAM的高8位地址，GAL20V8的輸出信號選中74HC574（左），將PC－DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的高8位地址Addrh。最后通過選中雙口RAM的片選端cs，完成一次數(shù)據(jù)的讀／寫過程。
2．6　采樣頻率控制電路
　　采樣頻率控制電路是由晶振、可編程分頻器8254及一些控制電路組成，8254是可編程分頻器，工作頻率在8M～20MHz，通過不同的分頻數(shù)，可以輸出不同頻率，分頻數(shù)的值為2～65535。它的輸出是由觸發(fā)控制電路控制。其輸出時(shí)鐘分別送往地址計(jì)數(shù)器、高速緩存RAM的寫信號控制電路及AD9048的轉(zhuǎn)換脈沖輸入端。
3　軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)的軟件由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集軟件、通訊軟件、故障定位計(jì)算軟件。
　　系統(tǒng)工作的大致程序如下：由GPS時(shí)鐘使安裝在輸電線路兩側(cè)的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，以確保兩側(cè)裝置在數(shù)據(jù)采集時(shí)的同步。當(dāng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會采集各自的線路電流、電壓數(shù)據(jù)；一旦輸電線路故障時(shí)，兩側(cè)均啟動(dòng)記錄并保存故障前和故障后的電流、電壓數(shù)據(jù)。當(dāng)故障切除后，兩側(cè)裝置通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）借用電話線或網(wǎng)絡(luò)交換兩側(cè)的電流、電壓信號。定位計(jì)算軟件得到故障點(diǎn)的位置。圖3是本系統(tǒng)的軟件總體框圖。
　　圖3中的最上面是程序的入口。程序入口的第一個(gè)模塊是初始化。經(jīng)過初始化后，是整點(diǎn)對時(shí)模塊，在整點(diǎn)時(shí)PC機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘將按GPS時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。對時(shí)后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將開始工作。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將各模擬量的采樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，進(jìn)行自檢。如果電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行，啟動(dòng)元件不啟動(dòng)，主程序?qū)⒁恢痹谏鲜龀绦蛑醒h(huán)。
　　如果電力系統(tǒng)中有故障，啟動(dòng)元件會啟動(dòng)。主程序?qū)⑻D(zhuǎn)到故障處理部分。在故障處理時(shí)，數(shù)據(jù)采集部分仍然會正常工作，但不再進(jìn)行對時(shí)和自檢。這個(gè)時(shí)候，裝置將不斷對斷路器輔助觸點(diǎn)和保護(hù)動(dòng)作信號等外部開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)視。如果外部開關(guān)量顯示故障已切除，主程序?qū)⑻D(zhuǎn)到故障定位部分。首先，裝置將保存本側(cè)的電流、電壓值；然后，再通過MODEM經(jīng)由電話線與其他側(cè)交換數(shù)據(jù)；最后，進(jìn)行故障相判斷，再得到故障定位結(jié)果。
    對裝置起動(dòng)元件的一個(gè)基本要求是靈敏度高，選擇性好。根據(jù)采樣的電氣量和工控機(jī)的特點(diǎn)，裝置采用相電流起動(dòng)、負(fù)序電流起動(dòng)、零序電流起動(dòng)按或門邏輯輸出起動(dòng)。

　　在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集軟件的功能是：使兩側(cè)的時(shí)鐘同步，進(jìn)行高速模數(shù)（A／D）采集的初始化及運(yùn)行控制和保存雙端的電流、電壓信號。通訊軟件的功能是：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和微型計(jì)算機(jī)之間的通訊，將采集的數(shù)據(jù)傳送給微型計(jì)算機(jī)；并且實(shí)現(xiàn)輸電線路兩端裝置的通訊，交換輸電線路兩側(cè)所采集的電流、電壓信號。故障定位計(jì)算軟件的功能是：利用小波算法對采集的故障電流和電壓進(jìn)行處理，消除各次諧波和其他干擾分量，尋找故障點(diǎn)。進(jìn)行故障相的判別，選出故障相別，將記錄數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示出來。
4　結(jié)論
　　此高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣速率高、運(yùn)行方式靈活、同步時(shí)鐘精度高和符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。以DS80C320單片機(jī)為核心，采用GPS同步時(shí)間，配合適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備和合理的總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。同時(shí)兼有數(shù)字存儲示波功能和數(shù)據(jù)分析能力，可以廣泛用于電力測量、電力系統(tǒng)故障定位和繼電保護(hù)領(lǐng)域。