小電流接地系統(tǒng)單相接地保護裝置的研制

0 引言
    隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，小電流接地系統(tǒng)運行的可靠性越來越受到重視，針對小電流接地系統(tǒng)的各種保護裝置也得到飛速發(fā)展。目前，主要的保護裝置都是由工控機和單片機實現(xiàn)的，而單片機在實現(xiàn)保護方面有體積小、成本低、安裝方便、運行可靠等優(yōu)點。以前的很多產(chǎn)品都是利用接地故障時的穩(wěn)態(tài)信息。但是當小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，穩(wěn)態(tài)零序電流幅值較小，而暫態(tài)零序電流幅值較大，故基于暫態(tài)零序電流的故障選線方法更可靠。
    配電網(wǎng)的線路繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采集的數(shù)據(jù)包括由TV來的8路電壓量(兩段母線的三相電壓和零序電壓)以及由零序TA來的各路零序電流。對于這樣多的數(shù)據(jù)采集、分析計算，并上傳，單一的單片機是難以勝任的。數(shù)字信號處理器(DSP)由于具有處理速度快，適合數(shù)字信號處理的特點，可以很好地解決數(shù)據(jù)采集和處理問題?？紤]到裝置的控制功能，本裝置采用單片機和DSP雙CPU結(jié)構(gòu)為核心。
    小波分析在時頻兩域都具有良好的局部化性能，能對不同頻率成分采用逐漸精細的采樣步長，聚焦到信號的任意細節(jié)，這一特性非常適合分析電力系統(tǒng)中的暫態(tài)信號。小波分析在信號的分解與重構(gòu)、特征提取、信噪分離等方面的優(yōu)點決定了它在電力系統(tǒng)諧波分析、奇異點的檢測與消噪、設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、繼電保護、輸電線路故障定位及負荷預(yù)測等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 裝置的研制 
1．1 總體方案設(shè)計
    硬件平臺是軟件算法的運行載體，是實現(xiàn)準確、高效選線的保障。本文設(shè)計的選線裝置采用雙CPU。即"DSP+單片機"的處理機構(gòu)。DSP作為運算CPU，負責信號采集、選線計算部分；單片機作為管理CPU，主要負責人機交互部分。DSP處理器由于內(nèi)部采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令是流水線操作，以及獨立的硬件乘法器結(jié)構(gòu)等，非常適合進行數(shù)字信號處理，進行實時的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下簡稱LF2407A)DSP芯片為數(shù)據(jù)采集和處理CPU，充分利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力和速度，實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)采集和快速參數(shù)計算。單片機采用瑞薩M16C／62P系列單片機，該單片機具有很強的抗干擾能力和1M的尋址空間，適用于事件管理和人機交互。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。本保護裝置位于現(xiàn)場，進行數(shù)據(jù)采集和處理，并且與上位機之間進行通信。保護裝置采用M16C／62P單片機為主CPU，負責系統(tǒng)顯示、控制和與上位機通信；采用TMS320LF2407A DSP為從CPU，負責數(shù)據(jù)采集和處理；DSP與單片機之間用雙端口RAM進行通信。系統(tǒng)通過RS232和RS485與上位機通信。

1．2 雙CPU的連接
    由于系統(tǒng)采用雙CPU，為了實現(xiàn)兩個CPU之間大量數(shù)據(jù)的快速交換，本裝置采用雙口RAM來實現(xiàn)兩CPU之間快速的數(shù)據(jù)交換。
    IDT7132是高速2k×8雙端口靜態(tài)RAM，可提供兩個擁有獨立的控制總線、地址總線和I／O總線端口，允許CPU獨立訪問內(nèi)部的任何存儲單元。本文使用雙端口RAMIDT7132來實現(xiàn)DSP與單片機雙CPU的連接。圖2是DSP與單片機通過RAM IDT7132的連接圖。

    采用硬件判優(yōu)方案解決容易發(fā)生的爭用問題。同時讀取不同存儲空間的數(shù)據(jù)和同時讀取相同空間的數(shù)據(jù)時，左右端口可以同時進行。若同時對相同的空間進行寫操作，或者某一端口在對一數(shù)據(jù)空間進行讀操作的同時另一端口對該數(shù)據(jù)空間進行寫操作，左右端口將發(fā)生沖突。我們在設(shè)計時通過BUSY引腳來解決這一問題。當左右端口對不同存儲空間進行讀寫操作時，可以同時存取。此時，左右端口的BUSY信號同時為高。若對同一存儲空間同時進行寫操作時，哪一端的存儲請求信號先出現(xiàn)，則該端的BUSY信號置為高，允許存儲。哪一端的存儲信號出現(xiàn)在后，哪一端的BUSY信號將置為低，禁止存儲。
1．3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計
    TMS320LF4207A本身雖然自帶A／D轉(zhuǎn)換器，但其轉(zhuǎn)換精度只有10位，且轉(zhuǎn)換速度也不高(500ns)。為了實現(xiàn)更高的速度和精度，選擇了擴展ADS8364芯片。ADS8364是一種高速、低功耗、雙16b A／D轉(zhuǎn)換器，有6個模擬量輸入通道?？捎肂VDD獨立供電。它有6個完全相同的采樣保持電路，分成A、B、C3組，每一組都由1個HOLD引腳控制。ADS8364可以從外部引入最大5MHz的時鐘頻率，此時采樣時間是0．8 μ s，轉(zhuǎn)換時間只有3．2 μ s，A／D的最大采樣率達到250K，要達到此值，可在下一次轉(zhuǎn)換開始時讀取上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。此A／D完全可以滿足本裝置的采樣要求。AD芯片與DSP的連接如圖3所示。

    系統(tǒng)采用I／O接口啟動AD轉(zhuǎn)換。6片ADS8364的片選信號由譯碼器電路和IS、A15信號共同產(chǎn)生。通過IOPB4使得HOLD A、HOLD B、HOLD C同時為低電平，對6個通道同時采樣。AD的EOC引腳與DSP的外部中斷XINT1相連接，由AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號發(fā)出中斷請求，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。由A0、A1、A2控制采樣模式。
1．4 液晶顯示模塊的設(shè)計
    本裝置采用單片機與HG12605-A液晶顯示模塊連接來實現(xiàn)人機接口。本模塊主要完成顯示時間和日期；顯示故障線路編號；顯示裝置運行狀態(tài)與裝置內(nèi)部故障信息；顯示串口通信參數(shù)的任務(wù)。
    HG12605-A中內(nèi)藏ST7920點陣式LCD控制與驅(qū)動芯片，可以顯示字母、數(shù)字符號、漢字、以及自定義文字符號。ST7920芯片內(nèi)部集RAM和ROM、字型產(chǎn)生器、以及液晶驅(qū)動器和控制電路于一體，因此，只要一個很小的處理系統(tǒng)，就可以操作HG12605-A液晶顯示模塊，并且硬件連接簡單。液晶模塊和單片機的連接如圖4所示。

    圖中，E為芯片使能引腳。DB0-DB7為數(shù)據(jù)總線，通過D／I、R／W以及和DB0-DB7的各種組合，可以完成對液晶模塊的初始化操作和數(shù)據(jù)讀寫。LEDA和LEDK為液晶模塊的背光，可以通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)亮度。
1．5 DSP與單片機的軟件流程圖
    本保護裝置要完成的主要任務(wù)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信與顯示。其中數(shù)據(jù)采集任務(wù)是由DSP負責，數(shù)據(jù)顯示和通信的任務(wù)由單片機負責。單片機程序包括各種初始化子程序、通信子程序、顯示子程序。DSP程序包括初始化子程序、自檢子程序、接地發(fā)生檢測子程序、A／D子程序、數(shù)據(jù)處理(小波分析)子程序，采用C語言和匯編語言混合編寫。其中主函數(shù)租DSP函數(shù)部分采用C程序編寫；中斷服務(wù)和控制程序采用匯編語言編寫，并供C調(diào)用。程序流程圖如圖5所示。圖中的Earthstart為接地故障發(fā)生標志，通過檢測8路電壓信號，當判別有接地故障時將Earthstart置1。FinFlag為計算完成標志。外部輸入的電壓、電流信號經(jīng)過輸入轉(zhuǎn)換電路變?yōu)榈蛪盒⌒盘枺?jīng)過平移電路和信號調(diào)理，成為可以直接被A／D轉(zhuǎn)換的采樣信號，輸入A／D轉(zhuǎn)換器。DSP芯片從A／D的寄存器中讀取數(shù)據(jù)。當所有的轉(zhuǎn)換都結(jié)束時，DSP啟動數(shù)據(jù)處理程序，即應(yīng)用小波分析對數(shù)據(jù)進行分析和計算。計算完成后，將計算結(jié)果存儲在雙口RAM中，并把FinFlag標志置1。當單片機查詢到此標志為真時，啟動數(shù)據(jù)讀取程序，從雙口RAM中讀取DSP已經(jīng)運算完成的數(shù)據(jù)。當讀取完成時，F(xiàn)inFlag和Earthstart標志都置為0，然后完成顯示任務(wù)和串行通信任務(wù)。系統(tǒng)等待下一次接地故障的發(fā)生。

2 結(jié)論
    1)采用單片機和DSP雙CPU作為小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測的核心，充分發(fā)揮了單片機的控制功能和DSP強大的信號處理能力；通過雙端口的RAM對兩個CPU進行連接，并采用硬件判優(yōu)方案，保證了雙CPU數(shù)據(jù)交換的實時性和可靠性。
    2)采用6片AD轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)了36路信號同步采集，使用DSP對數(shù)據(jù)進行分析，應(yīng)用了小波分析方法中的信號奇異特性選出故障線路。
    3)采用LCD顯示模塊實現(xiàn)了很好的人機交互。