- 接地系統單相接地保護裝置設計
- 采用單片機和DSP雙CPU作為小電流接地系統單相接地故障檢測的核心
- 采用6片AD轉換芯片，實現了36路信號同步采集
- 采用LCD顯示模塊實現了很好的人機交互
配電網的線路繁多，結構復雜，采集的數據包括由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。對于這樣多的數據采集、分析計算，并上傳，單一的單片機是難以勝任的。數字信號處理器(DSP)由于具有處理速度快，適合數字信號處理的特點，可以很好地解決數據采集和處理問題。考慮到裝置的控制功能，本裝置采用單片機和DSP雙CPU結構為核心。
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，這一特性非常適合分析電力系統中的暫態信號。小波分析在信號的分解與重構、特征提取、信噪分離等方面的優點決定了它在電力系統諧波分析、奇異點的檢測與消噪、設備的狀態監測與故障診斷、繼電保護、輸電線路故障定位及負荷預測等領域都具有廣闊的應用前景。
1裝置的研制
1．1總體方案設計
硬件平臺是軟件算法的運行載體，是實現準確、高效選線的保障。本文設計的選線裝置采用雙CPU。即"DSP+單片機"的處理機構。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處理器由于內部采用哈佛總線結構，指令是流水線操作，以及獨立的硬件乘法器結構等，非常適合進行數字信號處理，進行實時的數據分析和監控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下簡稱LF2407A)DSP芯片為數據采集和處理CPU，充分利用其強大的數據處理能力和速度，實現多點數據采集和快速參數計算。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。系統總體方案如圖1所示。本保護裝置位于現場，進行數據采集和處理，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，負責系統顯示、控制和與上位機通信；采用TMS320LF2407ADSP為從CPU，負責數據采集和處理；DSP與單片機之間用雙端口RAM進行通信。系統通過RS232和RS485與上位機通信。
1．2雙CPU的連接
由于系統采用雙CPU，為了實現兩個CPU之間大量數據的快速交換，本裝置采用雙口RAM來實現兩CPU之間快速的數據交換。
IDT7132是高速2k×8雙端口靜態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獨立訪問內部的任何存儲單元。本文使用雙端口RAMIDT7132來實現DSP與單片機雙CPU的連接。圖2是DSP與單片機通過RAMIDT7132的連接圖。
采用硬件判優方案解決容易發生的爭用問題。同時讀取不同存儲空間的數據和同時讀取相同空間的數據時，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據空間進行讀操作的同時另一端口對該數據空間進行寫操作，左右端口將發生沖突。我們在設計時通過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，則該端的BUSY信號置為高，允許存儲。哪一端的存儲信號出現在后，哪一端的BUSY信號將置為低，禁止存儲。
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1．3數據采集模塊的設計
TMS320LF4207A本身雖然自帶A／D轉換器，但其轉換精度只有10位，且轉換速度也不高(500ns)。為了實現更高的速度和精度，選擇了擴展ADS8364芯片。ADS8364是一種高速、低功耗、雙16bA／D轉換器，有6個模擬量輸入通道。可用BVDD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0．8μs，轉換時間只有3．2μs，A／D的最大采樣率達到250K，要達到此值，可在下一次轉換開始時讀取上一次的轉換結果。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。
系統采用I／O接口啟動AD轉換。6片ADS8364的片選信號由譯碼器電路和IS、A15信號共同產生。通過IOPB4使得HOLDA、HOLDB、HOLDC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轉換結束信號發出中斷請求，讀取AD轉換結果。由A0、A1、A2控制采樣模式。
1．4液晶顯示模塊的設計
本裝置采用單片機與HG12605-A液晶顯示模塊連接來實現人機接口。本模塊主要完成顯示時間和日期；顯示故障線路編號；顯示裝置運行狀態與裝置內部故障信息；顯示串口通信參數的任務。
HG12605-A中內藏ST7920點陣式LCD控制與驅動芯片，可以顯示字母、數字符號、漢字、以及自定義文字符號。ST7920芯片內部集RAM和ROM、字型產生器、以及液晶驅動器和控制電路于一體，因此，只要一個很小的處理系統，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為數據總線，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據讀寫。LEDA和LEDK為液晶模塊的背光，可以通過可調電阻調節亮度。
1．5DSP與單片機的軟件流程圖
本保護裝置要完成的主要任務有數據采集、數據處理、通信與顯示。其中數據采集任務是由DSP負責，數據顯示和通信的任務由單片機負責。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、接地發生檢測子程序、A／D子程序、數據處理(小波分析)子程序，采用C語言和匯編語言混合編寫。其中主函數租DSP函數部分采用C程序編寫；中斷服務和控制程序采用匯編語言編寫，并供C調用。程序流程圖如圖5所示。圖中的Earthstart為接地故障發生標志，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、電流信號經過輸入轉換電路變為低壓小信號，經過平移電路和信號調理，成為可以直接被A／D轉換的采樣信號，輸入A／D轉換器。DSP芯片從A／D的寄存器中讀取數據。當所有的轉換都結束時，DSP啟動數據處理程序，即應用小波分析對數據進行分析和計算。計算完成后，將計算結果存儲在雙口RAM中，并把FinFlag標志置1。當單片機查詢到此標志為真時，啟動數據讀取程序，從雙口RAM中讀取DSP已經運算完成的數據。當讀取完成時，FinFlag和Earthstart標志都置為0，然后完成顯示任務和串行通信任務。系統等待下一次接地故障的發生。
1)采用單片機和DSP雙CPU作為小電流接地系統單相接地故障檢測的核心，充分發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，并采用硬件判優方案，保證了雙CPU數據交換的實時性和可靠性。
2)采用6片AD轉換芯片，實現了36路信號同步采集，使用DSP對數據進行分析，應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顯示模塊實現了很好的人機交互。
