中心議題：

• 接地系統(tǒng)單相接地保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

解決方案：

• 采用單片機(jī)和DSP雙CPU作為小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)的核心
• 采用6片AD轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了36路信號(hào)同步采集
• 采用LCD顯示模塊實(shí)現(xiàn)了很好的人機(jī)交互

隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性越來(lái)越受到重視，針對(duì)小電流接地系統(tǒng)的各種保護(hù)裝置也得到飛速發(fā)展。目前，主要的保護(hù)裝置都是由工控機(jī)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)保護(hù)方面有體積小、成本低、安裝方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。以前的很多產(chǎn)品都是利用接地故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)信息。但是當(dāng)小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(lái)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(lái)的各路零序電流。對(duì)于這樣多的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算，并上傳，單一的單片機(jī)是難以勝任的。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)由于具有處理速度快，適合數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，可以很好地解決數(shù)據(jù)采集和處理問(wèn)題。考慮到裝置的控制功能，本裝置采用單片機(jī)和DSP雙CPU結(jié)構(gòu)為核心。
　　
小波分析在時(shí)頻兩域都具有良好的局部化性能，能對(duì)不同頻率成分采用逐漸精細(xì)的采樣步長(zhǎng)，聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，這一特性非常適合分析電力系統(tǒng)中的暫態(tài)信號(hào)。小波分析在信號(hào)的分解與重構(gòu)、特征提取、信噪分離等方面的優(yōu)點(diǎn)決定了它在電力系統(tǒng)諧波分析、奇異點(diǎn)的檢測(cè)與消噪、設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、繼電保護(hù)、輸電線路故障定位及負(fù)荷預(yù)測(cè)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(jì)
　　
硬件平臺(tái)是軟件算法的運(yùn)行載體，是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效選線的保障。本文設(shè)計(jì)的選線裝置采用雙CPU。即"DSP+單片機(jī)"的處理機(jī)構(gòu)。DSP作為運(yùn)算CPU，負(fù)責(zé)信號(hào)采集、選線計(jì)算部分；單片機(jī)作為管理CPU，主要負(fù)責(zé)人機(jī)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(dú)立的硬件乘法器結(jié)構(gòu)等，非常適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)稱LF2407A)DSP芯片為數(shù)據(jù)采集和處理CPU，充分利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和速度，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和快速參數(shù)計(jì)算。單片機(jī)采用瑞薩M16C／62P系列單片機(jī)，該單片機(jī)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和1M的尋址空間，適用于事件管理和人機(jī)交互。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。本保護(hù)裝置位于現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并且與上位機(jī)之間進(jìn)行通信。保護(hù)裝置采用M16C／62P單片機(jī)為主CPU，負(fù)責(zé)系統(tǒng)顯示、控制和與上位機(jī)通信；采用TMS320LF2407ADSP為從CPU，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理；DSP與單片機(jī)之間用雙端口RAM進(jìn)行通信。系統(tǒng)通過(guò)RS232和RS485與上位機(jī)通信。


1．2雙CPU的連接
　　
由于系統(tǒng)采用雙CPU，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間大量數(shù)據(jù)的快速交換，本裝置采用雙口RAM來(lái)實(shí)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(gè)擁有獨(dú)立的控制總線、地址總線和I／O總線端口，允許CPU獨(dú)立訪問(wèn)內(nèi)部的任何存儲(chǔ)單元。本文使用雙端口RAMIDT7132來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與單片機(jī)雙CPU的連接。圖2是DSP與單片機(jī)通過(guò)RAMIDT7132的連接圖。


采用硬件判優(yōu)方案解決容易發(fā)生的爭(zhēng)用問(wèn)題。同時(shí)讀取不同存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)和同時(shí)讀取相同空間的數(shù)據(jù)時(shí)，左右端口可以同時(shí)進(jìn)行。若同時(shí)對(duì)相同的空間進(jìn)行寫操作，或者某一端口在對(duì)一數(shù)據(jù)空間進(jìn)行讀操作的同時(shí)另一端口對(duì)該數(shù)據(jù)空間進(jìn)行寫操作，左右端口將發(fā)生沖突。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)BUSY引腳來(lái)解決這一問(wèn)題。當(dāng)左右端口對(duì)不同存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀寫操作時(shí)，可以同時(shí)存取。此時(shí)，左右端口的BUSY信號(hào)同時(shí)為高。若對(duì)同一存儲(chǔ)空間同時(shí)進(jìn)行寫操作時(shí)，哪一端的存儲(chǔ)請(qǐng)求信號(hào)先出現(xiàn)，則該端的BUSY信號(hào)置為高，允許存儲(chǔ)。哪一端的存儲(chǔ)信號(hào)出現(xiàn)在后，哪一端的BUSY信號(hào)將置為低，禁止存儲(chǔ)。
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1．3數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)
　　
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(shí)現(xiàn)更高的速度和精度，選擇了擴(kuò)展ADS8364芯片。ADS8364是一種高速、低功耗、雙16bA／D轉(zhuǎn)換器，有6個(gè)模擬量輸入通道?？捎肂VDD獨(dú)立供電。它有6個(gè)完全相同的采樣保持電路，分成A、B、C3組，每一組都由1個(gè)HOLD引腳控制。ADS8364可以從外部引入最大5MHz的時(shí)鐘頻率，此時(shí)采樣時(shí)間是0．8μs，轉(zhuǎn)換時(shí)間只有3．2μs，A／D的最大采樣率達(dá)到250K，要達(dá)到此值，可在下一次轉(zhuǎn)換開始時(shí)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(dòng)AD轉(zhuǎn)換。6片ADS8364的片選信號(hào)由譯碼器電路和IS、A15信號(hào)共同產(chǎn)生。通過(guò)IOPB4使得HOLDA、HOLDB、HOLDC同時(shí)為低電平，對(duì)6個(gè)通道同時(shí)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(hào)發(fā)出中斷請(qǐng)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(jì)
　　
本裝置采用單片機(jī)與HG12605-A液晶顯示模塊連接來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。本模塊主要完成顯示時(shí)間和日期；顯示故障線路編號(hào)；顯示裝置運(yùn)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(diǎn)陣式LCD控制與驅(qū)動(dòng)芯片，可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、漢字、以及自定義文字符號(hào)。ST7920芯片內(nèi)部集RAM和ROM、字型產(chǎn)生器、以及液晶驅(qū)動(dòng)器和控制電路于一體，因此，只要一個(gè)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(jiǎn)單。液晶模塊和單片機(jī)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(guò)D／I、R／W以及和DB0-DB7的各種組合，可以完成對(duì)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(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)亮度。
　　
1．5DSP與單片機(jī)的軟件流程圖
　　
本保護(hù)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(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)顯示和通信的任務(wù)由單片機(jī)負(fù)責(zé)。單片機(jī)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(cè)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)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(yǔ)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(biāo)志，通過(guò)檢測(cè)8路電壓信號(hào)，當(dāng)判別有接地故障時(shí)將Earthstart置1。

FinFlag為計(jì)算完成標(biāo)志。外部輸入的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入轉(zhuǎn)換電路變?yōu)榈蛪盒⌒盘?hào)，經(jīng)過(guò)平移電路和信號(hào)調(diào)理，成為可以直接被A／D轉(zhuǎn)換的采樣信號(hào)，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(dāng)所有的轉(zhuǎn)換都結(jié)束時(shí)，DSP啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序，即應(yīng)用小波分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。計(jì)算完成后，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在雙口RAM中，并把FinFlag標(biāo)志置1。當(dāng)單片機(jī)查詢到此標(biāo)志為真時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取程序，從雙口RAM中讀取DSP已經(jīng)運(yùn)算完成的數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取完成時(shí)，F(xiàn)inFlag和Earthstart標(biāo)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。



1)采用單片機(jī)和DSP雙CPU作為小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)的核心，充分發(fā)揮了單片機(jī)的控制功能和DSP強(qiáng)大的信號(hào)處理能力；通過(guò)雙端口的RAM對(duì)兩個(gè)CPU進(jìn)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(shí)時(shí)性和可靠性。
　　
2)采用6片AD轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了36路信號(hào)同步采集，使用DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用了小波分析方法中的信號(hào)奇異特性選出故障線路。
　　
3)采用LCD顯示模塊實(shí)現(xiàn)了很好的人機(jī)交互。