發布日期：2022-10-09 點擊率：133
摘 要：介紹了一種以TMS320LF2407數字信號處理器 （DSP）為核心的智能型斷路器測控單元的硬件和軟件設計。該系統集測量、保護、控制、通信、顯示等功能于一體，實現了斷路器的微機自動監控功能，具有三段電流保護和接地漏電保護等動作特性。硬件和軟件均采用模塊化設計。數字信號處理系統為測控單元的核心，文中對其信號調理、可編程邏輯、時鐘、通信接口等功能模塊進行了介紹。軟件設計中采用了新的數字濾波算法和保護算法，其總體采用實時多任務調度操作系統，并在主程序循環查詢中斷標志位的設計思路，將整個程序分為主程序和中斷子程序兩部分，最后給出主程序和部分中斷子程序的流程圖。目前，該測控單元樣機已投入運行，運行結果已達到預期設計要求。
關鍵詞：智能化；數字信號處理器；數字濾波；保護算法
1 引言
隨著計算機、微處理器、光纖傳導技術、傳感器技術和數字處理技術的迅速發展和應用，出現了帶微處理器的智能控制電器產品。智能斷路器的智能操作是斷路器智能化發展過程中的一個全新的概念。斷路器智能操作的目的是當系統中出現故障時，控制電器控制斷路器動作，快速切除系統中的故障部分，防止故障擴大，保證設備與人身的安全，使系統其他部分運行正常。控制單元是實現智能操作的核心部件，其基本任務是通過對電網參數的采集和處理來給出相應的控制信息，以獲得斷路器所需的分斷時延。本文旨在通過對控制單元的研制為斷路器智能操作的實現提供條件。
智能型斷路器的中樞部件是智能測控單元，它承擔著斷路器的各種保護、報警、顯示與控制功能。由于采用了計算機技術、數字處理技術、控制理論、可編程邏輯技術和串行通信技術等，智能測控單元的功能日趨完善，除實現各種選擇性保護功能外，還具有顯示、故障記錄、自診斷、試驗以及控制等各種輔助功能，此外還可以通過網卡或接口轉換器實現遙測、遙調、遙控、遙信等“四遙”功能，適用于網絡系統，通過上位機可集中監察和控制。因此，帶智能測控單元的斷路器在低壓配電系統中得到了廣泛應用。
結合江蘇黃海電器控制設備廠研制的ST智能型控制器，筆者自行開發了智能型測控單元及其上位機監控系統，對智能型測控單元設計所涉及到的相關問題進行了分析和討論。
2 整體結構及工作原理
該控制單元的基本任務是通過對電網參數的采集和處理來給出相應的控制信息，以獲得斷路器所需的分斷時延。為了判斷電網的狀態，控制單元首先必須具備準確測量電網參數的功能。智能測控單元總體結構如圖1所示，它由4部分組成，即開關電源、信號檢測單元、微處理器系統以及執行元件。
開關電源提供測控單元的工作電源；信號檢測單元為電流互感器（CT）和電壓互感器（PT），通過前置調理采樣電路并結合微電子技術將供電回路中的強電流和高電壓轉換為適合電子電路和單片機處理的電流電壓信號，為微處理器系統提供正確可靠的采樣信號；微處理器系統則是由德州儀器的數字信號處理器 TMS320LF2407和Altera公司的MAX7000系列CPLD及其外部接口電路組成，對電流電壓信號進行實時采集、處理、存儲，以實現各種保護和輔助功能；執行元件為一種磁通傳輸分離脫扣器，用較小的能量就能驅動使其脫扣，脫扣信號來自微處理器系統。其中微處理器系統為整個測控單元的核心，是斷路器實現數字智能化的標志所在。
正常供電主線路電流和電壓信號通過大功率CT和PT變換成0～5A的電流和0～100V的電壓信號，供二次系統采集。考慮到LF2407DSP的信號輸入標準為低功耗的0～3.3V供電，必須采用小CT、PT對信號進行再次調理，然后經過整流濾波供給微處理器。微處理器實時采集電信號，并對采樣信號進行進一步的軟件濾波與實時處理，如發現故障，則根據故障類型進行相應的報警、顯示以及脫扣等處理操作。
3 硬件設計
微處理系統是智能測控單元的核心部件，也是測控單元實現智能化的標志。本節對微處理器功能模塊的設計說明如下：
（1）DSP最小系統包含CPU（TMS320LF2407）、EEPROM（X25045）、RAM（CY7C1021）、地址鎖存器 74LS373等。其主要功能是對采集的數據進行處理，完成計量、保護功能，并通過通信接口與上位機進行通信等。LF2407DSP是3.3V供電的低功耗數字信號處理芯片，在現代信號處理系統中有廣泛應用。另外本系統采用DSP片內AD模塊，節省了制造成本和系統體積。
（2）CPLD模塊采用Altera公司的MAX7000系列。該器件集成度高、工作速度快、編程方便，在本系統中完成快速的片選信號、三態驅動、譯碼電路及鎖存功能，大大的簡化了系統的硬件復雜度，提高了系統的可靠性，并降低功耗。
（3）信號調理模塊由電平轉換調節電路、采樣保持電路、多路開關等組成。主要功能是將大的電信號調理成適合DSP的A/D模塊輸入所能接收的信號。并實現硬件低通濾波功能。
（4）監控模塊采用MAXIM公司出品的MAX706專用監控芯片。它具有看門狗、電壓檢測和上電復位功能，可提高系統的可靠性和準確性。
（5）時鐘模塊采用DALLAS的DS1302串行實時時鐘芯片。它為系統提供時間標準。該芯片具有體積小、功耗低、接口容易、占用CPU I/O總線少等主要特點，廣泛應用于智能化儀器儀表中。
（6）用戶操作面板模塊包括鍵盤操作面板和液晶顯示面板，提供人機交互界面，通過按鍵可實現整定、試驗、檢測等功能。液晶顯示大量的信息，如數據顯示、參數整定、故障信息等。
（7）通信接口模塊采用MAXIM公司出品的MAX483接口芯片和研華公司出品的ADAM4520轉換模塊，通過RS-485接口實現下位機與上位機的通信，適用于網絡系統。
4 測控單元信號采集濾波算法
目前在故障信號的定量分析中，離散傅立葉算法是廣泛采用的方法。離散傅立葉算法不但具有較強的濾波功能，而且通過該算法還可獲得信號的實部和虛部，為確定短路電流、電壓的大小、性質（容性或感性）及功率的計算提供了極大的方便，因而被廣泛采用。本裝置中，首先對電流、電壓進行諧波分析，然后在進行衰減直流分量的補償計算后計算各次諧波的有效值和相角等。以下分析用于衰減直流分量的處理。
設輸入信號為 
式（2）（3）中Ks,Kc分別為正弦和余弦分量的補償系數。其計算公式為 
式（4）（5）中 N為采樣點數，
某通道信號一個周期的AD采樣完成后，實時計算出r值，然后在傅立葉分析完成后對正弦余弦分量進行補償，本系統中只對基波進行了補償。
程序采用快速傅立葉變換（FFT）算法來實現電網信號的濾波功能。由于DSP 指令速度快，而且具有適合該算法實現的硬件條件和指令，因此該程序的運行時間可以滿足斷路器智能操作的實時性要求。
5 測控單元的保護特性
5.1 概述
智能測控單元具有接地漏電保護、三段電流保護、斷相和不平衡保護、欠壓保護以及單相接地保護等，本節針對長延時、短延時、瞬動三段電流保護進行討論。
過電流保護特性由時間—電流曲線表示，曲線位于直角坐標系中，縱坐標與橫坐標均經對數化，縱坐標為動作時間，橫坐標為過電流倍數。圖2為典型的3段過電流保護特性曲線。它包含了長延時、短延時、瞬動3段電流保護。3個電流保護段的電流整定值覆蓋范圍可以用數軸表示，如圖3所示。設定不同的電流整定值，測控單元可同時或分別具有3段保護特性。
其中短延時電流覆蓋范圍分別與長延時電流和瞬時電流覆蓋范圍相重疊。根據電流整定值的不同，斷路器可以同時或分別具有三段保護特性。如表1所示。
5.2 保護特性
長延時保護特性為反時限，數學表達式為 
短延時保護特性由兩部分組成：反時限和定時限。8Ir為分界點，定時限的動作時間有多個規定值可供選擇；反時限特性數學表達式為 
式（6）、式（7）中Ir為電流整定值，I為過電流值，T為動作時間，tL為長延時動作時間整定值，t-S為短延時動作時間整定值。
當短路短延時動作電流大于8Ir時，智能式脫扣器短延時特性自動轉換為定時限，動作時間與其電流的整定值無關。
短路瞬動動作特性為定時限，動作時間一般為10～20ms。智能斷路器一般設有OFF瞬動鎖定功能，在不需要瞬動的配電系統可關閉瞬動保護功能。
5.3 保護原理
定時限保護的保護原理比較簡單。當故障電流值大于電流整定值時，啟動定時器，定時時間到，保護動作；在計時時間內，如故障電流值小于整定值，則保護退出。
反時限保護實質為熱保護，動作時間與電流平方成反比。為提高反時限電流保護的實時性，本測控單元采用查表法確定保護動作特性，根據測得的過電流倍數，通過查表求得動作時間，定時時間到，則保護動作。
6 軟件設計
實時多任務調度都有3個狀態：運行、就緒和等待。各個任務在實時操作系統的調度下，在這3個狀態之間切換，見圖4。任務之間的切換應當以優先級為根據。
低壓斷路器數字式測控單元的軟件設計采用層次化、模塊化的設計思想，軟件的結構框圖如圖5所示。程序中采用任務狀態字對應不同的優先級。
由圖5可見，軟件系統劃分為3個中斷、1個調度、多個任務。其中實時多任務調度系統是整個軟件系統的核心，使得軟件系統多個任務能合理有序地執行。
作為實時多任務系統的核心，任務調度必須在極短的時間內執行一次，且任務調度不能被其它程序打斷，才能保證優先級高的任務被及時執行。本測控單元的任務調度在數據采集中斷處理程序中執行，這樣優先級最高的任務最多等待一個采樣周期，即1.67ms左右便可執行，可以滿足實時性的要求。本智能測控單元的下位機軟件設計采用應用于LF2407的匯編語言和C語言混合編程調試環境，程序結構具有模塊化和子程序化的特點，同時在程序設計中加入了抗干擾處理。軟件程序分為主程序和中斷程序兩大部分。主程序包括故障處理子程序、通信處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示處理子程序等。中斷程序包括外部中斷子程序、定時器中斷子程序、通信中斷子程序、鍵盤中斷子程序等。中斷優先級依次為外部中斷、定時器中斷、通信中斷、鍵盤中斷。
（1）主程序是一個循環程序，其流程如圖6所示，初始化后進入到主循環，查詢子程序標志位寄存器，如發現標志位置位，則進入相應的子程序處理。
（2）外部中斷：外部中斷1（XINT1）子程序用于系統電源故障的檢測，外部中斷（XINT2）子程序用于接地故障的檢測，一旦發現故障，立即發出報警信號，并進入相應的故障處理。外部中斷1（XINT1）的優先級高于外部中斷（XINT2）。
（3）定時器中斷：提供信號采樣周期，定時周期1ms，即一個周期采集20個采樣點，采樣頻率為1kHz，為信號頻率（50Hz）的20倍，可實現非失真采樣。對于外接15MHz晶振的TMS320LF2407處理器而言，每完成一次A/D所需的時間遠小于1ms，可利用此等待時間對采樣值進行處理。程序流程如圖7所示。
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