基于暫態(tài)行波法的配電網(wǎng)故障定位裝置研究

　　信號調理電路

　　由于電壓傳感器輸出的電壓信號不正好在A(yíng)DC的量程范圍內，故需要對信號進(jìn)行調理，以滿(mǎn)足高速ADC的要求，保證ADC的正常工作，避免造成ADC的損壞。

　　高速數據采集及存儲電路

　　高速數據采集及存儲電路是行波法故障定位裝置的核心部分，主要由FPGA、ADC模數轉換器和2片SRAM構成。其中，FPGA采用Altera公司的240引腳PQFP封裝的EP1C12，它具有12, 060 LEs、52個(gè)M4K RAM blocks、2個(gè)PLLs、173個(gè)用戶(hù)I/O。ADC采用ADI公司的AD7822，它是一種8-bit A/D轉換器，單極性輸入，并行輸出;內含取樣保持電路，具有轉換后自動(dòng)Power-Down的模式，電流消耗可降低至5μA以下。轉換時(shí)間最大為420ns，可滿(mǎn)足1μs采樣一次的轉換要求，SNR可達48dB，INL及DNL都在±0.75 LSB以?xún)??？蓱迷跀祿蓸?、DSP系統及移動(dòng)通信等場(chǎng)合。SRAM的任務(wù)是存儲高速ADC轉換的數據，由于高速ADC的轉換速率很高，這就要求數據存儲器有較大的存儲容量和較短的讀/寫(xiě)時(shí)間，這里采用ISSI 公司的IS61LV25616。IS61LV25616是256k×16的高速異步CMOS靜態(tài)RAM，讀寫(xiě)速度可達10ns，完全可以滿(mǎn)足要求。

　　具體工作過(guò)程： 線(xiàn)路正常運行時(shí)，沒(méi)有暫態(tài)信號輸入，3片AD7822在FPGA產(chǎn)生的高頻時(shí)鐘脈沖控制下并行地進(jìn)行采樣和數據轉換，并將轉換的數據循環(huán)存儲在2片SRAM中的一片上，SRAM中永遠保留著(zhù)等于RAM容量的最新數據。當三相故障行波信號中任一相的幅值高于預設的門(mén)檻值時(shí)，表明有故障行波信號被監測到，鎖存當前的時(shí)標，同時(shí)開(kāi)始一個(gè)10ms的計時(shí)延時(shí)，在這段時(shí)間內繼續將ADC轉換的數據存儲到當前的一片SRAM。當10ms延時(shí)結束時(shí)，切換地址數據總線(xiàn)將采集的數據存儲到另一片SRAM上，同時(shí)通知MCU取走第一片SRAM中的故障行波數據和鎖存的時(shí)標，并通過(guò)GPRS DTU遠傳給中心端服務(wù)器做進(jìn)一步的處理，實(shí)現故障波形分析，進(jìn)而實(shí)現故障定位。若只采用1片SRAM，在10ms延時(shí)結束后，需暫時(shí)停止數據采集，待SRAM中數據取走之后才能重新采集數據，以保證有用的故障信息不被沖掉。如果在轉存暫態(tài)數據期間線(xiàn)路發(fā)生故障，則不能對其進(jìn)行監測，造成故障數據漏記，無(wú)法定位。采用雙SRAM，由于MCU轉移數據和高速ADC繼續采集數據可以在FPGA的協(xié)調下同時(shí)進(jìn)行，從而在一定程度上解決了以往裝置存在的循環(huán)存儲器死區問(wèn)題。

　　單片機外圍電路

　　單片機(MCU)外圍電路主要包括3部分：與GPRS DTU連接的數據遠傳電路、與GPS模塊連接的時(shí)間獲取電路和與FPGA之間的數據通信電路。根據單片機需完成的功能，本系統中采用Microchip高性能RISC CPU PIC18F8520，它內部有32kB的FLASH程序存儲器和2kB的SRAM數據存儲器、1kB的EEPROM數據存儲器;運算速度可達10MIPS;可以工作在DC~40MHz的時(shí)鐘頻率范圍之內;具有外部存儲器接口，可方便地訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器中的程序或數據，便于與FPGA的數據通信;具有2個(gè)USART接口，支持RS-485和RS-232，其中一個(gè)USART接口與GPRS DTU連接，可對DTU進(jìn)行配置并傳輸數據，另一個(gè)與GPS模塊相連，用來(lái)獲取精確到秒的時(shí)間信息。

　　無(wú)線(xiàn)通訊模塊采用成都眾山科技ZSD2110 GPRS DTU。ZSD2110是一款使用GPRS進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸的終端設備，支持透明數據傳輸和用戶(hù)自由控制傳輸模式，本系統中采用透明數據傳輸模式，不用關(guān)系復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，通過(guò)全透明串行口，就可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)，可大大簡(jiǎn)化單片機軟件程序的設計。GPS授時(shí)模塊采用Garmin的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機，精密授時(shí)類(lèi)型精度可達±50納秒(典型值);具有串行端口，輸出為RS232，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平，波特率從300~38400可選，默認為4800?？奢敵鯪MEA0183 2.0/3.0的ASCII碼語(yǔ)句/Garmin二進(jìn)制格式信息。非常適合應用于車(chē)輛導航、海事導航、電力系統校時(shí)等。由于DTU和GPS模塊都是通過(guò)串行口與單片機連接，接口比較簡(jiǎn)單，需特別說(shuō)明的是單片機與FPGA之間的數據通信接口電路。單片機PIC18F8520需通過(guò)其EMI接口從FPGA獲取故障波形數據和時(shí)標信息。由于PIC18F8520的EMI接口中16bit數據線(xiàn)和低16bit的地址線(xiàn)共用，與FPGA之間不能直接相連，接口連接如圖3所示。

　　故障定位裝置的程序設計

　　故障定位裝置的程序設計包括FPGA的內部邏輯設計和單片機的軟件設計。

　　FPGA內部邏輯設計

　　FPGA的內部邏輯通過(guò)Altera公司的Quartus II集成環(huán)境，采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設計，分為以下幾個(gè)模塊。

　　(1)時(shí)鐘信號生成模塊：將50MHz的輸入時(shí)鐘通過(guò)計數器分頻得到需要的時(shí)標標定電路的時(shí)鐘信號、ADC轉換時(shí)鐘信號等系統需要的各種頻率的時(shí)鐘信號。