小電流接地系統單相接地保護裝置的研制
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隨著(zhù)配電網(wǎng)的發(fā)展，小電流接地系統運行的可靠性越來(lái)越受到重視，針對小電流接地系統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(shí)現的，而單片機在實(shí)現保護方面有體積小、成本低、安裝方便、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)。以前的很多產(chǎn)品都是利用接地故障時(shí)的穩態(tài)信息。但是當小電流接地系統在發(fā)生單相接地故障時(shí)，穩態(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(xiàn)方法更可靠。
配電網(wǎng)的線(xiàn)路繁多，結構復雜，采集的數據包括由TV來(lái)的8路電壓量(兩段母線(xiàn)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(diǎn)，可以很好地解決數據采集和處理問(wèn)題?？紤]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(shí)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(cháng)，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(tài)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(yōu)點(diǎn)決定了它在電力系統諧波分析、奇異點(diǎn)的檢測與消噪、設備的狀態(tài)監測與故障診斷、繼電保護、輸電線(xiàn)路故障定位及負荷預測等領(lǐng)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(shí)現準確、高效選線(xiàn)的保障。本文設計的選線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)結構，指令是流水線(xiàn)操作，以及獨立的硬件乘法器結構等，非常適合進(jìn)行數字信號處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據分析和監控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)現多點(diǎn)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(chǎng)，進(jìn)行數據采集和處理，并且與上位機之間進(jìn)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TMS320LF2407A DSP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(jìn)行通信。系統通過(guò)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(shí)現兩個(gè)CPU之間大量數據的快速交換，本裝置采用雙口RAM來(lái)實(shí)現兩CPU之間快速的數據交換。
IDT7132是高速2k×8雙端口靜態(tài)RAM，可提供兩個(gè)擁有獨立的控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和I／O總線(xiàn)端口，允許CPU獨立訪(fǎng)問(wèn)內部的任何存儲單元。本文使用雙端口RAMIDT7132來(lái)實(shí)現DSP與單片機雙CPU的連接。圖2是DSP與單片機通過(guò)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(wèn)題。同時(shí)讀取不同存儲空間的數據和同時(shí)讀取相同空間的數據時(shí)，左右端口可以同時(shí)進(jìn)行。若同時(shí)對相同的空間進(jìn)行寫(xiě)操作，或者某一端口在對一數據空間進(jìn)行讀操作的同時(shí)另一端口對該數據空間進(jìn)行寫(xiě)操作，左右端口將發(fā)生沖突。我們在設計時(shí)通過(guò)BUSY引腳來(lái)解決這一問(wèn)題。當左右端口對不同存儲空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，可以同時(shí)存取。此時(shí)，左右端口的BUSY信號同時(shí)為高。若對同一存儲空間同時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，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。
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(shí)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16b A／D轉換器，有6個(gè)模擬量輸入通道?？捎肂VDD獨立供電。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0．8 μ s，轉換時(shí)間只有3．2 μ s，A／D的最大采樣率達到250K，要達到此值，可在下一次轉換開(kāi)始時(shí)讀取上一次的轉換結果。此A／D完全可以滿(mǎn)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(dòng)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(chǎn)生。通過(guò)IOPB4使得HOLD A、HOLD B、HOLD C同時(shí)為低電平，對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轉換結束信號發(fā)出中斷請求，讀取AD轉換結果。由A0、A1、A2控制采樣模式。
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