基于數(shù)字信號處理器的智能型斷路器測控系統(tǒng)的研制

基于數(shù)字信號處理器的智能型斷路器測控系統(tǒng)的研制
吳曉峰，張浩 （西安交通大學(xué)工業(yè)自動化教研室，陜西省 西安市 710049）
智能型斷路器的中樞部件是智能測控單元，它承擔(dān)著斷路器的各種保護(hù)、報警、顯示與控制功能。由于采用了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、控制理論、可編程邏輯技術(shù)和串行通信技術(shù)等，智能測控單元的功能日趨完善，除實(shí)現(xiàn)各種選擇性保護(hù)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(wǎng)卡或接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信等四遙功能，適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過上位機(jī)可集中監(jiān)察和控制。因此，帶智能測控單元的斷路器在低壓配電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
結(jié)合江蘇黃海電器控制設(shè)備廠研制的ST智能型控制器，筆者自行開發(fā)了智能型測控單元及其上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對智能型測控單元設(shè)計所涉及到的相關(guān)問題進(jìn)行了分析和討論。 2 整體結(jié)構(gòu)及工作原理
該控制單元的基本任務(wù)是通過對電網(wǎng)參數(shù)的采集和處理來給出相應(yīng)的控制
開關(guān)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(diào)理采樣電路并結(jié)合微電子技術(shù)將供電回路中的強(qiáng)電流和高電壓轉(zhuǎn)換為適合電子電路和單片機(jī)處理的電流電壓信號，為微處理器系統(tǒng)提供正確可靠的采樣信號；微處理器系統(tǒng)則是由德州儀器的數(shù)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(jìn)行實(shí)時采集、處理、存儲，以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)和輔助功能；執(zhí)行元件為一種磁通傳輸分離脫扣器，用較小的能量就能驅(qū)動使其脫扣，脫扣信號來自微處理器系統(tǒng)。其中微處理器系統(tǒng)為整個測控單元的核心，是斷路器實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能化的標(biāo)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(tǒng)采集�？紤]到LF2407DSP的信號輸入標(biāo)準(zhǔn)為低功耗的0~3.3V供電，必須采用小CT、PT對信號進(jìn)行再次調(diào)理，然后經(jīng)過整流濾波供給微處理器。微處理器實(shí)時采集電信號，并對采樣信號進(jìn)行進(jìn)一步的軟件濾波與實(shí)時處理，如發(fā)現(xiàn)故障，則根據(jù)故障類型進(jìn)行相應(yīng)的報警、顯示以及脫扣等處理操作。 3 硬件設(shè)計
微處理系統(tǒng)是智能測控單元的核心部件，也是測控單元實(shí)現(xiàn)智能化的標(biāo)志。本節(jié)對微處理器功能模塊的設(shè)計說明如下：
（1）DSP 小系統(tǒng)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成計量、保護(hù)功能，并通過通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信等。LF2407DSP是3.3V供電的低功耗數(shù)字信號處理芯片，在現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。另外本系統(tǒng)采用DSP片內(nèi)AD模塊，節(jié)省了制造成本和系統(tǒng)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(tǒng)中完成快速的片選信號、三態(tài)驅(qū)動、譯碼電路及鎖存功能，大大的簡化了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低功耗。
（3）信號調(diào)理模塊由電平轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電路、采樣保持電路、多路開關(guān)等組成。主要功能是將大的電信號調(diào)理成適合DSP的A/D模塊輸入所能接收的信號。并實(shí)現(xiàn)硬件低通濾波功能。
（4）監(jiān)控模塊采用MAXIM公司出品的MAX706專用監(jiān)控芯片。它具有看門狗、電壓檢測和上電復(fù)位功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
（5）時鐘模塊采用DALLAS的DS1302串行實(shí)時時鐘芯片。它為系統(tǒng)提供時間標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能化儀器儀表中。
（6）用戶操作面板模塊括鍵盤操作面板和液晶顯示面板，提供人機(jī)交互界面，通過按鍵可實(shí)現(xiàn)整定、試驗、檢測等功能。液晶顯示大量的信息，如數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)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(zhuǎn)換模塊，通過RS-485接口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信，適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 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(qiáng)的濾波功能，而且通過該算法還可獲得信號的實(shí)部和虛部，為確定短路電流、電壓的大小、性質(zhì)(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(jìn)行諧波分析，然后在進(jìn)行衰減直流分量的補(bǔ)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。