基于數字信號處理器的智能型斷路器測控系統(tǒng)的研制

基于數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(xiàn)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(xiàn)遙測、遙調、遙控、遙信等四遙功能，適用于網絡系統(tǒng)，通過上位機可集中監(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(fā)了智能型測控單元及其上位機監(jiān)控系統(tǒng)，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
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(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(xiàn)各種保護和輔助功能；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，是斷路器實現(xiàn)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(tǒng)采集�？紤]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(fā)現(xiàn)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(tǒng)是智能測控單元的核心部件，也是測控單元實現(xiàn)智能化的標志。本節(jié)對微處理器功能模塊的設計說明如下：
（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(xiàn)代信號處理系統(tǒng)中有廣泛應用。另外本系統(tǒng)采用DSP片內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)驅動、譯碼電路及鎖存功能，大大的簡化了系統(tǒng)的硬件復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低功耗。
（3）信號調理模塊由電平轉換調節(jié)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(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、電壓檢測和上電復位功能，可提高系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)下位機與上位機的通信，適用于網絡系統(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。