输电线路行波故障定位中高速数据采集系统的实现

    摘  要：为了用单片机实现对变化速度极快、变化过程极短的高速瞬态行波信号进行采样，研究了一种以DS80C320单片机为控制器。结合适当的外围电路和合理的控制逻辑构成的高速同步数据采集系统。阐述了快速寻址的方法、高速A／D转换与快速存储操作的协调控制关系和PC机总线接口技术，此系统符合ISA总线标准，可广泛用于电力系统暂态行波的测量。
   
1　前言
　　对电力系统高压输电线路进行精确的故障定位是保证系统安全稳定运行的有效途径之一。现代行波定位是通过对故障发生后线路出现的电压行波和电流行波的采样值进行综合分析，确定故障行波波头到达线路上测量点的准确时刻，来实现精确的故障定位。输电线路短路故障发生后的暂态行波信号，其不同频率分量具有不同的速度和衰减。波头的形状和极性与线路两端的波阻抗变化情况有关，幅值与故障发生的时刻密切相关，使得行波在传播过程中易发生畸变，降低了对行波准确到达时间的判别及对行波反射波的识别能力。对于变化速度极快，变化过程极短的高速瞬态行波信号的采集，需要高速A／D转换单元、大量数据存储单元、高速寻址和快速存储等。
　　为了用单片机实现对μs级甚至ns级高速瞬变信号进行采样，研究了一种基于GPS同步的、用硬件电路实现高速数据采集、高速寻址以及存储的技术，保证了高速瞬态信号的实时采集。从而提高了输电线路故障定位的精度。
　　由于所采集的信号是高频信号，用常规的办法受到单片机本身运行速度的限制，使用计算机不仅造成成本提高，而且对高频、远距离多路信号的信号处理上增加困难，有时无法区别所采集信号的真伪。通过对8051单片机的外围进行有效的扩展，采取在数据采集时由硬件实现其采集和存储，采集完毕后由8051单片机进行数据处理和通信，比较好地解决了两者的矛盾。
　　我们研制的高速数据采集板的采样频率为20MSPS；A／D转换字长为8位，并且采样速率可变；存储容量为512K字节，符合ISA总线标准等特点。可广泛用于电力测量、继电保护和故障定位等。
2　硬件系统
　　对高速数据采集技术而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与通过速率，特别是系统通过速率，是区别高速数据采集与一般数据采集最为关键的一项技术指标。在硬件的具体实现过程中，则需要考虑两个方面：（1）A／D转换器的转换时间。（2）转换后的数据存储时间［3］。
　　本文根据需要使用DS80C320单片机，在时钟频率为33MHz条件下，单周期指令执行时间是110ns，充分发挥高速A／D转换芯片的性能。硬件电路框图如图1所示，它是由CPU1及CPU2基本系统、视频闪烁ADC转换器、高速缓存RAM、双口RAM、地址计数器、采样频率控制、时序控制及译码电路等部分组成。

　　CPU1主要用于数据采集和同PC机通讯，CPU2用于接收GPS时间报文，GPS时间报文可在任何时刻由CPU1从与之相接的双口RAM2中读取。选用高速双端口RAMIDT7130（2k×8位）、IDT7134（4k×8位），内部具有判决电路以防止因对某一单元同时操作而产生冲突。第一片双口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的数据、同步时间信息及工作状态等量，供PC机定时取用，同时也接收来自PC机的命令。第二片双口RAMIDT7130其容量为2K字节，主要用于CPU1与CPU2交换GPS的同步时钟信息。
2．1　高速A／D转换
　　A／D转换采用闪烁ADC器件AD9048，其最大转换速率为35Ms／s，分辨率为8位。AD9048内部时钟锁定比较器，可使编码逻辑电路和输出缓冲寄存器工作在35 MSPS的高速，并避免了多数系统对取样保持电路（S／H）和跟踪保持电路（T／H）的需要。AD589和AD741，2N3906等构成稳压可调电路，提供给9048的RB，RT接地。AD9618作为输入缓冲放大器［4］。由于AD9048的数据输出没有三态门控制，故在输出加以74LS241作为三态门控制。AD9048是否工作取决于输入转换脉冲信号，在脉冲信号上升沿取样。转换脉冲来自采样频率控制电路中的8254分频器的输出。
2．2　高速寻址
　　对于高速数据采集系统A／D转换应不受CPU控制，每当ADC转换一次之后，由控制电路发出相应的信号，将ADC转换结果写入高速缓存RAM某单元中，再使地址计数器加1，直到地址计数器记满后产生采样结束信号，控制信号封锁RAM写信号，利用二进制地址发生器的最高位通过中断方式通知主机采样已完成。
　　地址形成电路可根据地址位数由若干同步记数器级联而成，5片74LS163可构成19位地址形成电路。计数器每收到一个脉冲即产生一个地址，地址的初值可通过时序控制电路清零。若采用循环地址，则在记数满后，用进位信号迫使记数器的同步预置电平发生变化，使记数器恢复初值，进入新一轮记数。
2．3　快速存储
　　单片机与上位PC机间的串口通讯的数据传输速率往往不能满足实时性要求，DMA通道的最大数据传输率也不超过5Mb／s［1］，这显然无法满足本系统中高达20Mb／s的采样速度，为了解决高速数据采集与低速数据传输的矛盾，在单片机系统中，数据存储器选用双端口RAMIDT7134，在上位PC主机与单片机之间建立了一个4k字节大小的缓冲区，单片机只须将经过预处理的采样值通过一个端口存入缓冲区，上位PC主机通过另一端口从缓冲区取数据，这
样就解决了高速采样与低速数据传输的矛盾，可满足实时采集和控制的要求。
2．4　总线控制
　　单片机系统总线上挂有若干RAM或I／O口，寻址和数据传输都是由CPU发出指令通过系统总线实现的。对于高速数据采集，为了提高寻址和数据传输速度，避免总线冲突或“交通”堵塞，必须建立局部总线。系统总线与局部总线应该既区别又统一，既隔离又结合，彼此通过合理的控制逻辑联系起来。　　在内存映射的传输方式中，A／D不断地将转换的数据写入高速缓存RAM，CPU根据数据处理的需要从高速缓存RAM读取数据至双口RAM1，双口RAM1还需要将所有单元刷新一遍。这三种操作都要占用卡上的数据、地址总线，但它们发生的时间是随机的，因此对总线的占用必然会产生冲突，总线仲裁电路的功能就是对这三种操作进行协调。这里，通过5片74LS241二选一开关来协调地址计数器与CPU1对高速缓存RAM读地址的冲突，2片74LS241来协调高速缓存RAM与AD9048和双口RAM之间的数据传输的冲突。
2．5　PC总线接口技术
　　PC系统总线对4kb的双口RAM寻址是一个难点。本数据采集卡采用的是PC总线，又称8位ISA总线。它使用灵活，便于同8位单片机构成接口电路。它有62条引线，分五类：地址线、数据线、控制线、辅助与电源线。本数据采集卡只利用了其中一部分引线：8条数据线、10条地址线、IOR和IOW控制线、电源线。译码电路详细框图如图2。

　　本数据采集卡使用308H、309H、30AH三个口地址实现在板缓存4kb的寻址。这里的译码电路使用了GAL20V8和两片74HC574。当PC机要访问某一地址时，首先写入双口RAM的低8位地址，此时GAL20V8的输出信号选中74HC574（右），将PC－DB上的数据锁存，形成双口RAM的低8位地址Addrl，然后写入双口RAM的高8位地址，GAL20V8的输出信号选中74HC574（左），将PC－DB上的数据锁存，形成双口RAM的高8位地址Addrh。最后通过选中双口RAM的片选端cs，完成一次数据的读／写过程。
2．6　采样频率控制电路
　　采样频率控制电路是由晶振、可编程分频器8254及一些控制电路组成，8254是可编程分频器，工作频率在8M～20MHz，通过不同的分频数，可以输出不同频率，分频数的值为2～65535。它的输出是由触发控制电路控制。其输出时钟分别送往地址计数器、高速缓存RAM的写信号控制电路及AD9048的转换脉冲输入端。
3　软件设计
　　系统的软件由三大部分组成：数据采集软件、通讯软件、故障定位计算软件。
　　系统工作的大致程序如下：由GPS时钟使安装在输电线路两侧的高速同步数据采集系统的时钟同步，以确保两侧装置在数据采集时的同步。当输电线路正常运行时，两侧的高速同步数据采集系统都会采集各自的线路电流、电压数据；一旦输电线路故障时，两侧均启动记录并保存故障前和故障后的电流、电压数据。当故障切除后，两侧装置通过调制解调器（MODEM）借用电话线或网络交换两侧的电流、电压信号。定位计算软件得到故障点的位置。图3是本系统的软件总体框图。
　　图3中的最上面是程序的入口。程序入口的第一个模块是初始化。经过初始化后，是整点对时模块，在整点时PC机内的时钟将按GPS时钟进行校准。对时后，数据采集系统将开始工作。模数转换器将各模拟量的采样值转换成数字量后，进行自检。如果电力系统在正常运行，启动元件不启动，主程序将一直在上述程序中循环。
　　如果电力系统中有故障，启动元件会启动。主程序将跳转到故障处理部分。在故障处理时，数据采集部分仍然会正常工作，但不再进行对时和自检。这个时候，装置将不断对断路器辅助触点和保护动作信号等外部开关量进行监视。如果外部开关量显示故障已切除，主程序将跳转到故障定位部分。首先，装置将保存本侧的电流、电压值；然后，再通过MODEM经由电话线与其他侧交换数据；最后，进行故障相判断，再得到故障定位结果。
    对装置起动元件的一个基本要求是灵敏度高，选择性好。根据采样的电气量和工控机的特点，装置采用相电流起动、负序电流起动、零序电流起动按或门逻辑输出起动。

　　在系统中，数据采集软件的功能是：使两侧的时钟同步，进行高速模数（A／D）采集的初始化及运行控制和保存双端的电流、电压信号。通讯软件的功能是：实现单片机和微型计算机之间的通讯，将采集的数据传送给微型计算机；并且实现输电线路两端装置的通讯，交换输电线路两侧所采集的电流、电压信号。故障定位计算软件的功能是：利用小波算法对采集的故障电流和电压进行处理，消除各次谐波和其他干扰分量，寻找故障点。进行故障相的判别，选出故障相别，将记录数据以图形的形式显示出来。
4　结论
　　此高速同步数据采集系统具有采样速率高、运行方式灵活、同步时钟精度高和符合ISA总线标准等特点。以DS80C320单片机为核心，采用GPS同步时间，配合适当的外围设备和合理的总线控制技术实现高速数据采集。同时兼有数字存储示波功能和数据分析能力，可以广泛用于电力测量、电力系统故障定位和继电保护领域。