小电流接地系统单相接地保护装置的研制

0 引言
    随着配电网的发展，小电流接地系统运行的可靠性越来越受到重视，针对小电流接地系统的各种保护装置也得到飞速发展。目前，主要的保护装置都是由工控机和单片机实现的，而单片机在实现保护方面有体积小、成本低、安装方便、运行可靠等优点。以前的很多产品都是利用接地故障时的稳态信息。但是当小电流接地系统在发生单相接地故障时，稳态零序电流幅值较小，而暂态零序电流幅值较大，故基于暂态零序电流的故障选线方法更可靠。
    配电网的线路繁多，结构复杂，采集的数据包括由TV来的8路电压量(两段母线的三相电压和零序电压)以及由零序TA来的各路零序电流。对于这样多的数据采集、分析计算，并上传，单一的单片机是难以胜任的。数字信号处理器(DSP)由于具有处理速度快，适合数字信号处理的特点，可以很好地解决数据采集和处理问题。考虑到装置的控制功能，本装置采用单片机和DSP双CPU结构为核心。
    小波分析在时频两域都具有良好的局部化性能，能对不同频率成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，这一特性非常适合分析电力系统中的暂态信号。小波分析在信号的分解与重构、特征提取、信噪分离等方面的优点决定了它在电力系统谐波分析、奇异点的检测与消噪、设备的状态监测与故障诊断、继电保护、输电线路故障定位及负荷预测等领域都具有广阔的应用前景。

1 装置的研制 
1．1 总体方案设计
    硬件平台是软件算法的运行载体，是实现准确、高效选线的保障。本文设计的选线装置采用双CPU。即"DSP+单片机"的处理机构。DSP作为运算CPU，负责信号采集、选线计算部分；单片机作为管理CPU，主要负责人机交互部分。DSP处理器由于内部采用哈佛总线结构，指令是流水线操作，以及独立的硬件乘法器结构等，非常适合进行数字信号处理，进行实时的数据分析和监控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下简称LF2407A)DSP芯片为数据采集和处理CPU，充分利用其强大的数据处理能力和速度，实现多点数据采集和快速参数计算。单片机采用瑞萨M16C／62P系列单片机，该单片机具有很强的抗干扰能力和1M的寻址空间，适用于事件管理和人机交互。系统总体方案如图1所示。本保护装置位于现场，进行数据采集和处理，并且与上位机之间进行通信。保护装置采用M16C／62P单片机为主CPU，负责系统显示、控制和与上位机通信；采用TMS320LF2407A DSP为从CPU，负责数据采集和处理；DSP与单片机之间用双端口RAM进行通信。系统通过RS232和RS485与上位机通信。

1．2 双CPU的连接
    由于系统采用双CPU，为了实现两个CPU之间大量数据的快速交换，本装置采用双口RAM来实现两CPU之间快速的数据交换。
    IDT7132是高速2k×8双端口静态RAM，可提供两个拥有独立的控制总线、地址总线和I／O总线端口，允许CPU独立访问内部的任何存储单元。本文使用双端口RAMIDT7132来实现DSP与单片机双CPU的连接。图2是DSP与单片机通过RAM IDT7132的连接图。

    采用硬件判优方案解决容易发生的争用问题。同时读取不同存储空间的数据和同时读取相同空间的数据时，左右端口可以同时进行。若同时对相同的空间进行写操作，或者某一端口在对一数据空间进行读操作的同时另一端口对该数据空间进行写操作，左右端口将发生冲突。我们在设计时通过BUSY引脚来解决这一问题。当左右端口对不同存储空间进行读写操作时，可以同时存取。此时，左右端口的BUSY信号同时为高。若对同一存储空间同时进行写操作时，哪一端的存储请求信号先出现，则该端的BUSY信号置为高，允许存储。哪一端的存储信号出现在后，哪一端的BUSY信号将置为低，禁止存储。
1．3 数据采集模块的设计
    TMS320LF4207A本身虽然自带A／D转换器，但其转换精度只有10位，且转换速度也不高(500ns)。为了实现更高的速度和精度，选择了扩展ADS8364芯片。ADS8364是一种高速、低功耗、双16b A／D转换器，有6个模拟量输入通道。可用BVDD独立供电。它有6个完全相同的采样保持电路，分成A、B、C3组，每一组都由1个HOLD引脚控制。ADS8364可以从外部引入最大5MHz的时钟频率，此时采样时间是0．8 μ s，转换时间只有3．2 μ s，A／D的最大采样率达到250K，要达到此值，可在下一次转换开始时读取上一次的转换结果。此A／D完全可以满足本装置的采样要求。AD芯片与DSP的连接如图3所示。

    系统采用I／O接口启动AD转换。6片ADS8364的片选信号由译码器电路和IS、A15信号共同产生。通过IOPB4使得HOLD A、HOLD B、HOLD C同时为低电平，对6个通道同时采样。AD的EOC引脚与DSP的外部中断XINT1相连接，由AD转换结束信号发出中断请求，读取AD转换结果。由A0、A1、A2控制采样模式。
[!--empirenews.page--]1．4 液晶显示模块的设计
    本装置采用单片机与HG12605-A液晶显示模块连接来实现人机接口。本模块主要完成显示时间和日期；显示故障线路编号；显示装置运行状态与装置内部故障信息；显示串口通信参数的任务。
    HG12605-A中内藏ST7920点阵式LCD控制与驱动芯片，可以显示字母、数字符号、汉字、以及自定义文字符号。ST7920芯片内部集RAM和ROM、字型产生器、以及液晶驱动器和控制电路于一体，因此，只要一个很小的处理系统，就可以操作HG12605-A液晶显示模块，并且硬件连接简单。液晶模块和单片机的连接如图4所示。

    图中，E为芯片使能引脚。DB0-DB7为数据总线，通过D／I、R／W以及和DB0-DB7的各种组合，可以完成对液晶模块的初始化操作和数据读写。LEDA和LEDK为液晶模块的背光，可以通过可调电阻调节亮度。
1．5 DSP与单片机的软件流程图
    本保护装置要完成的主要任务有数据采集、数据处理、通信与显示。其中数据采集任务是由DSP负责，数据显示和通信的任务由单片机负责。单片机程序包括各种初始化子程序、通信子程序、显示子程序。DSP程序包括初始化子程序、自检子程序、接地发生检测子程序、A／D子程序、数据处理(小波分析)子程序，采用C语言和汇编语言混合编写。其中主函数租DSP函数部分采用C程序编写；中断服务和控制程序采用汇编语言编写，并供C调用。程序流程图如图5所示。图中的Earthstart为接地故障发生标志，通过检测8路电压信号，当判别有接地故障时将Earthstart置1。FinFlag为计算完成标志。外部输入的电压、电流信号经过输入转换电路变为低压小信号，经过平移电路和信号调理，成为可以直接被A／D转换的采样信号，输入A／D转换器。DSP芯片从A／D的寄存器中读取数据。当所有的转换都结束时，DSP启动数据处理程序，即应用小波分析对数据进行分析和计算。计算完成后，将计算结果存储在双口RAM中，并把FinFlag标志置1。当单片机查询到此标志为真时，启动数据读取程序，从双口RAM中读取DSP已经运算完成的数据。当读取完成时，FinFlag和Earthstart标志都置为0，然后完成显示任务和串行通信任务。系统等待下一次接地故障的发生。

2 结论
    1)采用单片机和DSP双CPU作为小电流接地系统单相接地故障检测的核心，充分发挥了单片机的控制功能和DSP强大的信号处理能力；通过双端口的RAM对两个CPU进行连接，并采用硬件判优方案，保证了双CPU数据交换的实时性和可靠性。
    2)采用6片AD转换芯片，实现了36路信号同步采集，使用DSP对数据进行分析，应用了小波分析方法中的信号奇异特性选出故障线路。
    3)采用LCD显示模块实现了很好的人机交互。