中高压断路器在线监测装置的设计与实现

摘要：为了对开关设备的重要参数能进行长期连续的监测，设计出一种采用DSP处理器加CPLD结构的在线监测系统，详细分析了行程信号采集、线圈电流信号采集、数据存储、通信和实时RTC等主要硬件模块的设计方案。系统实现了对高压断路器状态的在线监测和机械故障的诊断，为开关设备状态监测提供了一种可行的解决方案。
关键词：DSP；CPLD；在线监测；硬件设计

    高压断路器是电力系统中的重要设备之一，在电站设备中数量多、投资大，在电网中起着控制分配电能和保护设备的双重任务，其性能的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。当它发生故障时会引起电网事故或扩大事故，造成很大的经济损失及社会影响。高压断路器的在线监测和故障诊断可以及时发现故障，从而提高其运行可靠性。此外，当电力设备由定期维修转变为状态维修时，高压断路器的在线监测对开关设备的重要参数能进行长期连续的监测，不仅可以提供设备现有的运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养费用。因此，研究高压断路器状态的在线监测和机械故障的诊断，尽量提前发现潜在故障，将现有的定期检修制度推向状态检修，对避免设备故障及事故的发生和发展，降低设备故障率，有效提高断路器的可靠性，增强电力系统的安全性、可靠性、经济性都具有十分重要的意义。

1 总体方案设计
1．1 处理器介绍
    本系统采用TMS320F28335型数字信号处理器，这是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A／D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150 MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSC相比，平均性能提高50％，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。
    此外，本设计使用的MAX3128A系列是Altera公司推出的3．3 V低价格EEPROM工艺PLD，是满足大批量，成本敏感应用的非易失性CPLD理想的解决方案，是Altera公司销量最大的产品，属于主流器件。MAX3128A器件支持在系统可编程能力，能够轻松地实现现场配置。每个MAX312 8A宏单元都可以独立的配置成顺序或组合逻辑操作。
1．2 系统总体结构
    系统的整体框图如图1所示。TMS320F28335上运行嵌入式UCOS II操作系统，实现整个监测系统的任务调度；MAX3128A配合以太网控制芯片RTL8019AS和A／D采样芯片AD7864完成数据的采集和以太网通信功能。

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    在本系统中，断路器主轴的行程信号通过位移传感器转变为电信号的模拟量，经过信号调理电路进入AD7864高速采样芯片转变成数字量后送到DSP中进行信号处理。分合闸线圈电流信号以及其他传感器信号经过同样的途径进入DSP处理器。开关量输入输出模块用于实现分合闸命令的检测和继电器控制命令的输出。此外，系统通过一路RS232接口电路与串行液晶显示模块相连接，一路485通信接口与上位机进行通信。当处理器检测到有断路器动作信号时会启动采样程序，收集传感器的信息，分析并处理得到的数据，最后对断路器当前的性能做出评估和诊断，并将诊断结果和相关曲线显示在液晶模块上，当诊断结果显示断路器出现故障时会启动声光报警程序。为了在保存关键数据时附上时间信息，本设计中还扩展了RTC实时时钟电路。

2 系统硬件设计与实现
2．1 电源模块
    在本系统中，DSP处理器TMS320F28335需要两种电压，一种是1．8 V的内核电压，另一种是3．3 V的I／O电压。此外MAX3128A需要3．3 v的电压，位移传感器需要2．5 V的参考电压，电流传感器和运算放大器需要+12 V和-12 V的电源电压。然而，在外围设备中，许多器件还要求5 V供电，例如AD7864采样芯片和蜂鸣器电路等。为了便于电源管理，本系统采用220 V交流电源输入，经过AC-DC模块输出一路5 V，一路+12 V和一路-12 V。TI公司的DSP一般要求有独立的内核电源和IO电源，由于DSP在系统中要承担大量的实时数据计算、因为在其CPU内部，部件的频率开关转换会使系统功耗大大增加，所以，降低DSP内部CPU供电电压无疑是降低系统功耗最有效的方法之一。传统的线性稳压器(如78XX系列)已经不能满足要求，TPS767D301是其最近推出的双路低压差(且其中一路还可调)电压调整器，非常适合于DSP应用系统中的电源设计。本系统采用TPS767D301作为输入端电源芯片，经过外接合适的电感和滤波电容能够同时得到3．3 V和1．8 V两种电压。TPS767D301是DC—DC转换芯片，输出功率大，工作效率高，工作状态稳定，能够适合本系统的要求。另外，使用了LDO型电源芯片TPS79925来实现5 V到2．5 V的电平转换。
2．2 存储器模块
    TMS320F28335内部的程序存储器和数据存储器是无法满足系统运行要求的，为了满足设计目标的需要，本系统扩展了Flash，EEPROM和SRAM 3种存储器。
    NOR Flash是Flash的一种，它的写入和擦除速度较慢，但随机读取速度快。NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NORFlash最大的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中。本系统所用的NOR Flash型号为SST39VF800Q，用来存放应用程序。
    和Flash不同，SRAM不具有掉电保持数据的特性，但可读可写，且存取数据的速度很快，因此SDRAM在系统中主要用作核心程序的运行空间、数据及堆栈区。本系统所用的SRAM型号为IS61LV51216。
    此外，系统中还外扩了基于IIC通信协议的EEPROM芯片，EEPROM和FLASH的最主要的区别是EEPROM可以按“位”擦写，而FLASH只能按块擦除。EEPROM一般容量都不大，一般都是在64 kBIT以下。系统在上电的时候需要从EEPROM中读取一些配置参数，运行的时候需要保存一些用
户在线设置的参数和对断路器状态进行诊断得到的一些关键数据。本系统所用的EEPROM型号为AT24C256。

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2．3 A／D转换电路
    AD7864是美国模拟器件公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗的信号采集芯片，分辨率为12位，可实现4通道同时采样。AD7864的转换时间为1．65μs／CH，采样保持时间为0．35μs，单通道最高采样频率为500 kSPS。若四通道同时采样，每通道最高采样频率可达130 kSPS。信号输出采用12位高速并行数据输出接口，不需要电平转换等处理，可直接连接MCU。通道选择可以通过硬件或软件实现。数据转换和读取可以选用内部时钟模式或外部时钟模式。由+5 V单电源供电，功耗低达90 mW，省电模式下可低达20μW。
    本系统使用AD7864-2来进行模拟信号的采集。位移传感器信号，电流信号等经过信号调理电路后送到A／D芯片中进行处理。DSP与AD7864具体逻辑控制关系由CPLD来完成。
2．4 电流检测电路
   任意波形的直流信号通过霍尔传感器变为4～20 mA小电流信号，经变换后送A／D数据采集处理。霍尔传感器送过来的4～20 mA的直流信号，经取样电阻R18变换为电压后经射极跟随输出，经R19后转换为线性光隔线性范围的前端电流I。线性光隔选用CNY17-2，其在前端电流为1～10 mA范围内有很好的线性。光隔输出后经取样电阻R100转换为A／D可采样的电压信号。

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2．5 开关量输入输出
    系统设计输入输出各4路。当输入为高电平，读入数据为“1”，输入为低电平时读人数据为“0”。每路输入输出信号均设置有状态指示灯，便于直观了解当前开关量工作状态，当输入为低电平时灯亮，高电平或悬空灯灭。开关量要经RC滤波后，送入光耦，进入光耦前，并联TVS防止雷击。此电路具有抗振动、抗腐蚀能力强、可靠性高等优点，可较好满足电力系统运行环境要求。
2．6 信号调理电路
    模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等。但传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行放大，缓冲，滤波或定标等，使其适合于模／数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
    电压信号的调理电路设计有很多方法，本设计中的信号调理电路如图4，可以根据信号信噪比和调制比的要求改变电阻阻值。

2．7 外围接口设计
    TMS320F28335的另一大特点就是提供了丰富的可复用引脚，在本系统中主要外扩了以太网通信电路、RTC电路、蜂鸣器电路和UART串口等。
    TMS320F28335通过以太网控制芯片RTL8019AS扩展了通信电路，其中控制逻辑部分由CPLD配合完成。另外由于处理器只有一个IIC协议接口，设计中利用两个GPIO模拟IIC总线通讯协议扩展了RTC实时时钟电路。
    TMS320F28335处理器片上还集成了3个串口，其波特率可通过编程设置，另外也支持奇偶校验。本设计使用了其中两个串口，串口a用于处理器与液晶显示模块的通信，串口b用于485通信。

3 结论
    在供、配电系统中，高压断路器所导致的非计划停电事故占停电事故总量的60％以上，断路器的可靠性将直接影响电力系统的可靠性。为了提高断路器的可靠性，有必要对断路器的工作状态进行实时监测。同时，断路器状态监测也是实现状态检修的重要基础，是故障诊断技术发展的前提，因此高压断路器在线监测技术意义重大。
    本设计选用计算能力强，处理速度快的DSP作为CPU，采用当前流行的DSP+CPLD模式构成系统的基本框架，做到了分散数据采集处理和集中数据管理相结合。硬件设计上保证了多CPU并行工作的同步和数据共享。系统配置了非易失性的EEPROM，保证了数据的安全性。采用基于Modbus协议的485总线和以太网传输数据，保证了数据的快速传输和通讯的可靠性。此硬件平台还兼容保护、滤波的硬件系统。该系统能实现对断路器机械特性、电寿命、操作回路完好性等的在线监测。