摘 要：介紹了一種以TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）為核心的智能型斷路器測(cè)控單元的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)集測(cè)量、保護(hù)、控制、通信、顯示等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了斷路器的微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控功能，具有三段電流保護(hù)和接地漏電保護(hù)等動(dòng)作特性。硬件和軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)為測(cè)控單元的核心，文中對(duì)其信號(hào)調(diào)理、可編程邏輯、時(shí)鐘、通信接口等功能模塊進(jìn)行了介紹。軟件設(shè)計(jì)中采用了新的數(shù)字濾波算法和保護(hù)算法，其總體采用實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度操作系統(tǒng)，并在主程序循環(huán)查詢中斷標(biāo)志位的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)程序分為主程序和中斷子程序兩部分，最后給出主程序和部分中斷子程序的流程圖。目前，該測(cè)控單元樣機(jī)已投入運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：智能化；數(shù)字信號(hào)處理器；數(shù)字濾波；保護(hù)算法
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)、微處理器、光纖傳導(dǎo)技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了帶微處理器的智能控制電器產(chǎn)品。智能斷路器的智能操作是斷路器智能化發(fā)展過程中的一個(gè)全新的概念。斷路器智能操作的目的是當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，控制電器控制斷路器動(dòng)作，快速切除系統(tǒng)中的故障部分，防止故障擴(kuò)大，保證設(shè)備與人身的安全，使系統(tǒng)其他部分運(yùn)行正常?？刂茊卧菍?shí)現(xiàn)智能操作的核心部件，其基本任務(wù)是通過對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的采集和處理來給出相應(yīng)的控制信息，以獲得斷路器所需的分?jǐn)鄷r(shí)延。本文旨在通過對(duì)控制單元的研制為斷路器智能操作的實(shí)現(xiàn)提供條件。
智能型斷路器的中樞部件是智能測(cè)控單元，它承擔(dān)著斷路器的各種保護(hù)、報(bào)警、顯示與控制功能。由于采用了計(jì)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(cè)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(yàn)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(cè)、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(cè)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(cè)控單元及其上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)智能型測(cè)控單元設(shè)計(jì)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(duì)電網(wǎng)參數(shù)的采集和處理來給出相應(yīng)的控制信息，以獲得斷路器所需的分?jǐn)鄷r(shí)延。為了判斷電網(wǎng)的狀態(tài)，控制單元首先必須具備準(zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)的功能。智能測(cè)控單元總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由4部分組成，即開關(guān)電源、信號(hào)檢測(cè)單元、微處理器系統(tǒng)以及執(zhí)行元件。
開關(guān)電源提供測(cè)控單元的工作電源；信號(hào)檢測(cè)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(hào)，為微處理器系統(tǒng)提供正確可靠的采樣信號(hào)；微處理器系統(tǒng)則是由德州儀器的數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320LF2407和Altera公司的MAX7000系列CPLD及其外部接口電路組成，對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)，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(dòng)使其脫扣，脫扣信號(hào)來自微處理器系統(tǒng)。其中微處理器系統(tǒng)為整個(gè)測(cè)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(hào)通過大功率CT和PT變換成0～5A的電流和0～100V的電壓信號(hào)，供二次系統(tǒng)采集?？紤]到LF2407DSP的信號(hào)輸入標(biāo)準(zhǔn)為低功耗的0～3.3V供電，必須采用小CT、PT對(duì)信號(hào)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(shí)采集電信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的軟件濾波與實(shí)時(shí)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(bào)警、顯示以及脫扣等處理操作。
3 硬件設(shè)計(jì)
微處理系統(tǒng)是智能測(cè)控單元的核心部件，也是測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)智能化的標(biāo)志。本節(jié)對(duì)微處理器功能模塊的設(shè)計(jì)說明如下：
（1）DSP最小系統(tǒng)包含CPU（TMS320LF2407）、EEPROM（X25045）、RAM（CY7C1021）、地址鎖存器 74LS373等。其主要功能是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成計(jì)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(hào)處理芯片，在現(xiàn)代信號(hào)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。
?。?）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(hào)、三態(tài)驅(qū)動(dòng)、譯碼電路及鎖存功能，大大的簡(jiǎn)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(hào)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(hào)調(diào)理成適合DSP的A/D模塊輸入所能接收的信號(hào)。并實(shí)現(xiàn)硬件低通濾波功能。
?。?）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(cè)和上電復(fù)位功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
?。?）時(shí)鐘模塊采用DALLAS的DS1302串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它為系統(tǒng)提供時(shí)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）用戶操作面板模塊包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(yàn)、檢測(cè)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。
?。?）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(cè)控單元信號(hào)采集濾波算法
目前在故障信號(hào)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(hào)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(jì)算提供了極大的方便，因而被廣泛采用。本裝置中，首先對(duì)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(jì)算后計(jì)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。
設(shè)輸入信號(hào)為 
式（2）（3）中Ks,Kc分別為正弦和余弦分量的補(bǔ)償系數(shù)。其計(jì)算公式為 
式（4）（5）中 N為采樣點(diǎn)數(shù)，
某通道信號(hào)一個(gè)周期的AD采樣完成后，實(shí)時(shí)計(jì)算出r值，然后在傅立葉分析完成后對(duì)正弦余弦分量進(jìn)行補(bǔ)償，本系統(tǒng)中只對(duì)基波進(jìn)行了補(bǔ)償。
程序采用快速傅立葉變換（FFT）算法來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信號(hào)的濾波功能。由于DSP 指令速度快，而且具有適合該算法實(shí)現(xiàn)的硬件條件和指令，因此該程序的運(yùn)行時(shí)間可以滿足斷路器智能操作的實(shí)時(shí)性要求。
5 測(cè)控單元的保護(hù)特性
5.1 概述
智能測(cè)控單元具有接地漏電保護(hù)、三段電流保護(hù)、斷相和不平衡保護(hù)、欠壓保護(hù)以及單相接地保護(hù)等，本節(jié)針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬動(dòng)三段電流保護(hù)進(jìn)行討論。
過電流保護(hù)特性由時(shí)間—電流曲線表示，曲線位于直角坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)均經(jīng)對(duì)數(shù)化，縱坐標(biāo)為動(dòng)作時(shí)間，橫坐標(biāo)為過電流倍數(shù)。圖2為典型的3段過電流保護(hù)特性曲線。它包含了長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬動(dòng)3段電流保護(hù)。3個(gè)電流保護(hù)段的電流整定值覆蓋范圍可以用數(shù)軸表示，如圖3所示。設(shè)定不同的電流整定值，測(cè)控單元可同時(shí)或分別具有3段保護(hù)特性。
其中短延時(shí)電流覆蓋范圍分別與長(zhǎng)延時(shí)電流和瞬時(shí)電流覆蓋范圍相重疊。根據(jù)電流整定值的不同，斷路器可以同時(shí)或分別具有三段保護(hù)特性。如表1所示。
5.2 保護(hù)特性
長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)特性為反時(shí)限，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 
短延時(shí)保護(hù)特性由兩部分組成：反時(shí)限和定時(shí)限。8Ir為分界點(diǎn)，定時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間有多個(gè)規(guī)定值可供選擇；反時(shí)限特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為 
式（6）、式（7）中Ir為電流整定值，I為過電流值，T為動(dòng)作時(shí)間，tL為長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值，t-S為短延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值。
當(dāng)短路短延時(shí)動(dòng)作電流大于8Ir時(shí)，智能式脫扣器短延時(shí)特性自動(dòng)轉(zhuǎn)換為定時(shí)限，動(dòng)作時(shí)間與其電流的整定值無關(guān)。
短路瞬動(dòng)動(dòng)作特性為定時(shí)限，動(dòng)作時(shí)間一般為10～20ms。智能斷路器一般設(shè)有OFF瞬動(dòng)鎖定功能，在不需要瞬動(dòng)的配電系統(tǒng)可關(guān)閉瞬動(dòng)保護(hù)功能。
5.3 保護(hù)原理
定時(shí)限保護(hù)的保護(hù)原理比較簡(jiǎn)單。當(dāng)故障電流值大于電流整定值時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到，保護(hù)動(dòng)作；在計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)，如故障電流值小于整定值，則保護(hù)退出。
反時(shí)限保護(hù)實(shí)質(zhì)為熱保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間與電流平方成反比。為提高反時(shí)限電流保護(hù)的實(shí)時(shí)性，本測(cè)控單元采用查表法確定保護(hù)動(dòng)作特性，根據(jù)測(cè)得的過電流倍數(shù)，通過查表求得動(dòng)作時(shí)間，定時(shí)時(shí)間到，則保護(hù)動(dòng)作。
6 軟件設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度都有3個(gè)狀態(tài)：運(yùn)行、就緒和等待。各個(gè)任務(wù)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下，在這3個(gè)狀態(tài)之間切換，見圖4。任務(wù)之間的切換應(yīng)當(dāng)以優(yōu)先級(jí)為根據(jù)。
低壓斷路器數(shù)字式測(cè)控單元的軟件設(shè)計(jì)采用層次化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。程序中采用任務(wù)狀態(tài)字對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)。
由圖5可見，軟件系統(tǒng)劃分為3個(gè)中斷、1個(gè)調(diào)度、多個(gè)任務(wù)。其中實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，使得軟件系統(tǒng)多個(gè)任務(wù)能合理有序地執(zhí)行。
作為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的核心，任務(wù)調(diào)度必須在極短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行一次，且任務(wù)調(diào)度不能被其它程序打斷，才能保證優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)被及時(shí)執(zhí)行。本測(cè)控單元的任務(wù)調(diào)度在數(shù)據(jù)采集中斷處理程序中執(zhí)行，這樣優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)最多等待一個(gè)采樣周期，即1.67ms左右便可執(zhí)行，可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。本智能測(cè)控單元的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用應(yīng)用于LF2407的匯編語言和C語言混合編程調(diào)試環(huán)境，程序結(jié)構(gòu)具有模塊化和子程序化的特點(diǎn)，同時(shí)在程序設(shè)計(jì)中加入了抗干擾處理。軟件程序分為主程序和中斷程序兩大部分。主程序包括故障處理子程序、通信處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示處理子程序等。中斷程序包括外部中斷子程序、定時(shí)器中斷子程序、通信中斷子程序、鍵盤中斷子程序等。中斷優(yōu)先級(jí)依次為外部中斷、定時(shí)器中斷、通信中斷、鍵盤中斷。
?。?）主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其流程如圖6所示，初始化后進(jìn)入到主循環(huán)，查詢子程序標(biāo)志位寄存器，如發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位置位，則進(jìn)入相應(yīng)的子程序處理。
?。?）外部中斷：外部中斷1（XINT1）子程序用于系統(tǒng)電源故障的檢測(cè)，外部中斷（XINT2）子程序用于接地故障的檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)入相應(yīng)的故障處理。外部中斷1（XINT1）的優(yōu)先級(jí)高于外部中斷（XINT2）。
?。?）定時(shí)器中斷：提供信號(hào)采樣周期，定時(shí)周期1ms，即一個(gè)周期采集20個(gè)采樣點(diǎn)，采樣頻率為1kHz，為信號(hào)頻率（50Hz）的20倍，可實(shí)現(xiàn)非失真采樣。對(duì)于外接15MHz晶振的TMS320LF2407處理器而言，每完成一次A/D所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于1ms，可利用此等待時(shí)間對(duì)采樣值進(jìn)行處理。程序流程如圖7所示。
