小電流接地系統單相接地保護裝置的研制
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隨著配電網的發展，小電流接地系統運行的可靠性越來越受到重視，針對小電流接地系統的各種保護裝置也得到飛速發展。目前，主要的保護裝置都是由工控機和單片機實現的，而單片機在實現保護方面有體積小、成本低、安裝方便、運行可靠等優點。以前的很多產品都是利用接地故障時的穩態信息。但是當小電流接地系統在發生單相接地故障時，穩態零序電流幅值較小，而暫態零序電流幅值較大，故基于暫態零序電流的故障選線方法更可靠。
配電網的線路繁多，結構復雜，采集的數據包括由TV來的8路電壓量(兩段母線的三相電壓和零序電壓)以及由零序TA來的各路零序電流。對于這樣多的數據采集、分析計算，并上傳，單一的單片機是難以勝任的。數字信號處理器(DSP)由于具有處理速度快，適合數字信號處理的特點，可以很好地解決數據采集和處理問題。考慮到裝置的控制功能，本裝置采用單片機和DSP雙CPU結構為核心。
小波分析在時頻兩域都具有良好的局部化性能，能對不同頻率成分采用逐漸精細的采樣步長，聚焦到信號的任意細節，這一特性非常適合分析電力系統中的暫態信號。小波分析在信號的分解與重構、特征提取、信噪分離等方面的優點決定了它在電力系統諧波分析、奇異點的檢測與消噪、設備的狀態監測與故障診斷、繼電保護、輸電線路故障定位及負荷預測等領域都具有廣闊的應用前景。
1 裝置的研制
1．1 總體方案設計
硬件平臺是軟件算法的運行載體，是實現準確、高效選線的保障。本文設計的選線裝置采用雙CPU。即DSP+單片機的處理機構。DSP作為運算CPU，負責信號采集、選線計算部分；單片機作為管理CPU，主要負責人機交互部分。DSP處理器由于內部采用哈佛總線結構，指令是流水線操作，以及獨立的硬件乘法器結構等，非常適合進行數字信號處理，進行實時的數據分析和監控。本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下簡稱LF2407A)DSP芯片為數據采集和處理CPU，充分利用其強大的數據處理能力和速度，實現多點數據采集和快速參數計算。單片機采用瑞薩M16C／62P系列單片機，該單片機具有很強的抗干擾能力和1M的尋址空間，適用于事件管理和人機交互。系統總體方案如圖1所示。本保護裝置位于現場，進行數據采集和處理，并且與上位機之間進行通信。保護裝置采用M16C／62P單片機為主CPU，負責系統顯示、控制和與上位機通信；采用TMS320LF2407A DSP為從CPU，負責數據采集和處理；DSP與單片機之間用雙端口RAM進行通信。系統通過RS232和RS485與上位機通信。
1．2 雙CPU的連接
由于系統采用雙CPU，為了實現兩個CPU之間大量數據的快速交換，本裝置采用雙口RAM來實現兩CPU之間快速的數據交換。
IDT7132是高速2k×8雙端口靜態RAM，可提供兩個擁有獨立的控制總線、地址總線和I／O總線端口，允許CPU獨立訪問內部的任何存儲單元。本文使用雙端口RAMIDT7132來實現DSP與單片機雙CPU的連接。圖2是DSP與單片機通過RAM IDT7132的連接圖。
采用硬件判優方案解決容易發生的爭用問題。同時讀取不同存儲空間的數據和同時讀取相同空間的數據時，左右端口可以同時進行。若同時對相同的空間進行寫操作，或者某一端口在對一數據空間進行讀操作的同時另一端口對該數據空間進行寫操作，左右端口將發生沖突。我們在設計時通過BUSY引腳來解決這一問題。當左右端口對不同存儲空間進行讀寫操作時，可以同時存取。此時，左右端口的BUSY信號同時為高。若對同一存儲空間同時進行寫操作時，哪一端的存儲請求信號先出現，則該端的BUSY信號置為高，允許存儲。哪一端的存儲信號出現在后，哪一端的BUSY信號將置為低，禁止存儲。
1．3 數據采集模塊的設計
TMS320LF4207A本身雖然自帶A／D轉換器，但其轉換精度只有10位，且轉換速度也不高(500ns)。為了實現更高的速度和精度，選擇了擴展ADS8364芯片。ADS8364是一種高速、低功耗、雙16b A／D轉換器，有6個模擬量輸入通道。可用BVDD獨立供電。它有6個完全相同的采樣保持電路，分成A、B、C3組，每一組都由1個HOLD引腳控制。ADS8364可以從外部引入最大5MHz的時鐘頻率，此時采樣時間是0．8 μ s，轉換時間只有3．2 μ s，A／D的最大采樣率達到250K，要達到此值，可在下一次轉換開始時讀取上一次的轉換結果。此A／D完全可以滿足本裝置的采樣要求。AD芯片與DSP的連接如圖3所示。
系統采用I／O接口啟動AD轉換。6片ADS8364的片選信號由譯碼器電路和IS、A15信號共同產生。通過IOPB4使得HOLD A、HOLD B、HOLD C同時為低電平，對6個通道同時采樣。AD的EOC引腳與DSP的外部中斷XINT1相連接，由AD轉換結束信號發出中斷請求，讀取AD轉換結果。由A0、A1、A2控制采樣模式。
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