輸電線路行波故障定位中高速數據采集系統的實現

摘 要：為了用單片機實現對變化速度極快、變化過程極短的高速瞬態行波信號進行采樣，研究了一種以DS80C320單片機為控制器。結合適當的外圍電路和合理的控制邏輯構成的高速同步數據采集系統。闡述了快速尋址的方法、高速A／D轉換與快速存儲操作的協調控制關系和PC機總線接口技術，此系統符合ISA總線標準，可廣泛用于電力系統暫態行波的測量。

1　前言
　　對電力系統高壓輸電線路進行精確的故障定位是保證系統安全穩定運行的有效途徑之一。現代行波定位是通過對故障發生后線路出現的電壓行波和電流行波的采樣值進行綜合分析，確定故障行波波頭到達線路上測量點的準確時刻，來實現精確的故障定位。輸電線路短路故障發生后的暫態行波信號，其不同頻率分量具有不同的速度和衰減。波頭的形狀和極性與線路兩端的波阻抗變化情況有關，幅值與故障發生的時刻密切相關，使得行波在傳播過程中易發生畸變，降低了對行波準確到達時間的判別及對行波反射波的識別能力。對于變化速度極快，變化過程極短的高速瞬態行波信號的采集，需要高速A／D轉換單元、大量數據存儲單元、高速尋址和快速存儲等。
　　為了用單片機實現對μs級甚至ns級高速瞬變信號進行采樣，研究了一種基于GPS同步的、用硬件電路實現高速數據采集、高速尋址以及存儲的技術，保證了高速瞬態信號的實時采集。從而提高了輸電線路故障定位的精度。
　　由于所采集的信號是高頻信號，用常規的辦法受到單片機本身運行速度的限制，使用計算機不僅造成成本提高，而且對高頻、遠距離多路信號的信號處理上增加困難，有時無法區別所采集信號的真偽。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數據采集時由硬件實現其采集和存儲，采集完畢后由8051單片機進行數據處理和通信，比較好地解決了兩者的矛盾。
　　我們研制的高速數據采集板的采樣頻率為20MSPS；A／D轉換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節，符合ISA總線標準等特點。可廣泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。
2　硬件系統
　　對高速數據采集技術而言，最為重要的是系統的分辨率、精度與通過速率，特別是系統通過速率，是區別高速數據采集與一般數據采集最為關鍵的一項技術指標。在硬件的具體實現過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A／D轉換器的轉換時間。（2）轉換后的數據存儲時間［3］。
　　本文根據需要使用DS80C320單片機，在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執行時間是110ns，充分發揮高速A／D轉換芯片的性能。硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統、視頻閃爍ADC轉換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。

　　CPU1主要用于數據采集和同PC機通訊，CPU2用于接收GPS時間報文，GPS時間報文可在任何時刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。選用高速雙端口RAMIDT7130（2k×8位）、IDT7134（4k×8位），內部具有判決電路以防止因對某一單元同時操作而產生沖突。第一片雙口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的數據、同步時間信息及工作狀態等量，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。第二片雙口RAMIDT7130其容量為2K字節，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。
2．1　高速A／D轉換
　　A／D轉換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉換速率為35Ms／s，分辨率為8位。AD9048內部時鐘鎖定比較器，可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器工作在35 MSPS的高速，并避免了多數系統對取樣保持電路（S／H）和跟蹤保持電路（T／H）的需要。AD589和AD741，2N3906等構成穩壓可調電路，提供給9048的RB，RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［4］。由于AD9048的數據輸出沒有三態門控制，故在輸出加以74LS241作為三態門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。
2．2　高速尋址
　　對于高速數據采集系統A／D轉換應不受CPU控制，每當ADC轉換一次之后，由控制電路發出相應的信號，將ADC轉換結果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數器加1，直到地址計數器記滿后產生采樣結束信號，控制信號封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發生器的最高位通過中斷方式通知主機采樣已完成。
　　地址形成電路可根據地址位數由若干同步記數器級聯而成，5片74LS163可構成19位地址形成電路。計數器每收到一個脈沖即產生一個地址，地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環地址，則在記數滿后，用進位信號迫使記數器的同步預置電平發生變化，使記數器恢復初值，進入新一輪記數。
2．3　快速存儲
　　單片機與上位PC機間的串口通訊的數據傳輸速率往往不能滿足實時性要求，DMA通道的最大數據傳輸率也不超過5Mb／s［1］，這顯然無法滿足本系統中高達20Mb／s的采樣速度，為了解決高速數據采集與低速數據傳輸的矛盾，在單片機系統中，數據存儲器選用雙端口RAMIDT7134，在上位PC主機與單片機之間建立了一個4k字節大小的緩沖區，單片機只須將經過預處理的采樣值通過一個端口存入緩沖區，上位PC主機通過另一端口從緩沖區取數據，這
樣就解決了高速采樣與低速數據傳輸的矛盾，可滿足實時采集和控制的要求。