基于数字信号处理器的智能型断路器测控系统的研制

基于数字信号处理器的智能型断路器测控系统的研制
吴晓峰，张浩 （西安交通大学工业自动化教研室，陕西省 西安市 710049）
智能型断路器的中枢部件是智能测控单元，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、可编程逻辑技术和串行通信技术等，智能测控单元的功能日趋完善，除实现各种选择性保护功能外，还具有显示、故障记录、自诊断、试验以及控制等各种辅助功能，此外还可以通过网卡或接口转换器实现遥测、遥调、遥控、遥信等四遥功能，适用于网络系统，通过上位机可集中监察和控制。因此，带智能测控单元的断路器在低压配电系统中得到了广泛应用。
结合江苏黄海电器控制设备厂研制的ST智能型控制器，笔者自行开发了智能型测控单元及其上位机监控系统，对智能型测控单元设计所涉及到的相关问题进行了分析和讨论。 2 整体结构及工作原理
该控制单元的基本任务是通过对电网参数的采集和处理来给出相应的控制
开关电源提供测控单元的工作电源；信号检测单元为电流互感器（CT）和电压互感器（PT），通过前置调理采样电路并结合微电子技术将供电回路中的强电流和高电压转换为适合电子电路和单片机处理的电流电压信号，为微处理器系统提供正确可靠的采样信号；微处理器系统则是由德州仪器的数字信号处理器TMS320LF2407和Altera公司的MAX7000系列CPLD及其外部接口电路组成，对电流电压信号进行实时采集、处理、存储，以实现各种保护和辅助功能；执行元件为一种磁通传输分离脱扣器，用较小的能量就能驱动使其脱扣，脱扣信号来自微处理器系统。其中微处理器系统为整个测控单元的核心，是断路器实现数字智能化的标志所在。
正常供电主线路电流和电压信号通过大功率CT和PT变换成0~5A的电流和0~100V的电压信号，供二次系统采集。考虑到LF2407DSP的信号输入标准为低功耗的0~3.3V供电，必须采用小CT、PT对信号进行再次调理，然后经过整流滤波供给微处理器。微处理器实时采集电信号，并对采样信号进行进一步的软件滤波与实时处理，如发现故障，则根据故障类型进行相应的报警、显示以及脱扣等处理操作。 3 硬件设计
微处理系统是智能测控单元的核心部件，也是测控单元实现智能化的标志。本节对微处理器功能模块的设计说明如下：
（1）DSP 小系统含CPU（TMS320LF2407）、EEPROM（X25045）、RAM（CY7C1021）、地址锁存器74LS373等。其主要功能是对采集的数据进行处理，完成计量、保护功能，并通过通信接口与上位机进行通信等。LF2407DSP是3.3V供电的低功耗数字信号处理芯片，在现代信号处理系统中有广泛应用。另外本系统采用DSP片内AD模块，节省了制造成本和系统体积。
（2）CPLD模块采用Altera公司的MAX7000系列。该器件集成度高、工作速度快、编程方便，在本系统中完成快速的片选信号、三态驱动、译码电路及锁存功能，大大的简化了系统的硬件复杂度，提高了系统的可靠性，并降低功耗。
（3）信号调理模块由电平转换调节电路、采样保持电路、多路开关等组成。主要功能是将大的电信号调理成适合DSP的A/D模块输入所能接收的信号。并实现硬件低通滤波功能。
（4）监控模块采用MAXIM公司出品的MAX706专用监控芯片。它具有看门狗、电压检测和上电复位功能，可提高系统的可靠性和准确性。
（5）时钟模块采用DALLAS的DS1302串行实时时钟芯片。它为系统提供时间标准。该芯片具有体积小、功耗低、接口容易、占用CPU I/O总线少等主要特点，广泛应用于智能化仪器仪表中。
（6）用户操作面板模块括键盘操作面板和液晶显示面板，提供人机交互界面，通过按键可实现整定、试验、检测等功能。液晶显示大量的信息，如数据显示、参数整定、故障信息等。
（7）通信接口模块采用MAXIM公司出品的MAX483接口芯片和研华公司出品的ADAM4520转换模块，通过RS-485接口实现下位机与上位机的通信，适用于网络系统。 4 测控单元信号采集滤波算法
目前在故障信号的定量分析中，离散傅立叶算法是广泛采用的方法。离散傅立叶算法不但具有较强的滤波功能，而且通过该算法还可获得信号的实部和虚部，为确定短路电流、电压的大小、性质(容性或感性)及功率的计算提供了极大的方便，因而被广泛采用。本装置中，首先对电流、电压进行谐波分析，然后在进行衰减直流分量的补偿计算后计算各次谐波的有效值和相角等。以下分析用于衰减直流分量的处理。