摘 要：介紹了一種以TMS320LF2407數(shù)字信號處理器 （DSP）為核心的智能型斷路器測控單元的硬件和軟件設(shè)計。該系統(tǒng)集測量、保護、控制、通信、顯示等功能于一體，實現(xiàn)了斷路器的微機自動監(jiān)控功能，具有三段電流保護和接地漏電保護等動作特性。硬件和軟件均采用模塊化設(shè)計。數(shù)字信號處理系統(tǒng)為測控單元的核心，文中對其信號調(diào)理、可編程邏輯、時鐘、通信接口等功能模塊進行了介紹。軟件設(shè)計中采用了新的數(shù)字濾波算法和保護算法，其總體采用實時多任務(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)計思路，將整個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，該測控單元樣機已投入運行，運行結(jié)果已達到預(yù)期設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：智能化；數(shù)字信號處理器；數(shù)字濾波；保護算法
1 引言
隨著計算機、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，控制電器控制斷路器動作，快速切除系統(tǒng)中的故障部分，防止故障擴大，保證設(shè)備與人身的安全，使系統(tǒng)其他部分運行正常。控制單元是實現(xiàn)智能操作的核心部件，其基本任務(wù)是通過對電網(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延。本文旨在通過對控制單元的研制為斷路器智能操作的實現(xiàn)提供條件。
智能型斷路器的中樞部件是智能測控單元，它承擔(dān)著斷路器的各種保護、報警、顯示與控制功能。由于采用了計算機技術(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，智能測控單元的功能日趨完善，除實現(xiàn)各種選擇性保護功能外，還具有顯示、故障記錄、自診斷、試驗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)換器實現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信等“四遙”功能，適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過上位機可集中監(jiān)察和控制。因此，帶智能測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)了智能型測控單元及其上位機監(jiān)控系統(tǒng)，對智能型測控單元設(shè)計所涉及到的相關(guān)問題進行了分析和討論。
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)確測量電網(wǎng)參數(shù)的功能。智能測控單元總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由4部分組成，即開關(guān)電源、信號檢測單元、微處理器系統(tǒng)以及執(zhí)行元件。
開關(guān)電源提供測控單元的工作電源；信號檢測單元為電流互感器（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)將供電回路中的強電流和高電壓轉(zhuǎn)換為適合電子電路和單片機處理的電流電壓信號，為微處理器系統(tǒng)提供正確可靠的采樣信號；微處理器系統(tǒng)則是由德州儀器的數(shù)字信號處理器 TMS320LF2407和Altera公司的MAX7000系列CPLD及其外部接口電路組成，對電流電壓信號進行實時采集、處理、存儲，以實現(xiàn)各種保護和輔助功能；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)動使其脫扣，脫扣信號來自微處理器系統(tǒng)。其中微處理器系統(tǒng)為整個測控單元的核心，是斷路器實現(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通過大功率CT和PT變換成0～5A的電流和0～100V的電壓信號，供二次系統(tǒng)采集。考慮到LF2407DSP的信號輸入標(biāo)準(zhǔn)為低功耗的0～3.3V供電，必須采用小CT、PT對信號進行再次調(diào)理，然后經(jīng)過整流濾波供給微處理器。微處理器實時采集電信號，并對采樣信號進行進一步的軟件濾波與實時處理，如發(fā)現(xiàn)故障，則根據(jù)故障類型進行相應(yīng)的報警、顯示以及脫扣等處理操作。
3 硬件設(shè)計
微處理系統(tǒng)是智能測控單元的核心部件，也是測控單元實現(xiàn)智能化的標(biāo)志。本節(jié)對微處理器功能模塊的設(shè)計說明如下：
（1）DSP最小系統(tǒng)包含CPU（TMS320LF2407）、EEPROM（X25045）、RAM（CY7C1021）、地址鎖存器 74LS373等。其主要功能是對采集的數(shù)據(jù)進行處理，完成計量、保護功能，并通過通信接口與上位機進行通信等。LF2407DSP是3.3V供電的低功耗數(shù)字信號處理芯片，在現(xiàn)代信號處理系統(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。
（2）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、三態(tài)驅(qū)動、譯碼電路及鎖存功能，大大的簡化了系統(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調(diào)理成適合DSP的A/D模塊輸入所能接收的信號。并實現(xiàn)硬件低通濾波功能。
（4）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、電壓檢測和上電復(fù)位功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
（5）時鐘模塊采用DALLAS的DS1302串行實時時鐘芯片。它為系統(tǒng)提供時間標(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，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，提供人機交互界面，通過按鍵可實現(xiàn)整定、試驗、檢測等功能。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。
（7）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接口實現(xiàn)下位機與上位機的通信，適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
4 測控單元信號采集濾波算法
目前在故障信號的定量分析中，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的濾波功能，而且通過該算法還可獲得信號的實部和虛部，為確定短路電流、電壓的大小、性質(zhì)（容性或感性）及功率的計算提供了極大的方便，因而被廣泛采用。本裝置中，首先對電流、電壓進行諧波分析，然后在進行衰減直流分量的補償計算后計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)輸入信號為 
式（2）（3）中Ks,Kc分別為正弦和余弦分量的補償系數(shù)。其計算公式為 
式（4）（5）中 N為采樣點數(shù)，
某通道信號一個周期的AD采樣完成后，實時計算出r值，然后在傅立葉分析完成后對正弦余弦分量進行補償，本系統(tǒng)中只對基波進行了補償。
程序采用快速傅立葉變換（FFT）算法來實現(xiàn)電網(wǎng)信號的濾波功能。由于DSP 指令速度快，而且具有適合該算法實現(xiàn)的硬件條件和指令，因此該程序的運行時間可以滿足斷路器智能操作的實時性要求。
5 測控單元的保護特性
5.1 概述
智能測控單元具有接地漏電保護、三段電流保護、斷相和不平衡保護、欠壓保護以及單相接地保護等，本節(jié)針對長延時、短延時、瞬動三段電流保護進行討論。
過電流保護特性由時間—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)對數(shù)化，縱坐標(biāo)為動作時間，橫坐標(biāo)為過電流倍數(shù)。圖2為典型的3段過電流保護特性曲線。它包含了長延時、短延時、瞬動3段電流保護。3個電流保護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，測控單元可同時或分別具有3段保護特性。
其中短延時電流覆蓋范圍分別與長延時電流和瞬時電流覆蓋范圍相重疊。根據(jù)電流整定值的不同，斷路器可以同時或分別具有三段保護特性。如表1所示。
5.2 保護特性
長延時保護特性為反時限，數(shù)學(xué)表達式為 
短延時保護特性由兩部分組成：反時限和定時限。8Ir為分界點，定時限的動作時間有多個規(guī)定值可供選擇；反時限特性數(shù)學(xué)表達式為 
式（6）、式（7）中Ir為電流整定值，I為過電流值，T為動作時間，tL為長延時動作時間整定值，t-S為短延時動作時間整定值。
當(dāng)短路短延時動作電流大于8Ir時，智能式脫扣器短延時特性自動轉(zhuǎn)換為定時限，動作時間與其電流的整定值無關(guān)。
短路瞬動動作特性為定時限，動作時間一般為10～20ms。智能斷路器一般設(shè)有OFF瞬動鎖定功能，在不需要瞬動的配電系統(tǒng)可關(guān)閉瞬動保護功能。
5.3 保護原理
定時限保護的保護原理比較簡單。當(dāng)故障電流值大于電流整定值時，啟動定時器，定時時間到，保護動作；在計時時間內(nèi)，如故障電流值小于整定值，則保護退出。
反時限保護實質(zhì)為熱保護，動作時間與電流平方成反比。為提高反時限電流保護的實時性，本測控單元采用查表法確定保護動作特性，根據(jù)測得的過電流倍數(shù)，通過查表求得動作時間，定時時間到，則保護動作。
6 軟件設(shè)計
實時多任務(wù)調(diào)度都有3個狀態(tài)：運行、就緒和等待。各個任務(wù)在實時操作系統(tǒng)的調(diào)度下，在這3個狀態(tài)之間切換，見圖4。任務(wù)之間的切換應(yīng)當(dāng)以優(yōu)先級為根據(jù)。
低壓斷路器數(shù)字式測控單元的軟件設(shè)計采用層次化、模塊化的設(shè)計思想，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)字對應(yīng)不同的優(yōu)先級。
由圖5可見，軟件系統(tǒng)劃分為3個中斷、1個調(diào)度、多個任務(wù)。其中實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)是整個軟件系統(tǒng)的核心，使得軟件系統(tǒng)多個任務(wù)能合理有序地執(zhí)行。
作為實時多任務(wù)系統(tǒng)的核心，任務(wù)調(diào)度必須在極短的時間內(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)先級高的任務(wù)被及時執(zhí)行。本測控單元的任務(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)先級最高的任務(wù)最多等待一個采樣周期，即1.67ms左右便可執(zhí)行，可以滿足實時性的要求。本智能測控單元的下位機軟件設(shè)計采用應(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，同時在程序設(shè)計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)先級依次為外部中斷、定時器中斷、通信中斷、鍵盤中斷。
（1）主程序是一個循環(huán)程序，其流程如圖6所示，初始化后進入到主循環(huán)，查詢子程序標(biāo)志位寄存器，如發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位置位，則進入相應(yīng)的子程序處理。
（2）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，外部中斷（XINT2）子程序用于接地故障的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即發(fā)出報警信號，并進入相應(yīng)的故障處理。外部中斷1（XINT1）的優(yōu)先級高于外部中斷（XINT2）。
（3）定時器中斷：提供信號采樣周期，定時周期1ms，即一個周期采集20個采樣點，采樣頻率為1kHz，為信號頻率（50Hz）的20倍，可實現(xiàn)非失真采樣。對于外接15MHz晶振的TMS320LF2407處理器而言，每完成一次A/D所需的時間遠小于1ms，可利用此等待時間對采樣值進行處理。程序流程如圖7所示。
