中高壓斷路器在線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了對開關(guān)設(shè)備的重要參數(shù)能進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測，設(shè)計(jì)出一種采用DSP處理器加CPLD結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)分析了行程信號采集、線圈電流信號采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信和實(shí)時(shí)RTC等主要硬件模塊的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對高壓斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測和機(jī)械故障的診斷，為開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供了一種可行的解決方案。
關(guān)鍵詞：DSP；CPLD；在線監(jiān)測；硬件設(shè)計(jì)

    高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，在電站設(shè)備中數(shù)量多、投資大，在電網(wǎng)中起著控制分配電能和保護(hù)設(shè)備的雙重任務(wù)，其性能的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)會(huì)引起電網(wǎng)事故或擴(kuò)大事故，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。高壓斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而提高其運(yùn)行可靠性。此外，當(dāng)電力設(shè)備由定期維修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維修時(shí)，高壓斷路器的在線監(jiān)測對開關(guān)設(shè)備的重要參數(shù)能進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測，不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)，而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷有無存在故障的先兆，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)，從而增大設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，減少維修保養(yǎng)費(fèi)用。因此，研究高壓斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測和機(jī)械故障的診斷，盡量提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，將現(xiàn)有的定期檢修制度推向狀態(tài)檢修，對避免設(shè)備故障及事故的發(fā)生和發(fā)展，降低設(shè)備故障率，有效提高斷路器的可靠性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性都具有十分重要的意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)
1．1 處理器介紹
    本系統(tǒng)采用TMS320F28335型數(shù)字信號處理器，這是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A／D轉(zhuǎn)換更精確快速等。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)12位16通道ADC。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力，與前代DSC相比，平均性能提高50％，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。
    此外，本設(shè)計(jì)使用的MAX3128A系列是Altera公司推出的3．3 V低價(jià)格EEPROM工藝PLD，是滿足大批量，成本敏感應(yīng)用的非易失性CPLD理想的解決方案，是Altera公司銷量最大的產(chǎn)品，屬于主流器件。MAX3128A器件支持在系統(tǒng)可編程能力，能夠輕松地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場配置。每個(gè)MAX312 8A宏單元都可以獨(dú)立的配置成順序或組合邏輯操作。
1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。TMS320F28335上運(yùn)行嵌入式UCOS II操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度；MAX3128A配合以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS和A／D采樣芯片AD7864完成數(shù)據(jù)的采集和以太網(wǎng)通信功能。

    在本系統(tǒng)中，斷路器主軸的行程信號通過位移傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪M量，經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)入AD7864高速采樣芯片轉(zhuǎn)變成數(shù)字量后送到DSP中進(jìn)行信號處理。分合閘線圈電流信號以及其他傳感器信號經(jīng)過同樣的途徑進(jìn)入DSP處理器。開關(guān)量輸入輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)分合閘命令的檢測和繼電器控制命令的輸出。此外，系統(tǒng)通過一路RS232接口電路與串行液晶顯示模塊相連接，一路485通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)處理器檢測到有斷路器動(dòng)作信號時(shí)會(huì)啟動(dòng)采樣程序，收集傳感器的信息，分析并處理得到的數(shù)據(jù)，最后對斷路器當(dāng)前的性能做出評估和診斷，并將診斷結(jié)果和相關(guān)曲線顯示在液晶模塊上，當(dāng)診斷結(jié)果顯示斷路器出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警程序。為了在保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)時(shí)附上時(shí)間信息，本設(shè)計(jì)中還擴(kuò)展了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 電源模塊
    在本系統(tǒng)中，DSP處理器TMS320F28335需要兩種電壓，一種是1．8 V的內(nèi)核電壓，另一種是3．3 V的I／O電壓。此外MAX3128A需要3．3 v的電壓，位移傳感器需要2．5 V的參考電壓，電流傳感器和運(yùn)算放大器需要+12 V和-12 V的電源電壓。然而，在外圍設(shè)備中，許多器件還要求5 V供電，例如AD7864采樣芯片和蜂鳴器電路等。為了便于電源管理，本系統(tǒng)采用220 V交流電源輸入，經(jīng)過AC-DC模塊輸出一路5 V，一路+12 V和一路-12 V。TI公司的DSP一般要求有獨(dú)立的內(nèi)核電源和IO電源，由于DSP在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算、因?yàn)樵谄銫PU內(nèi)部，部件的頻率開關(guān)轉(zhuǎn)換會(huì)使系統(tǒng)功耗大大增加，所以，降低DSP內(nèi)部CPU供電電壓無疑是降低系統(tǒng)功耗最有效的方法之一。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器(如78XX系列)已經(jīng)不能滿足要求，TPS767D301是其最近推出的雙路低壓差(且其中一路還可調(diào))電壓調(diào)整器，非常適合于DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用TPS767D301作為輸入端電源芯片，經(jīng)過外接合適的電感和濾波電容能夠同時(shí)得到3．3 V和1．8 V兩種電壓。TPS767D301是DC—DC轉(zhuǎn)換芯片，輸出功率大，工作效率高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠適合本系統(tǒng)的要求。另外，使用了LDO型電源芯片TPS79925來實(shí)現(xiàn)5 V到2．5 V的電平轉(zhuǎn)換。
2．2 存儲(chǔ)器模塊
    TMS320F28335內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的，為了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的需要，本系統(tǒng)擴(kuò)展了Flash，EEPROM和SRAM 3種存儲(chǔ)器。
    NOR Flash是Flash的一種，它的寫入和擦除速度較慢，但隨機(jī)讀取速度快。NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。NORFlash最大的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。本系統(tǒng)所用的NOR Flash型號為SST39VF800Q，用來存放應(yīng)用程序。
    和Flash不同，SRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但可讀可寫，且存取數(shù)據(jù)的速度很快，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作核心程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。本系統(tǒng)所用的SRAM型號為IS61LV51216。
    此外，系統(tǒng)中還外擴(kuò)了基于IIC通信協(xié)議的EEPROM芯片，EEPROM和FLASH的最主要的區(qū)別是EEPROM可以按“位”擦寫，而FLASH只能按塊擦除。EEPROM一般容量都不大，一般都是在64 kBIT以下。系統(tǒng)在上電的時(shí)候需要從EEPROM中讀取一些配置參數(shù)，運(yùn)行的時(shí)候需要保存一些用
戶在線設(shè)置的參數(shù)和對斷路器狀態(tài)進(jìn)行診斷得到的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所用的EEPROM型號為AT24C256。

2．3 A／D轉(zhuǎn)換電路
    AD7864是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號采集芯片，分辨率為12位，可實(shí)現(xiàn)4通道同時(shí)采樣。AD7864的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1．65μs／CH，采樣保持時(shí)間為0．35μs，單通道最高采樣頻率為500 kSPS。若四通道同時(shí)采樣，每通道最高采樣頻率可達(dá)130 kSPS。信號輸出采用12位高速并行數(shù)據(jù)輸出接口，不需要電平轉(zhuǎn)換等處理，可直接連接MCU。通道選擇可以通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取可以選用內(nèi)部時(shí)鐘模式或外部時(shí)鐘模式。由+5 V單電源供電，功耗低達(dá)90 mW，省電模式下可低達(dá)20μW。
    本系統(tǒng)使用AD7864-2來進(jìn)行模擬信號的采集。位移傳感器信號，電流信號等經(jīng)過信號調(diào)理電路后送到A／D芯片中進(jìn)行處理。DSP與AD7864具體邏輯控制關(guān)系由CPLD來完成。
2．4 電流檢測電路
   任意波形的直流信號通過霍爾傳感器變?yōu)?～20 mA小電流信號，經(jīng)變換后送A／D數(shù)據(jù)采集處理。霍爾傳感器送過來的4～20 mA的直流信號，經(jīng)取樣電阻R18變換為電壓后經(jīng)射極跟隨輸出，經(jīng)R19后轉(zhuǎn)換為線性光隔線性范圍的前端電流I。線性光隔選用CNY17-2，其在前端電流為1～10 mA范圍內(nèi)有很好的線性。光隔輸出后經(jīng)取樣電阻R100轉(zhuǎn)換為A／D可采樣的電壓信號。

2．5 開關(guān)量輸入輸出
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入輸出各4路。當(dāng)輸入為高電平，讀入數(shù)據(jù)為“1”，輸入為低電平時(shí)讀人數(shù)據(jù)為“0”。每路輸入輸出信號均設(shè)置有狀態(tài)指示燈，便于直觀了解當(dāng)前開關(guān)量工作狀態(tài)，當(dāng)輸入為低電平時(shí)燈亮，高電平或懸空燈滅。開關(guān)量要經(jīng)RC濾波后，送入光耦，進(jìn)入光耦前，并聯(lián)TVS防止雷擊。此電路具有抗振動(dòng)、抗腐蝕能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可較好滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求。
2．6 信號調(diào)理電路
    模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強(qiáng)等。但傳感器輸出是相當(dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號之前必須進(jìn)行放大，緩沖，濾波或定標(biāo)等，使其適合于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到MCU或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。
    電壓信號的調(diào)理電路設(shè)計(jì)有很多方法，本設(shè)計(jì)中的信號調(diào)理電路如圖4，可以根據(jù)信號信噪比和調(diào)制比的要求改變電阻阻值。

2．7 外圍接口設(shè)計(jì)
    TMS320F28335的另一大特點(diǎn)就是提供了豐富的可復(fù)用引腳，在本系統(tǒng)中主要外擴(kuò)了以太網(wǎng)通信電路、RTC電路、蜂鳴器電路和UART串口等。
    TMS320F28335通過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS擴(kuò)展了通信電路，其中控制邏輯部分由CPLD配合完成。另外由于處理器只有一個(gè)IIC協(xié)議接口，設(shè)計(jì)中利用兩個(gè)GPIO模擬IIC總線通訊協(xié)議擴(kuò)展了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。
    TMS320F28335處理器片上還集成了3個(gè)串口，其波特率可通過編程設(shè)置，另外也支持奇偶校驗(yàn)。本設(shè)計(jì)使用了其中兩個(gè)串口，串口a用于處理器與液晶顯示模塊的通信，串口b用于485通信。

3 結(jié)論
    在供、配電系統(tǒng)中，高壓斷路器所導(dǎo)致的非計(jì)劃停電事故占停電事故總量的60％以上，斷路器的可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。為了提高斷路器的可靠性，有必要對斷路器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，斷路器狀態(tài)監(jiān)測也是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要基礎(chǔ)，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的前提，因此高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)意義重大。
    本設(shè)計(jì)選用計(jì)算能力強(qiáng)，處理速度快的DSP作為CPU，采用當(dāng)前流行的DSP+CPLD模式構(gòu)成系統(tǒng)的基本框架，做到了分散數(shù)據(jù)采集處理和集中數(shù)據(jù)管理相結(jié)合。硬件設(shè)計(jì)上保證了多CPU并行工作的同步和數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)配置了非易失性的EEPROM，保證了數(shù)據(jù)的安全性。采用基于Modbus協(xié)議的485總線和以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的快速傳輸和通訊的可靠性。此硬件平臺(tái)還兼容保護(hù)、濾波的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對斷路器機(jī)械特性、電壽命、操作回路完好性等的在線監(jiān)測。