中高壓斷路器在線監(jiān)測裝置的設計與實現(xiàn)

陳 龍，倪道宏，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設備之一，在電站設備中數(shù)量多、投資大，在電網(wǎng)中起著控制分配電能和保護設備的雙重任務，其性能的可靠性直接關系到電力系統(tǒng)的安全運行。當它發(fā)生故障時會引起電網(wǎng)事故或擴大事故，造成很大的經(jīng)濟損失及社會影響[1]。高壓斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷可以及時發(fā)現(xiàn)故障，從而提高其運行可靠性。此外，當電力設備由定期維修轉變?yōu)闋顟B(tài)維修時，高壓斷路器的在線監(jiān)測對開關設備的重要參數(shù)能進行長期連續(xù)的監(jiān)測，不僅可以提供設備現(xiàn)有的運行狀態(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，為設備的狀態(tài)維修提供依據(jù)，從而增大設備的維修保養(yǎng)周期，提高設備的利用率，減少維修保養(yǎng)費用。因此，研究高壓斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測和機械故障的診斷，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，對避免設備故障及事故的發(fā)生和發(fā)展，降低設備故障率，有效提高斷路器的可靠性，增強電力系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性都具有十分重要的意義。

1 總體方案設計

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DSP控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉換更精確快速等。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達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。得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSC相比，平均性能提高50%，并與定點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[2]。

此外，本設計使用的MAX3128A系列是Altera公司推出的3.3 V低價格EEPROM工藝PLD，是滿足大批量，成本敏感應用的非易失性CPLD理想的解決方案，是Altera公司銷量最大的產品，屬于主流器件。MAX3128A器件支持在系統(tǒng)可編程能力，能夠輕松地實現(xiàn)現(xiàn)場配置。每個MAX3128A宏單元都可以獨立的配置成順序或組合邏輯操作。

1.2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。TMS320F28335上運行嵌入式UCOS II操作系統(tǒng)，實現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)的任務調度；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[3]。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System structure

在本系統(tǒng)中，斷路器主軸的行程信號通過位移傳感器轉變?yōu)殡娦盘柕哪M量，經(jīng)過信號調理電路進入AD7864高速采樣芯片轉變成數(shù)字量后送到DSP中進行信號處理。分合閘線圈電流信號以及其他傳感器信號經(jīng)過同樣的途徑進入DSP處理器。開關量輸入輸出模塊用于實現(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通信接口與上位機進行通信。當處理器檢測到有斷路器動作信號時會啟動采樣程序，收集傳感器的信息，分析并處理得到的數(shù)據(jù)，最后對斷路器當前的性能做出評估和診斷，并將診斷結果和相關曲線顯示在液晶模塊上，當診斷結果顯示斷路器出現(xiàn)故障時會啟動聲光報警程序。為了在保存關鍵數(shù)據(jù)時附上時間信息，本設計中還擴展了RTC實時時鐘電路。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(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，電流傳感器和運算放大器需要+12 V和-12 V的電源電壓。然而，在外圍設備中，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一般要求有獨立的內核電源和IO電源，由于DSP在系統(tǒng)中要承擔大量的實時數(shù)據(jù)計算、因為在其CPU內部，部件的頻率開關轉換會使系統(tǒng)功耗大大增加，所以，降低DSP內部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）電壓調整器，非常適合于DSP應用系統(tǒng)中的電源設計。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得到3.3 V和1.8 V兩種電壓。TPS767D301是DC-DC轉換芯片，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來實現(xiàn)5 V到2.5 V的電平轉換。

2.2 存儲器模塊

TMS320F28335內部的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是無法滿足系統(tǒng)運行要求的，為了滿足設計目標的需要，本系統(tǒng)擴展了Flash，EEPROM和SRAM 3種存儲器[4]。

NOR Flash是Flash的一種，它的寫入和擦除速度較慢，但隨機讀取速度快。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部的每一個字節(jié)。NOR Flash最大的特點是芯片內執(zhí)行，這樣應用程序可以直接在Flash內運行，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，用來存放應用程序。

和Flash不同，SRAM不具有掉電保持數(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)在上電的時候需要從EEPROM中讀取一些配置參數(shù)，運行的時候需要保存一些用戶在線設置的參數(shù)和對斷路器狀態(tài)進行診斷得到的一些關鍵數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所用的EEPROM型號為AT24C256。

圖2 存儲器與DSP的接口Fig.2 Memory interface with DSP

2.3 A/D轉換電路

AD7864是美國模擬器件公司生產的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號采集芯片，分辨率為 12位，可實現(xiàn) 4通道同時采樣。AD7864的轉換時間為 1.65 μs/CH，采樣保持時間為 0.35 μs，單通道最高采樣頻率為 500 kSPS。若四通道同時采樣，每通道最高采樣頻率可達 130 kSPS。信號輸出采用12位高速并行數(shù)據(jù)輸出接口，不需要電平轉換等處理，可直接連接MCU。通道選擇可以通過硬件或軟件實現(xiàn)。數(shù)據(jù)轉換和讀取可以選用內部時鐘模式或外部時鐘模式。由+5 V單電源供電，功耗低達 90 mW，省電模式下可低達 20 μW。

本系統(tǒng)使用AD7864－2來進行模擬信號的采集。位移傳感器信號，電流信號等經(jīng)過信號調理電路后送到A/D芯片中進行處理。DSP與AD7864具體邏輯控制關系由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?；魻杺鞲衅魉瓦^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l～10 mA范圍內有很好的線性。光隔輸出后經(jīng)取樣電阻R100轉換為A／D可采樣的電壓信號[5]。

2.5 開關量輸入輸出

圖3 電流檢測電路Fig.3 Current detecting circuit

系統(tǒng)設計輸入輸出各4路。當輸入為高電平，讀入數(shù)據(jù)為“l(fā)”，輸入為低電平時讀入數(shù)據(jù)為“O”。每路輸入輸出信號均設置有狀態(tài)指示燈，便于直觀了解當前開關量工作狀態(tài)，當輸入為低電平時燈亮，高電平或懸空燈滅。開關量要經(jīng)RC濾波后，送入光耦，進入光耦前，并聯(lián)TVS防止雷擊。此電路具有抗振動、抗腐蝕能力強、可靠性高等優(yōu)點，可較好滿足電力系統(tǒng)運行環(huán)境要求。

2.6 信號調理電路

模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強等。但傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號之前必須進行放大，緩沖，濾波或定標等，使其適合于模/數(shù)轉換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(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。

電壓信號的調理電路設計有很多方法，本設計中的信號調理電路如圖4，可以根據(jù)信號信噪比和調制比的要求改變電阻阻值。

圖4 信號調理電路Fig.4 Signal conditioning circuit

2.7 外圍接口設計

TMS320F28335的另一大特點就是提供了豐富的可復用引腳，在本系統(tǒng)中主要外擴了以太網(wǎng)通信電路、RTC電路、蜂鳴器電路和UART串口等[4]。

TMS320F28335通過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS擴展了通信電路，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IIC協(xié)議接口，設計中利用兩個GPIO模擬IIC總線通訊協(xié)議擴展了RTC實時時鐘電路。

TMS320F28335處理器片上還集成了3個串口，其波特率可通過編程設置，另外也支持奇偶校驗。本設計使用了其中兩個串口，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 論

在供、配電系統(tǒng)中，高壓斷路器所導致的非計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)進行實時監(jiān)測。同時，斷路器狀態(tài)監(jiān)測也是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要基礎，是故障診斷技術發(fā)展的前提，因此高壓斷路器在線監(jiān)測技術意義重大[6]。

本設計選用計算能力強，處理速度快的DSP作為CPU，采用當前流行的DSP+CPLD模式構成系統(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)管理相結合。硬件設計上保證了多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。此硬件平臺還兼容保護、濾波的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對斷路器機械特性、電壽命、操作回路完好性等的在線監(jiān)測。

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