中高壓斷路器在線監測裝置的設計與實現

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中的重要設備之一，在電站設備中數量多、投資大，在電網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的安全運行。當它發生故障時會引起電網事故或擴大事故，造成很大的經濟損失及社會影響[1]。高壓斷路器的在線監測和故障診斷可以及時發現故障，從而提高其運行可靠性。此外，當電力設備由定期維修轉變為狀態維修時，高壓斷路器的在線監測對開關設備的重要參數能進行長期連續的監測，不僅可以提供設備現有的運行狀態，而且還能分析各種重要參數的變化趨勢，判斷有無存在故障的先兆，為設備的狀態維修提供依據，從而增大設備的維修保養周期，提高設備的利用率，減少維修保養費用。因此，研究高壓斷路器狀態的在線監測和機械故障的診斷，盡量提前發現潛在故障，將現有的定期檢修制度推向狀態檢修，對避免設備故障及事故的發生和發展，降低設備故障率，有效提高斷路器的可靠性，增強電力系統的安全性、可靠性、經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

本系統采用TMS320F28335型數字信號處理器，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，數據以及程序存儲量大，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，縮短開發周期，降低開發成本[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器件支持在系統可編程能力，能夠輕松地實現現場配置。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 系統總體結構

系統的整體框圖如圖1所示。TMS320F28335上運行嵌入式UCOS II操作系統，實現整個監測系統的任務調度；MAX3128A配合以太網控制芯片RTL8019AS和A/D采樣芯片AD7864完成數據的采集和以太網通信功能[3]。

圖1 系統整體框圖Fig.1 System structure

在本系統中，斷路器主軸的行程信號通過位移傳感器轉變為電信號的模擬量，經過信號調理電路進入AD7864高速采樣芯片轉變成數字量后送到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分合閘命令的檢測和繼電器控制命令的輸出。此外，系統通過一路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據，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故障時會啟動聲光報警程序。為了在保存關鍵數據時附上時間信息，本設計中還擴展了RTC實時時鐘電路。

2 系統硬件設計與實現

2.1 電源模塊

在本系統中，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，本系統采用220 V交流電源輸入，經過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在系統中要承擔大量的實時數據計算、因為在其CPU內部，部件的頻率開關轉換會使系統功耗大大增加，所以，降低DSP內部CPU供電電壓無疑是降低系統功耗最有效的方法之一。傳統的線性穩壓器（如78XX系列）已經不能滿足要求，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應用系統中的電源設計。本系統采用TPS767D301作為輸入端電源芯片，經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，工作狀態穩定，能夠適合本系統的要求。另外，使用了LDO型電源芯片TPS79925來實現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據存儲器是無法滿足系統運行要求的，為了滿足設計目標的需要，本系統擴展了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。NOR Flash最大的特點是芯片內執行，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RAM中。本系統所用的NOR Flash型號為SST39VF800Q，用來存放應用程序。

和Flash不同，SRAM不具有掉電保持數據的特性，但可讀可寫，且存取數據的速度很快，因此SDRAM在系統中主要用作核心程序的運行空間、數據及堆棧區。本系統所用的SRAM型號為IS61LV51216。

此外，系統中還外擴了基于IIC通信協議的EEPROM芯片，EEPROM和FLASH的最主要的區別是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。系統在上電的時候需要從EEPROM中讀取一些配置參數，運行的時候需要保存一些用戶在線設置的參數和對斷路器狀態進行診斷得到的一些關鍵數據。本系統所用的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 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位高速并行數據輸出接口，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。數據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為4～20 mA小電流信號，經變換后送A／D數據采集處理。霍爾傳感器送過來的4～20 mA的直流信號，經取樣電阻R18變換為電壓后經射極跟隨輸出，經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

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

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/數轉換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到MCU或其他數字器件，以便用于系統的數據處理。

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，在本系統中主要外擴了以太網通信電路、RTC電路、蜂鳴器電路和UART串口等[4]。

TMS320F28335通過以太網控制芯片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協議接口，設計中利用兩個GPIO模擬IIC總線通訊協議擴展了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進行實時監測。同時，斷路器狀態監測也是實現狀態檢修的重要基礎，是故障診斷技術發展的前提，因此高壓斷路器在線監測技術意義重大[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模式構成系統的基本框架，做到了分散數據采集處理和集中數據管理相結合。硬件設計上保證了多CPU并行工作的同步和數據共享。系統配置了非易失性的EEPROM，保證了數據的安全性。采用基于Modbus協議的485總線和以太網傳輸數據，保證了數據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。該系統能實現對斷路器機械特性、電壽命、操作回路完好性等的在線監測。

[1]徐國政，張節容，錢家驪．高壓斷路器原理和應用[M]．北京：清華大學出版社，2000.

[2]任潤柏.TMS320F28x源碼解讀[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]劉宇.基于TMS320F28335信號處理板的設計與實現[J].電子科技，2011，24（5）:44-55.LIU Yu.Design and realization of a signal processing board based on TMS320F8335[J]. Electronic Sciencf and Technology，2011，24（5）:44-55.

[4]陳程.基于DSP嵌入式計算機系統硬件設計 [J].計算機光盤軟件與應用，2011（6）:114.CHEN Cheng.DSP-based hardware design of embedded computer system[J].Computer CD Software and Applications，2011（6）:114.

[5]張永偉.變電站斷路器在線狀態監測分析系統研究[D].武漢:華中科技大學，2003.

[6]李娟，焦邵華.基于DSP的高壓斷路器狀態在線監測裝置[J].電力自動化設備，2004，24（8）:44-47.LI Juan，JIAO Shao-hua.Online monitoring device for high voltage circuit breaker based on DSP [J].Electric Power Automation Equipment，2004，24（8）:44-47.