的小电流接地系统故障选线装置设计

基于DSP的小电流接地系统故障选线装置设计DSP-basedSystemofSmallCurrentGroundingFaultLineSelection

基于DSP的小电流接地系统故障选线装置设计[]本文针对以往小电流接地电网中单相接地故障选线装置运行不良的情况，根据目前较为完善的小波算法对硬件系统的要求，提出了一种基于TMS320VC33型DSP的软硬件解决方案。文章介绍了该方案的实现原理，组成结构与运行情况。该方案充分利用DSP芯片的优越的数字信号处理功能和快速的运算速度，很好的解决了传统的MCU的运算速度低的问题，实现了包括小波分析在内的小电流接地综合智能选线算法。实践结果表明，该软硬件平台运算速度快，抗干扰能力强运行稳定，具有良好的性价比，是小电流接地电网中一种实用的选线平台。DSP小电流接地电网故障选线

DSP-BasedSystemofSmallCurrentGroundingFaultLineSelection[]Nowadaysfaultlocationinstrumentsforsing-phase-to-earthfaultbadlyperforminthenon-direct-groundneutralsystem.Inordertosolvethisproblem,thispaperpresentsanewsolutionbasedontheTMS320VC33DSPwhichalsomeetsthewaveletalgorithmrequirementonthehardwaresystem.Therealizationprinciple,thehardwarearchitectureanditsoperatingresultsareintroducedinthecontext.ComparedwiththeconventionalMCU,theDSPownssuperiordigitalsignalprocessingfunctionandhighcalculatingspeed.Theseadvantagesmakethesyntheticallyintellectivealgorithmpossibletobefastprocessedintime.Theoperationresultsshowthatthissoft-hardwareplatformhasafastcalculationspeed,disturbances-proofabilityandagoodrunningrecord.Thissolutionprovestobeanidealearth-faultselectionplatformforitshighperformance-priceratio.DSPnon-direct-groundsystemfaultlineselection 1 1 1 1 2 3 4 4 5 6 8 17 18 19 19 20 20 22 22 23 23 24 24 27 28 28 28 29 32 38 38 38 39 39 40 40 40 41 41 41 42 43 44 46第一章绪论1.1小电流接地系统单相接地故障选线问题的提出按照我国国家标准，电力系统中性点运行方式分为两种:中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统。中性点直接接地或经一低值阻抗接地的系统称为中性点有效接地系统或大电流接地系统，中性点不接地、经高值阻抗接地或经消弧线圈(消弧电抗器)接地(谐振接地)，称为中性点非有效接地系统或小电流接地系统。一般以系统的零序电抗和正序电抗的比值/的大小来划分中性属于有效接地还是非有效接地，从过电压防护的观点要求，非有效接地系统的/应不小于3。在有效接地系统中发生单相接地故障时，由于存在短路回路，所以接地相电流很大，会启动保护装置动作跳闸，在小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的短路电流，而且相与相之间的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，因此允许系统短时间带故障运行，这对于减少用户停电时间，提高供电可靠性是非常有意义的。但小电流接地方式给继电保护装置选线带来了难度。因为故障电流非常小，使得保护装置很难准确判断出故障出现，导致长期以来小电流接地故障选线问题成为一个技术难题。1.2课题研究的意义1.2.1继续研究小电流接地系统故障选线的必要性近些年,国内外很多学者针对小电流接地系统单相接地故障选线问题作了大量的研究，提出了很多种选线方法，它们大体可归为三类:A故障时外加控制措施改变故障量的方法；B利用故障时稳态分量的方法；C利用故障时暂态分量的方法。我于2008年做了市场调查，得到如下统计数据:某大型地区电网先后安装选线装置170台，因选线效果不佳，先后退出146台，退出率为86%:在天津、沈阳、石家庄、唐山、保定、贵阳等地的市区电网的调查结果也基本相似。调研的结果表明平均80%的选线装置退出了运行，现场依旧普遍采用由运行人员手动点灭选线，小电流接地选线装置处于有名无实的状态。经过研究分析，我认为以往选线装置选线效果不佳的原因主要有三方面:(1)选线原理存在纸漏，如选线方法单一、没有探究选线方法的有效域、没有抗干扰的措施等等；(2)硬件电路特别是主芯片电路运算能力有限无法满足算法，无奈大多采用简化算法来适应硬件的能力；(3)以往的研究缺少实验的检验，由于国内没有有效的实验设备，在变电站挂网试验又常受到限制，所以选线装置存在的很多问题不能通过实验暴露、分析、解决。基于小电流接地系统单相接地故障选线装置的现状，决定进行小电流接地系统单相接地故障选线的再研究，2001年我们建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室。经过多次的实验研究，找到了改进原有选线理论及装置的方法和措施。以往的研究者大多集中在选线判据方面的研究，我们通过对不同故障的选线结果分析，发现装置的选线正确率除了和算法编制的好坏有关外，还和其他一些因素的影响关系密切，忽略对这些因素的处理会导致选线装置出现误判的可能。1.2.2研究以DSP为硬件平台的选线装置的必要性华北电力大学曾提出的基于模糊控制的小波选线方法以其强大的故障信号提取能力和突出的适应能力在小电流选线算法理论研究领域中开创了一个新的纪元。但一个算法的最终实现必须要有一个与之相配套的、满足算法要求的硬件平台。我最初的故障选线装置的硬件载体采用的是工控机方案，这种方案简单易行，有利于对实践理论的快速检验。但这样的方案成本较高不利于后期产品的推广，为此我一直在寻找一种成本经济的替代方案。由于多通道高采样率所获得的庞大暂态数据进行小波变换，需要对采样信号进行大量的逐层提取与分离，因而乘法运算量十分巨大。而一般的MCU(微处理器)系统的乘法运算是由若干的加法指令组合而成，所以远远不能胜任处理如此大量的乘法运算。而且，突变信号持续时间很短，前面的数据处理部分要在短时间内完成，这就对处理器工作速度提出了很高的要求。但目前常规微处理器的指令周期较长，运算能力有限，这些快速的要求对于常规的微处理器系统是很难达到的。所以有必要寻找一种新的快速处理芯片专门用于数据处理以满足需求。随着硬件技术的不断发展，快速数字信号处理芯片(DSP)的出现为复杂算法的实现提供了硬件支持。1.3论文的主要工作人的基础上，结合综合故障选线算法对硬件平台的需要，独立开发了一套以TMS320VC33型DSP为中央处理器的小电流接地系统故障选线装置。该装置目前已通过10KV物理模拟实验室测试，目前的实验室故障选线正确率为100%。第二章小电流接地系统及单相接地故障分析研究小电流接地系统故障选线问题，必须要弄清什么是小电流接地系统，小电流接地系统单相接地故障的机理如何以及目前选线问题的常用处理方法等问题。本章详细讲解了这几个问题，作为后面几章深入研究的基础。2.1小电流接地系统的特点和应用状况电力系统的中性点接地方式指的是变压器星型绕组中性点与大地的电气连接方式。由于对各种电压等级电网的运行指标的要求日益提高，电力系统中性点接地方式的正确选择具有越来越重要的实际意义。在绪论中己经提到，电力系统中性点接地方式可划分为两大类:大电流接地方式和小电流接地方式。采用大电流接地方式的系统我们称之为大电流接地系统:采用小电流接地方式的系统我们称之为小电流接地系统。大电流接地系统的特点是:(1)当发生单相接地故障时，由于采用中性点有效接地方式，存在短路回路，所以接地相电流很大；(2)为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相，因而供电可靠性低；(3)由于故障时不会发生非接地相对地电压升高的问题，对于系统的绝缘性能要求也相应降低。小电流接地系统的特点是:(1)由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故障点不会产生大的短路电流，因此允许系统短时间带故障运行；(2)此系统对于减少用户停电时间，提高供电可靠性非常有意义；(3)当系统在故障下运行时，非故障相相对地的电压将上升很高，容易引发各种过电压，危及系统绝缘，严重时会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故障。

2.1.2小电流接地系统的应用状况电力系统的中性点接地方式的选择是一个综合性问题，它与系统的电网结构、供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电保护、通信干扰(电磁环境)及接地装置等问题有密切的关系。电力系统中性点接地方式的选择既是技术问题，也是经济问题，在选定方案的决策过程中，应结合系统的现状和发展规划进行技术经济比较，全面考虑，使系统达到更优的技术经济指标，避免因决策失误而造成不良后果[8]对于110kV以上的高压、超高压和特高压电力系统，绝缘费用在设备总价格中占相当大比重，必须考虑限制工频电压升高和瞬时过电压，所以一般采用中性点有效接地方式即大电流接地方式，而采用其它措施提高供电可靠性。对于1lOkV以下的中压电力系统，设备的绝缘裕度受经济因素的制约作用相对较小，降低绝缘水平成为一个相对次要的因素，主要矛盾则转化为单相接地故障电流的危害性，包括供电可靠性、人身与设备安全性，以及对通信干扰等问题的考虑,所以中压配电网接地方式的选择一般采用中性点非有效接地方式即小电流接地方式[9]。本文关心的主要是中压配电网接地方式问题，所以下面仅介绍一下国内外配电网接地方式选择的情次。世界各国以及各地区配电网中性点接地方式都不尽相同。在90年代以前，国外多数国家采取中性点经小电阻接地的接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路，但由于这种中性点接地方式下供电可靠性以及和通信网的兼容共处问题依然得不到解决，电缆线路的故障也并不是说大多数都是永久性故障，因此随着技术的发展，在80年代末期，法国电力公司(EDF)通过总结和研究中压电网30多年的运行经验，首先做出决定，重新审查中压电网中性点接地的管理方针，并决定将中性点低阻抗接地方式全部改为谐振接地方式。此后,德国、日本等国也相继对中性点接地方式做出调整，推行小电流接地方式[10]。我国配电网中，66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地，3KV-lOkV电网则以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以、北京、广州等的部分城市电网采用小电阻接地方式。2.2小电流接地系统单相接地故障的机理小电流接地系统在正常运行时，网络各相对地电压是对称的，其大小为相电压:如果三相对地电容相等，则各相对地电容电流对称且平衡，三相电容电流向量和为零，中性点对地电压为0。当一相接地后其电导不能忽略，中性点对地电压值升高，在中性点不接地系统，三相电容电流之向量和通过接地电阻产生电压降，各相对地电压发生变化。在中性点经消弧线圈或大电阻接地系统，消弧线圈的电流或流过大电阻的电流与三相电容电流之向量和通过接地电阻产生电压降，各相对地电压发生变化[1,2,25]。2.2.1小电流接地系统单相接地故障暂态过程分析当中心点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的瞬间，流过故障点的暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流组成。两者在暂态过程中不能相互补偿[1,2,3,11,26]。2.2.1.1暂态等值回路在中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障瞬间，可以用图2-1所示的暂态回路表示。图2-1单相接地暂态电流的等值回路图中，C:补偿电网的三相对地电容；:三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感；:零序回路中的等值电阻；:消弧线圈的电感；:零序电源电压,；:相电压最大值；2.2.1.2暂态电容电流小电流接地系统发生单相接地故障时，故障相和非故障相的电压都会发生突然变化,此时暂态电容电流可以看成是由电压突然降低相的放电电容电流和由电压突然升高相的充电电流之和。一般情况下，由于电网中绝缘击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近峰值的瞬间，此时暂态电容电流可以看成是由故障相电压突然降低引起的放电电容电流和由非故障相电压突然升高引起的充电电容电流之和。故障相的电容电流通过母线及其它健全线路流向故障点，电流衰减很快，其振荡频率主要取决于线路参数、故障点的位置及过渡电容的大小，通常高达数千赫兹，非故障相的电容电流通过电源或变压器形成回路，由于整个回路的电感比较大，因此衰减较前者慢，振荡频率也较前者低。流和由电压突然升高相的充电电流之和。一般情况下，由于电网中绝缘击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近峰值的瞬间，此时暂态电容电流可以看成是由故障相电压突然降低引起的放电电容电流和由非故障相电压突然升高引起的充电电容电流之和。暂态时，因为自由振荡的频率较高，并且，所以图2-1中的L可以不考虑。利用组成的串联回路和激励，可以确定暂态电容电流。（2-1）暂态电容电流由暂态自由振荡分量和稳态工频分量两部分组成：（2-2）式中：：电容电流幅值；：暂态自由振荡分量的角频率；：自由振荡分量的衰减系数；可见，电网的结构、大小和运行方式的不同，会引起暂态过程的改变。配电网的自振频率变化范围一般为300HZ3000HZ。自振频率和暂态电容电流的自由振荡分量的幅值与线路的长度成反比。2.2.1.3暂态电感电流根据图2-1得:（2-3）式中，W:消弧线圈相应分接头的线圈匝数；：消弧线圈铁心中的磁通；接地故障开始前，消弧线圈中没有电流通过，，考虑由稳态工频分量组成，得:（2-4）式中，:回路的时间常数。根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁心磁通与铁心不饱和时的方程式相同，根据上式，考虑，得暂态电感电流的表达式为：（2-5）式中，:电容电流幅值；2.2.1.4暂态接地电流暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，故其特性随着两者的具体情况而定。即:（2-6）式中第一项为接地电流稳态分量，其余为接地电流的暂态分量，电力系统中，暂态电容电流的幅值一般远大于暂态电感电流，暂态电容电流衰减的比暂态电感电流要快。可见，不论电网的中性点不接地或者经消弧线圈接地，暂态接地电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所决定，其幅值同时和初相角有关。由以上分析可知，小电流接地系统的暂态过程，基本上受中性点的运行方式的影响较小，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地时具有相似的性质。2.2.2小电流接地系统单相接地故障稳态过程分析2.2.2.1中性点不接地系统零序无功基波分析研究无功时，由于线路电阻和电抗以及线路电导的影响远小于线路的电纳的影响，此时，系统可以视为经容抗接地的接地系统，该电容是由电网中的电缆、架空线路、电机、变压器等所有电气产品的对地耦合电容所组成的。当发生单相接地故障时，流经故障点的稳态电流大部分是单相对地电容电流[1,2,11,25]当某一相发生接地故障时，相当于在该相对地电容中并联接入故障电阻RJ，中性点不接地系统单相接地故障时的电路图如图2-2所示:图2-2中性点不接地系统单相接地故障电路图可以得到此时的等值电路图如图2-3所示:图2-3中性点不接地系统单相接地故障等值电路图发生单性接地故障时，对称性遭到破坏,中性点发生偏移，导致三相对地电压发生变化。中性点电位偏移关系式为:（2-7）由上式可做出中性点电位随故障电阻变化的相量轨迹图如图2-4。图2-4中性点电压偏移轨迹由上图可以看出，故障相电压不一定最低，超前故障相的那一相的相电压最高，利用这个规律可以识别故障相。线路l:(2-8)即非故障线路流过本身的电容电流，方向超前。线路2:(2-9)(2-10)即故障线路零序无功电流大小为非故障线路零序电容电流之和，方向与非故障线路相反。显然当母线故障时，所有线路都流过本身电容电流，方向超前。2.2.2.2中性点经消弧线圈接地系统零序无功基波分析与中性点不接地系统相比，中性点经消弧线圈接地系统的主要特点是在中性点接入了消弧线圈，用以补偿故障点的电容电流。消弧线圈的补偿作用使得故障线路的故障信息发生了改变，有别于中性点不接地系统。中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的电路图如图2-5所示:图2-5中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障电路图发生单性接地故障时，对称性遭到破坏，中性点发生偏移，导致三相对地电压发生变化。中性点电位偏移关系式为:(2-11)可以得到此时的等值电路图如图2-6所示：图2-6中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障等值电路图由上式可做出中性点电位随故障电阻变化的相量轨迹图如图2-7。图2-7中性点电压偏移轨迹由上图可以看出，故障相电压不一定最低，当欠补偿时，超前故障相的那一相的相电压最高；全补偿时，故障相电压最低；过补偿时，落后故障相的那一相的相电压最高；利用这些规律可以识别故障相。线路l：(2-12)即非故障线路流过本身的电容电流，方向超前。线路2：(2-13)(2-14)即故障线路零序无功电流大小为非故障线路零序电容电流与消弧线圈零序电感电流之和，方向与消弧线圈的补偿度有关，当消弧线圈零序电感电流小于正常线路零序电容电流之和时，故障线路零序无功电流方向与非故障线路相反，当消弧线圈零序电感电流等于正常线路零序电容电流之和时，故障线路零序无功电流为零，当消弧线圈零序电感电流消弧大于正常线路零序电容电流之和时，故障线路零序无功电流方向与非故障线路相同。显然当母线故障时，所有线路都流过本身电容电流，方向超前。2.2.2.3中性点不接地系统零序有功基波分析由于线路电阻和电导与电抗和电纳相比影响很小，所以一般分析的时候可以将其忽略，不会影响分析的精度，但是当分析有功分量的规律的时候就不能将其忽略了。利用叠加定理，可以将无功分量和有功分量分开来考虑。分析有功分量的时候可以只考虑有功分量的电路。中性点不接地系统单相接地故障时的电路图如图2-8所示：图2-8中性点不接地系统单相接地故障零序有功分量电路图可以得到此时的等值电路图如图2-9所示：图2-9中性点不接地系统单相接地故障零序有功分量等值电路图因为线路零序电阻和线路对地电容是并联关系，因此，中性点的电压主要是由零序无功分量决定，零序有功分量几乎没有什么影响。线路1：(2-15)即非故障线路流过本身的有功电流,方向与同相。线路2：(2-16)(2-17)即故障线路零序有功电流大小为非故障线路零序有功电流之和，方向与非故障线路相反。显然当母线故障时，所有线路都流过本身的零序有功电流，方向与相同。2.2.2.4中性点经消弧线圈接地系统零序有功基波分析分析零序有功分量时，中性点经消弧线圈接地系统与中性点不接地系统相比，主要差别相当于在中性点接入一个电阻，此电阻为消弧线圈的电阻。中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的电路图如图2—10所示：图2-10中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序有功分量电路图。可以得到此时的等值电路图如图2-11所示：图2-11中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序有功分量等值电路图中性点经消弧线圈接地系统的中性点电压和中性点不接地系统的一样，主要是由零序无功分量决定，零序有功分量几乎没有什么影响。线路1：（2-18）即非故障线路流过本身的有功电流方向与同相。线路2:（2-19）即故障线路零序有功电流大小为非故障线路零序有功电流与消弧线圈零序有功电流之和，方向与非故障线路相反。显然当母线故障时，所有线路都流过本身的零序有功电流，方向与相同。2.2.2.5小电流接地系统五次谐波分量分析在中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈的补偿是针对零序基波电流的，其容量主要依据电网的总电容电流来确定，因此消弧线圈的电抗L满足（2-20）其中是各条出线的零序对地电容，补偿系数k接近于1。然而对于N次谐波，在一定的中性点谐波电压下，电容容抗将减小至基波情况的N分之一，而消弧线圈的电抗则要增加基波情况N倍.所以对于谐波电流，消弧线圈的阻抗要比全部分布电容的阻抗大的多，从而不会对零序谐波电流的大小和方向有大的影响。因此，对于中性点经消弧线圈接地系统和中性点不接地系统对于谐波分量有相同的规律。在电力系统中含量比较大的谐波主要是奇数次谐波，且随着谐波频率的增加含量越来越少。三次谐波电流会在变压器三角形一侧形成环流，因此一般其含量很小。系统中含量较大的是五次谐波，下面将主要分析小电流接地系统中的五次谐波分量。当某一相发生接地故障时，相当于在该相对地电容中并联接入故障电阻Rd，此时的情况和中性点不接地的情况非常类似，仅仅是电容的容抗值和谐波电压和谐波电流的幅值不同，电路图如图2-12所示：图2-12小电流接地系统单相接地故障电路图可以得到此时的等值电路图如图2-13所示:图2-13小电流接地系统单相接地故障等值电路图电力系统中的谐波，主要来源于非线性负载，非线性负荷可认为是谐波电流源，系统中的畸变的电流，引起电压波的畸变，产生了谐波电压。线路1:（2-21）即非故障线路流过本身的电容电流，方向超前零序谐波电压。线路2：(2-22)（2-23）即故障线路零序五次谐波电流大小为非故障线路零序五次谐波电流之和，方向与非故障线路相反。显然当母线故障时，所有线路都流过本身五次谐波电容电流，方向超前零序谐波电压。2.3现有选线方法综述目前电力系统中投运的选线装置采用的方法主要有比幅比相法、五次谐波法、有功法、小波法[11,24]等。1)基波比幅比相法基波比幅比相方法是最早被提出的选线方法，它的基本原理是:在中性点不接地系统中，故障线路零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和，方向与非故障线路的零序电流方向相反，依据这个特点可检测故障线路。基波比幅比相法是目前应用最为广泛的一种方法，在不接地系统中，这种方法的应用效果较好，但是在消弧线圈接地系统中由于消弧线圈的补偿作用，选线法则会失效。2)五次谐波法电力系统由于变压器、线路设备的非线形影响，线路电流中存在着谐波分量，其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。对于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5倍，而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1/5,因此消弧线圈基本上不能补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依然可以近似看成故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。五次谐波法解决了中性点经消弧线圈系统的故障选线问题，它的一个不足是故障电流中五次谐波含量仅占基波的10%左右，在经过电阻接地的情况下数值就会更小，易造成误判。3）有功法有功法的原理是由于线路、消弧线圈都存在对地电导，所以故障电流中含有有功分量，且故障线路的有功分量比非故障线路大而方向相反，据此检测故障线路。有功法的缺点是故障电流中有功分量也很小，易受零序电流过滤器中不平衡电流等因素的影响。4）小波法小波法是90年代后期发展起来的一种新的选线方法。小波法的理论依据是:由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近于最大值的瞬间，因此，可以将故障后的暂态容性电流看成是以下两个电流之和:其一是由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线及其它非故障线路流向故障点，放电电流衰减很快，其振荡频率主要取决于线路参数、故障点的位置以及过渡电容的大小，通常高达数千赫兹，其二是由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，它要通过电源或变压器形成回路，由于整个回路的电感比较大，因此充电电流衰减的较慢，振荡频率也比较低。由此可见，由于线路分布电容的充放电，在各条线路中引起高频振荡.其振荡频率于线路的RLC参数密切相关，而与系统的消弧线圈补偿关系不大。非故障线路中暂态电流的大小和频率主要取决于本线路的参数，故障线路中暂态电流则是其它各线路电流之和，在变化方向上，非故障线路暂态电流与故障线路暂态电流的变化相反。依据这两点就可以作为故障线路判断的标准。暂态电流的大小取决于接地瞬间故障相电压的瞬时值，其衰减主要由接地电阻决定。小波法的缺点是暂态过程持续时间较短，而且无法重现，一般情况下一个周波之后就衰减的很小了，因此必须能够捕获暂态信息并做出正确判断。2.4小结本章讲述了电力系统中性点接地方式的种类和发展情况，给出了小电流接地系统的概念，简要分析了小电流接地方式的性能以及小电流接地系统单相接地故障的机理，最后介绍了现有选线方法的选线原理和评价。这一章是研究小电流接地系统故障选线问题的基础知识，为后面几章进一步研究选线理论和DSP(数字信号处理器)实现方式提供了理论前提。第三章DSP技术简介及其开发流程介绍障选线装置的硬件载体采用的是工控机方案，这种方案简单易行，有利于对实践理论的快速检验。但这样的方案成本较高不利于后期产品的推广，为此我一直在寻找一种成本经济的替代方案。本文采用的是以DSP作为中心处理器的实现方案，其较工控机方案更为经济，较传统的单片机方案更能满足我们基于模糊控制的小波选线方法对硬件的需要。本装置采用的主演要处理芯片是TI公司的TMS320VC33型DSP，这是一款高性能的浮点DSP芯片。本章首先介绍了DSP技术，分析了DSP芯片与MCU(单片机)的异同之处，然后重点介绍了TMS320VC33型DSP的特点及CPU内核的结构，并在此基础上介绍了DSP的开发环境及其使用的关键技术[28,29]。3.1DSP技术介绍数字信号处理是利用计算机或专用处理设备[26,27]，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。一些新兴的学科如:人工智能、模式识别、神经网络等都与数字信号处理密不可分。数字信号处理的实现方法一般有以下几种:1)在通用的计算机(如PC机)上用软件(如C语言)实现；2)在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现；3)用通用的单片机(如MCS51,96系列等)实现，这种方法只适用一些十分简单数字信号处理；4)用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；5)用专用DSP芯片实现。在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟,第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行，第3种方法只适用于实现简单的DSP算法，只有第4种方法才使数字信号处理的应用得心应手。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字信号处理的全部优点:1)接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要容易得多；2)编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级；3)稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；4)精度高。仅一个16位数字系统就可以达到的精度；5)可重复性好。模拟系统的性能受元件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；6)集成方便。DSP系统中的数字部件有高度规范性，便于大规模集成。3.1.1DSP芯片简介DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，能够实时快速的实现各种数字信号处理算法。DSP产品应用于工业控制的测控领域，特点是采集精度高、采集速度快，计算能力强，可以作为多CPU系统的下位机，直接对现场进行测控，并完成大量的计算。并有强大的通讯能力，便于上位机管理，以及多机系统中各节点之间的协调。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。其一般有如下主要特点:1)具有专用乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；2)采用程序和数据空间分开的哈佛结构，可以同时访问指令和数据，从而使数据的吞吐率提高一倍；3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；5)快速的中断处理和硬件I/0支持；6)有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；7)以并行执行多个操作；8)支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行，减少指令执行时间，增强了处理器的处理能力。3.1.2DSP与MCU的比较DSP实际上是一种特殊的MCU(单片机)，只不过DSP内部结构专为数值处理进行了优化，使其主频和运算速度远比MCU快，外部特性与MCU基本相同，与MCU相比具有如下特点:1)多条地址、数据和控制总线，可是多个控制和运算部件并行工作，提高CPU的处理能力。例如，CPU完成一条指令一般要有取指、译码、执行和存储4个步骤。MCU顺序执行上述4个步骤，因此其一个指令周期要由多个机器周期组成，而DSP并行执行上述4个步骤，所以指令周期等于机器周期。也就是说，上述4步DSP以流水线方式运行，提高了CPU的执行速度。2)DSP中有一个特殊的硬件乘法器，乘法运算一条指令完成，并且乘法器是独立的，可以和加法器等运算部件并行工作，提高了CPU的数字处理能力。3)DSP中有一些特殊的指令，用来加速数字处理。比如，连乘加(MAC)指令，一个指令周期内同时完成乘法和加法运算。4)频率一般比MCU高很多。从指令周期来看，低档的DSP一般为50ns；中档的DSP一般为10ns；高档的DSP一般为5ns。从处理能力来看低档的DSP一般为20MIPS；中档的DSP一般为IOOMIPS；高档的DSP一般为1600MIPS。5)片内具有软件插等待寄存器，方便与慢速器件接口。6)片内具有PLL(数字锁相环电路)，是片内高频、片外低频协调工作，有利于系统稳定。7）与MCU相比，DSP有较大的片内存储体(RAM,ROM,FlashMemory等)，少则几K字节，多则几十K字节，甚至几百K字节。8)丰富的片上外设(定时器、异步串口、同步串口、DMA控制器、HPI接口、A/D和通用I/0等)。DSP的外部硬件结构和MCU相同，由地址、数据和控制三个总线组成，所以外部硬件构成和MCU大致相同，只不过DSP的外部总线要比MCU快得多，所以在选择外部器件时注意要选用高速器件，做PCB板时，一般应采用多层板，这样才能保证DSP系统的可靠性和稳定性。在软件开发上，DSP与MCU相比，更好地支持模块化编程，且更便于工程化管理。所谓工程化管理，就是在一个项目中，尽可能地将硬件开发人员和软件开发人员分离开，软件开发人员基本上不需要了解系统的硬件资源，只需专注于算法的研究和编程，而软件和硬件之间的联系由项目的技术负责人完成，既由既懂硬件又懂软件的系统分析员来完成。MCU的汇编程序，起始于ORG语句，程序在编程时已经绝对定位，这么做的好处是简单，初学者很容易上手，缺点是模块化编程差，无法支持工程化管理。而DSP引进了一个非常简单，但又非常有效的概念-Section,中文称为“段”。“段”既为一块连续的存储空间，可以用来存放程序或数据，“段”没有绝对定位，所以软件开发人员只需要将不同的代码和数据放到不同的“段”中，而无需关心这些“段”究竟定位在系统的哪些地方。因此，一方面便于程序的模块化编程，另一方面可以将软件开发人员和硬件开发人员基本上分离开，便于工程化管理。在软/硬件的调试方面，DSP与MCU有较大的区别。MCU的软/硬件调试用替代方式来进行的，也就是说MCU的仿真器是一套完整的MCU系统，用MCU仿真器的方针头代替被仿真的目标系统的MCU，甚至还可以用仿真器上的存储器代替目标系统的存储器。而DSP是用接口方式来仿真，DSP仿真器上没有任何DSP资源，所有资源都在DSP目标系统上，DSP仿真器只提供独立于DSP的JTAG标准接口(IEEE1149.1标准)，DSP芯片上有专门用于仿真调试的信号引脚，用户只需按JTAG标准，在DSP目标板上作一接口(14芯双排插针)，二者相连即可对DSP进行仿真调试。仿真器不占用DSP的任何资源，仿真器硬件与DSP无关，不同系列DSP的仿真器硬件相同，所不同的只是编译软件和调试软件，节省了用户的开发投资。3.1.3DSP系统的构成图3-1所示为一个典型的DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号。可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。图3-1典型的DSP系统输入信号首先进行滞限滤波和抽样，然后进行A/D(AnalogtoDigital)变换将信号变成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入滞限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的关键，这与其它系统(如电话交换系统)不同，在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改，因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件不同。最后，经过处理后的数字样值再经D/A(DigitaltoAnalog)变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等，有些输入信号本身就是数字信号(如CD：CompactDisk)，因此就不必进行模数变换了。3.1.4DSP芯片的应用自从20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场，现代数字信号处理器DSP是执行高速数字信号处理的IC电路，他恰好适应多媒体、信息化社会的需求，因而迅速发展壮大。在这30年的时间里，DSP芯片己经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。其主要应用方面有:1)信号处理，如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、频谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。2)通信，如调制解调器、数据加密、数据压缩、扩频通信、纠错编码、可视电话等。3)语音，如语音编码、语音识别、语音合成、语音增强、语音邮件等。4)图形/图像，如三维图像处理、图像压缩与传输、动画、机器人视觉等。5)军事，如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等。6)自动控制，如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、自动盘控制等。7)家用电器，汽车电子系统及其它应用领域。应用DSP的领域可以说是不胜枚举，例如电视会议系统、视听机器等领域中也大量应用DSP芯片。随着科学技术的发展，将会出现许许多多DSP芯片应用的新领域。3.2TMS320VC33型DSP介绍TMS320VC33型DSP是一款应用0.18um四成金属CMOS技术制造的32位浮点运算处理器，其隶属于TI公司TMS320C3X系列，给用户提供了相当丰富的硬件和软件资源[28,29]。3.2.1TMS320VC33的硬件资源(1)具有高速的浮点运算能力，最高可以达到150MFlop和75MIPS的处理速度；(2)内存空间大，具有34Kx32位的片内双静态RAM，既降低了系统的开发成本，又提高了系统的运行速度；(3)分开的程序总线、数据总线和DMA总线，读写数据和DMA操作可以并行进行；(4)双电源供电，即核心电压1.8V，外围电压l1V，降低了功耗；(5)具有四个内部译码页选(、、和)可以大大简化与I/0及存储器的接口；(6)具有BootLoader功能，可以将程序装载到DSP内部的高速的RAM中运行；(7)具有四个外部中断，中断触发方式有两种:边沿触发和电平触发；(8)具有符合IEEE1149标准的片内扫描仿真接口(JTAG)，仿真速度更快；(9)具有一个64x32bit的Cache，提高了程序的运行速度；(10)具有32条数据线和24条地址线，可以寻址16M；(11)具有2个地址发生器、2个辅助寄存器算术单元(ARAU),8个辅助寄存器和8个扩展精度寄存器；(12)片内存储器可以映射的外设包括1个串口、2个32位定时器和1个DMA控制器；(13)提供了2个通用的外部引脚XFO,XFI，可由软件设置为输入输出，也作TMS320VC33在多处理器通信中的互锁操作。3.2.2TMS320VC33的软件资源(1)具有丰富的指令系统，它支持数据传送类、二操作数算术/逻辑类、三操作数算术/逻辑类、程序控制类、互锁操作类及并行操作类指令；(2)灵活的程序控制，它提供了重复、跳转、调用、陷阱及返回等类型的程序控制；(3)高效的流水线操作；(4)寻址方式多种多样，可采用6种寻址类型，并支持5种寻址方式。3.3DSP系统的设计与开发图3-2为一般情况下DSP系统设计与开发的流程图[26,27]。图3-2DSP系统设计与开发的流因论文对软件不做设计，故只给与软件开发流程图，系统软件有四大部分组成：初始化、采样、处理判断和通讯显示，系统软件流程图如图3-3。图3-3系统软件流程图上图可以看出，在DSP系统设计与开发之前，首先应该对DSP系统的应用目标有清楚的了解，以便确定系统的性能指标、信号处理等要求。第二步是定义系统要求，包括信号处理和非信号处理方面(应用环境、可靠性、可维护性、功耗、体积、重量、成本等)的要求。然后分析要处理的输入信号特性和所要求的处理结果，确定要采用的DSP算法，再根据这个处理要求，系统预算量的大小、对运算量精度的要求以及系统成本限制、体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。第三步是综合考虑上述信号处理和非信号处理要求，确定系统的最终配置，进行具体的应用设计。应用设计分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计是设计DSP芯片的外围电路和其它电路。软件设计和编程主要是根据体统要求和所选择的DSP芯片使用C语言或者汇编语言编写DSP程序。汇编语言的编译效率要比C语言高一些，但程序的可读性很差，不便于系统的更新换代。随着DSP芯片价格的不断下降，买一款性能优越DSP芯片用C语言开发的代价要低于用汇编语言开发。所以目前用C语言或者用C语言和汇编语言混合开发己成为主流。使用这种方式既能满足系统实时运算的要求，又能大大缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性。硬件和软件设计完成之后，进入软硬件联合调试阶段。这个阶段的任务是使软件和硬件相结合，完成系统原理样机的功能调试，软硬件的调试可以借助于DSP开发工具，如Simulator(软件仿真器)和Emulator(硬件仿真器)。系统的测试与调试完成之后，就可以将软件脱离开发系统而直接运行在应用系统上面。3.4小结本章较为详实的讲述了数字信号处理技术及其应用领域和应用前景，然后说明了装置要采用的处理芯片TMS320VC33型DSP的硬件资源，最后介绍了DSP系统的硬件设计与开发流程。第四章DSP选线装置的硬件系统设计本文设计这套硬件装置可同时对30路模拟通道进行数据采集，数据有效位为16位，可存储10个故障波形，最高采样率为500K。4.1选线装置硬件系统的总体结构整个装置采用插件式硬件结构，结构示意如图4-1所示。图4-1装置结构示意图电力系统电气信号由高精度互感器变换至低电压信号送至DSP主板，DSP主板负责信号的采样、录波和对系统状态的判断，故障时经光电隔离将故障信息送交远动，启动打印机打印故障报表，液晶显示故障线路并语音报警。装置运行时可实时通过以太网将液晶的显示信息送交主控室。装置运行参数的修改和软件维护可通过MODEM远程实现，也可由装置上的键盘进行现场修改。4.2DSP主板的结构在整个装置中，DSP主板是核心部分，负责数据的采样、录波和系统状态的判断，其数据流程结构原理图见图4-2。图4-2DSP主板数据流程结构原理图它分为四个功能子模块:DSP模块、前置高速数据采集模块、高速A/D和复位模块。4.2.1DSP模块DSP模块负责装置的主体运算、录波和故障判断等，在主板设计中最为重要。其主要由TMS320VC33型DSP、扩展存储器和复位电路组成.程序和装置的参数存入EPROM，上电后自动装载至RAM,NVRAM用于存储录波数据。TMS320VC33型DSP[28,29]，是一款应用0.18um四成金属CMOS技术制造的32位浮点运算处理器，其隶属于TI公司TMS320C3X系列，给用户提供了相当丰富的硬件和软件资源。1).TMS320VC33的硬件资源；(1)具有高速的浮点运算能力，最高可以达到150MFlop和75MIPS的处理速度；(2)内存空间大，具有34Kx32位的片内双静态RAM，既降低了系统的开发成本，又提高了系统的运行速度；(3)分开的程序总线、数据总线和DMA总线，读写数据和DMA操作可以并行进行；(4)双电源供电，即核心电压1.8V，外围电压11V,降低了功耗；(5)具有四个内部译码页选（、、和）可以大大简化与I/O及存储器的接口；(6)具有BootLoader功能，可以将程序装载到DSP内部的高速的RAM中运行；(7)具有四个外部中断，中断触发方式有两种:边沿触发和电平触发；(8)具有符合IEEE1149标准的片内扫描仿真接口(JTAG)，仿真速度更快；(9)具有一个64x32bit的Cache，提高了程序的运行速度；(10)具有32条数据线和24条地址线，可以寻址16M(11)具有2个地址发生器、2个辅助寄存器算术单元(ARAU),8个辅助寄存器和8个扩展精度寄存器；(12)片内存储器可以映射的外设包括1个串口、2个32位定时器和1个DMA控制器；(13)提供了2个通用的外部引脚XFO,XFI，可由软件设置为输入输出，也作TMS320VC33在多处理器通信中的互锁操作。2).TMS320VC33的软件资源(1)具有丰富的指令系统，它支持数据传送类、二操作数算术/逻辑类、三操作数算术/逻辑类、程序控制类、互锁操作类及并行操作类指令；(2)灵活的程序控制，它提供了重复、跳转、调用、陷阱及返回等类型的程序控制；(3)高效的流水线操作；(4)寻址方式多种多样，可采用6种寻址类型，并支持5种寻址方式。其引脚见图4-3。图4-3TMS320VC33芯片图表4-1TMS320VC33芯片引脚说明符号数量说明D31—D03232位的数据口A23-A02424位的地址口R/W1读/写控制输入端STRB1外部通道控制阀门（起滤波作用）PAGE34四个内部译码页选RDY1读控制器RESET1复位控制器INT3-INT04外部中断CLKR01串口接收时钟CLKX01串口发送时钟DR01数据接收口DX01数据发送口表4-2TMS320VC33型DSP的存储地址分配图808000hDMAGlobalControl直接存储器存取全局控制寄存器808004hDMASourceaddress直接存储器存取原地址寄存器808006hDMADestinationAddress直接存储器存取目标地址寄存器8080008hDMATransferCounter直接存储器存取传递计数寄存器808020hTimer0Globalcontrol定时器0全局控制寄存器808024hTimer0counter定时0计数器808028hTimer0PeriodRegister定时0周期控制寄存器808030hTimer1Globalcontrol定时1全局控制寄存器808034hTimer1Counter定时器1计数器808038hTimer1PeriodRegister定时器0周期控制寄存器808040hSerialGlobalcontrol串口全局控制寄存器808042hFSX/DX/CLKXSerialPortControl串口控制器808043hFSR/DR/CLKRSerialPortControl串口控制器808044hSerialR/XTimerControl串口收发定时控制器808045hSerialR/XTimerCounter串口收发定时计数器808046hSerialR/XTimerPeriodRegister串口收发定时周期计数器808018hData-Transmit数据传送寄存器80804ChData-Receive数据接收寄存器808064hPrimary-BusControl总线控制器DSP片内RAM存贮器存储容量为34Kx32位，由于要用全C语编程，片内的存储容量不能达到程序的要求。我们在主板设计时扩展了两片SRAM，片外存储容量为256Kx32位，非常适合于作大数据量处理。128Kx8位EPROM存储器，存储固化程序。1Mx8位带电保持NVRAM存储器，存储录波数据。16Kx8位串行EEPROM存贮器，用于程序定值的存储。4.2.2前置高速数据采集模块这部分负责电力系统电气量的采集。其采样方式采用同时采样、分时转换，即用定时触发信号启动多路同时采样，采用中断方式在AID转换结束时响应中断，采样通道数由通道选择寄存器设定。30路模拟输入信号首先经一阶RC滤波器及采样保持器，再经多路模拟开关和运放比例衰减，连接到A/D转换器的输入端上。4.2.2.1前置采集模块前置采集模块由一阶RC电路组成的滤波器、LF398A采样保持器和DG508多路开关组成，原理图见图4-6。图4-4前置采集回路A/D转换器在进行A/D转换期间，通常要求输入的模拟量应保持不变，以保证A/D转换的准确进行。因此，采样信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。采样保持器对系统精度有很大影响，特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。采样保持器通常由保持电容、输入输出缓冲放大器、模拟开关等组成，如图4-7所示，在采样期间，模式控制开关闭合，接通输入信号，A1是输出阻抗很低的高增益放大器，通过闭合的开关对电容快速充电，此电容器的电压跟踪输入信号的电平变化。在保持期间，开关断开，因为A2的输入阻抗很高，电容器上的电压可基本保持不变，即基本保持充电时的最终值。图4-5采样/保持电路原理目前，除电容根据用户需要外接以外，电路的其它部分大都集成在一块芯片上。通常可将采样保持器分为三种类型[30]:通用型(如LF398,AD582)、高速型(如HTS-0025,HTS-0300)、高分辨率型(如DAC1138,SHA1144)。LF398A[31]是一款单片通用型采样保持器，由高性能的运放、模拟开关和一个结场效应集成放大器组成，外接保持电容，即可构成完整的采样保持电路，它是一种具备放大功能的采样保持电路。它的价格低廉，在国内应用非常广泛。它有8个引脚，结构框图和典型连线图如图4-8所示。图4-6LF398A结构框图和连线图2脚接1K电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。如7脚接地，则8脚接控制信号大于1.4V时，LF398A处于采样状态，如8脚为低电平，则LF398A处于保持状态。6脚外接保持电容，它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。小电容可提高采样频率，但精度较低。同时，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。LF398A的其它几个参数为:,,漂移电压2mV，供电电压值在5V-18V间选择。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常采用模拟多路转换器，利用它将各路模拟量轮流与A/D转换器接通。这样使用一片A/D转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换，从而节省了硬件电路。在A/D接口中，模拟多路开关用于切换模拟信号，通常是多路输入，一路输出。目前已有多种型号的模拟多路开关集成芯片，它们的功能基本相同，仅在某些参数和性能指标上有所差异。DG508[32]是一款单路8选1模拟多路转换器，CMOS工艺制造，标准16引脚DIP封装，引脚如图4-9。其能直接与DTL/TTL/CMOS接口，具有双向传输能力，功耗30uW。开关接通电阻为180，开关断开时间为0.8us，开关接通时间为0.8us，具有内部过电压保护。图4-7DG508引脚图表4-3DG508真值表En选择通道号X00001111X00110011X010101010(低电平)1（高电平）1111111不接通12345678引脚符号功能4，5，6，7，9，10，11，12In作为输入端，实现8选1功能8OUT输出选择结果13正电源电压输入端3负电源电压输入端14Ground电源参考地1，15，16地址逻辑输入2En禁止逻辑上输入，当该端为低电平时，禁止输入，通道均不接通；当该端为高电平时，为允许输入，通道接通当EN有效(高电平)时，:三个输入端状态3组合决定接通八路输入模拟信号的某一路，即将与OUT端接通。4.2.2.2A/DA/D转换模块主要由LTC1608和74LCX16245组成，负责将采集到的信号由模拟量向数字量的转换。其接线原理图如下:图4-8A/D转换模块接线图LTC1608[33]的分辨率为16位，转换率为500KSPS，模拟信号输入范围为±10V,经A/D转换后，输出编码以2进制补码形式给出。其引脚见图4-9。图4-9LTC1608引脚图表4-5LTC1608的引脚说明引脚符号说明1AIN+模拟输入正电压，其范围是2.5V2AIN-模拟输入负电压，可以接地3VREF2.5V参考电压输出4REFCOMP4.375V参考电压补偿，不推荐作为外部参考5-8AGND模拟地9DVDD5V数字电压10DGND内部逻辑数字地，接模拟地11-26D15-D0三态数据输出27BUSY显示A/D转换状态，低电平表示正在转换，上升沿表示A/D可用28OGND输出驱动的数字地29OVDD输出驱动的数字电压30RD读控制输入端，当CS为低电平时，它的逻辑低电平激活输出驱动31CONVST转换启动输入端，当为低电平时启动转换32CS片选输入端。低电平有效，允许读控制和转换启动33SHDN停止输入端，低电平为停止状态34VSS-5V电压输入35，36AVDD5V模拟电压输入74LCY16245[34]，是一款5V电压输入输出的16位双向收发器。主板的复位在外界干扰的情况下，嵌入式系统会出现程序跑飞、数据溢出和不明死机等情况，此时系统已不能正常的工作，这就需要将系统及时的复位重起。看门狗电路实时监控主板的状态，一旦DSP主板在满足下列几种情况之一时，就被可靠地复位:(1)上电复位脉冲(宽度为18ms)；(2)电源故障，即当+5V主电源电压跌至+4.65V时，产生复位脉冲；(3)看门狗电路，即在规定时间(18ms)内，如果没有刷新看门狗电路，则产生复位脉冲(宽度为18ms)。4.3开关量输出模块开关量输出模块负责故障信息向远动上传，开关量输出信号为共电源型，通过连接器BUS1输出，电源为24V,30路开关量输出信号首先锁存到数据缓冲器上，再经过光电隔离器输出。每路数字量输出均由开出使能寄存器控制，只有当开出使能OUTEN+为“1”,OUTEN-为“0”时，数字量输出才能被使能，否则数字量输出为“断”。原理图见图4-10。4-10开关量输出模块原理图74ACT273是一款带清除端的8D型触发器。4.3.1异步串行通讯模块装置采用ST162552[39]，双路串行通讯收发器。ST16C2552是EXAR公司生产的通用异步接收、发送器(UART)。它提供两组独立的UART接口((A组和B组)，具有16字节的发送和接收FIFO,Modem控制接口和通讯状态寄存器。此外ST16C2552还具有回读功能，可以在线诊断。通过对ST162552的编程，可以控制串行数据传输格式和速度。串口A为光电隔离RS422/485可选，可以用来进行主从通讯。串口B为光电隔离RS422接口。ST162552为标准串口，内置收发FIFO各16个字节。ST162552提供两组内部寄存器(A组和B组)，每组包含12个寄存器，用于监视和控制对应通道的UART。4.4装置硬件系统的抗干扰措施微机系统的可靠性是由多种因素决定的[40]，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。所以抗干扰设计是计算机应用系统研制中不可忽视的一个重要内容。工业生产中的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机，干扰窜入系统的渠道主要有三条，即空间干扰(场干扰)，通过电磁波辐射窜入系统，过程通道干扰，干扰通过与主机相联的前向通道、后向通道及与其它主机的相互通道进入,供电系统干扰。一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两个渠道窜入的干扰。抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感元件的抗干扰性能。4.4.1电路板设计合理设计系统电路板，能有效地切断干扰的传播途径和抑制干扰源，同时还可以提高敏感元件(如DSP、数字IC、A/D、D/A等容易被干扰的对象)的抗干扰能力。主要采取:(1)电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号分区。尽可能使干扰源(如电机、继电器)远离敏感元件。大功率器件尽量布置在电路板的边缘。(2)布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声，连接线避免90度的折线，以减少高频噪声发射。(3)不用的DSP管脚，特别是中断的入口，不要悬空，一般要通过上拉电阻接电源。(4)电路板上每个IC要并接一个0.OluF-0.1uF高频电容，以减少IC对电源的影响。(5)注意晶振布线，晶振与DSP引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离(圈)起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后接于电源地一点汇集呈“星形”状。4.4.2电源电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。DSP对电源噪声很敏感，因此，应采用抗干扰的开关电源或给DSP电源加滤波电路或稳压器，以减少电源噪声对DSP的干扰。4.4.3器件的选择尽可能选用同一类型(例如都为TTL或都为CMOS)的数字IC，以提高芯片间的兼容性及匹配性，在满足速度要求的情况下，尽量降低DSP的晶振频率和选用低速数字IC，以提高敏感元件的抗干扰性能。4.4.4接口电路接口电路的抗干扰，主要是抑制干扰源，即尽可能减少干扰源的du/dt和di/dt。减小du/dt最有效的方法是在干扰源的两端并联电容，而减小di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管等。(1)开关量输入/输出。若控制继电器，应在线圈上并接续流二极管，消除线圈断开时的反电势干扰，接入稳压管可减少因续流管带来的线圈断开的时间滞后。同时应在继电器的触点上并接RC抑制火花(见图4-11)。若采用固态继电器(双向晶闸管，无触点)干扰小，但要同控制晶闸管电路一样，需并接RC吸收电路。对于开关量的输入，应通过光耦隔离来抑制干扰的侵入。图4-11继电器抗干扰措施(2)A/D过程通道。除了考虑外界干扰外，主要是消除地回路电流。措施是一点接地或采用信号隔离。对有些传感器，必须接地以获得准确的测量值，若是较大的系统，一点接地是有局限性的。最有效的方法是采用信号隔离器，切断地回路电流使信号线性地通过，且防止各通道间串扰。4.4.5复位电路复位电路是最容易受干扰的(因为DSP内部的复位电路的阻抗都比较高，为10～50),影响也是最大的。因此，必须采取抗干扰能力较强的复位电路。4.4.6控制系统的内外屏蔽结构在微机测控系统内部，可使用对电磁波屏蔽强，厚度»0.7mm的镀锌铁板进行电路板之间、电路板与电源之间和测量电路与高压控制电路之间的屏蔽。铁板与电路板的地应绝缘，各屏蔽铁板应采用导电性能高的镀银导线与机壳地连接。在微机测控系统的外屏蔽设计中，控制部分的机箱应尽可能选择安装方便的标准工业级机箱的结构，有条件的还应采用双层屏蔽fm4.5小结本章先介绍了选线装置硬件系统的总体结构，着重讲述了DSP主板的硬件构成，这部分是装置硬件设计的主体内容，完成从信号的采集、处理、到存储、发送结果所有功能，为选线软件的设计提供硬件基础。然后谈了谈通讯模块，最后介绍了本装置中采用的一些硬件的抗干扰措施。结论要论述了小电流接地系统的特点、优点和意义，指出了小电流接地系统单相接地故障选线的重要性，然后分析了小电流接地系统发生单相接地故障后的各种故障信息及其特征规律，在此基础上，对目前常用的各种算法分别进行了评价，指出其优、缺点及适用范围，最后提出了基于DSP技术的软硬件实现方案。1.本文的主要工作和贡献(1)分析总结了小电流接地系统单相接地故障的各种故障信息和故障特征，对目前常用的各种算法进行了比较评价，从使用的故障信号、抗干扰能力和适用范围等各个方面进行了综合评估，总结了各种算法的优劣。（2）根据综合故障选线算法对硬件平台的要求，提出了故障选线装置采用以TMS320VC33型DSP作为中心处理器的方案，其较课题组原先的工控机方案更为经济，更能适应市场的需求，较传统的单片机方案更能满足我们包括小波选线方法在内的综合选线算法对硬件的需要。（3）较为具体的介绍了以TMS320VC33型ASP为核心的故障选线装置各个子功能模块的硬件实现方案和抗干扰技术，并加以实现。依托DSP硬件平台及相关集成开发环境成功的将原先工控机的综合故障选线算法软件移植到以DSP为核心的嵌入式系统，并保证了算法的不简化，功能的不缺短。装置的软硬件均采用模块化设计，便于系统扩展和移植。（4）在10KV物理实验室对装置进行软硬件联调，装置对各种实验室模拟的单相接地故障均能快速准确的进行判断，初步具备了小电流接地选线装置DSP实现方案的产品化。2.发展方向采用DSP实现方式能够降低成本，提高装置的可靠性。本文提出基于DSP实现方式的装置硬件设计方案，并加以实现。实践证明DSP的实现方式是完全可行的，今后应加大对装置的产品化进度。此外DSP的实现方案在配电自动化的领域(如故障测E,可调节式消弧线圈、分布式采集处理模块、电能质量等等)都将会有越来越广阔的前景!致谢语本论文是在导师的悉心指导下完成的。在跟随老师做论文的一年里，老师的高尚的人格，渊博的知识和一颗爱学生的心深深地打动着我，使我学到了许多知识同时也明白了很多做人的道理。我想这是我们青年人最宝贵