摘　要：介绍了一种以TMS320LF2407数字信号处理器 （DSP）为核心的智能型断路器测控单元的硬件和软件设计。该系统集测量、保护、控制、通信、显示等功能于一体，实现了断路器的微机自动监控功能，具有三段电流保护和接地漏电保护等动作特性。硬件和软件均采用模块化设计。数字信号处理系统为测控单元的核心，文中对其信号调理、可编程逻辑、时钟、通信接口等功能模块进行了介绍。软件设计中采用了新的数字滤波算法和保护算法，其总体采用实时多任务调度操作系统，并在主程序循环查询中断标志位的设计思路，将整个程序分为主程序和中断子程序两部分，最后给出主程序和部分中断子程序的流程图。目前，该测控单元样机已投入运行，运行结果已达到预期设计要求。 
关键词：智能化；数字信号处理器；数字滤波；保护算法 

1 引言 

　　随着计算机、微处理器、光纤传导技术、传感器技术和数字处理技术的迅速发展和应用，出现了带微处理器的智能控制电器产品。智能断路器的智能操作是断路器智能化发展过程中的一个全新的概念。断路器智能操作的目的是当系统中出现故障时，控制电器控制断路器动作，快速切除系统中的故障部分，防止故障扩大，保证设备与人身的安全，使系统其他部分运行正常。控制单元是实现智能操作的核心部件，其基本任务是通过对电网参数的采集和处理来给出相应的控制信息，以获得断路器所需的分断时延。本文旨在通过对控制单元的研制为断路器智能操作的实现提供条件。 

　　智能型断路器的中枢部件是智能测控单元，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、可编程逻辑技术和串行通信技术等，智能测控单元的功能日趋完善，除实现各种选择性保护功能外，还具有显示、故障记录、自诊断、试验以及控制等各种辅助功能，此外还可以通过网卡或接口转换器实现遥测、遥调、遥控、遥信等“四遥”功能，适用于网络系统，通过上位机可集中监察和控制。因此，带智能测控单元的断路器在低压配电系统中得到了广泛应用。 

　　结合江苏黄海电器控制设备厂研制的ST智能型控制器，笔者自行开发了智能型测控单元及其上位机监控系统，对智能型测控单元设计所涉及到的相关问题进行了分析和讨论。 

2 整体结构及工作原理 

　　该控制单元的基本任务是通过对电网参数的采集和处理来给出相应的控制信息，以获得断路器所需的分断时延。为了判断电网的状态，控制单元首先必须具备准确测量电网参数的功能。智能测控单元总体结构如图1所示，它由4部分组成，即开关电源、信号检测单元、微处理器系统以及执行元件。 

　　开关电源提供测控单元的工作电源；信号检测单元为电流互感器（CT）和电压互感器（PT），通过前置调理采样电路并结合微电子技术将供电回路中的强电流和高电压转换为适合电子电路和单片机处理的电流电压信号，为微处理器系统提供正确可靠的采样信号；微处理器系统则是由德州仪器的数字信号处理器 TMS320LF2407和Altera公司的MAX7000系列CPLD及其外部接口电路组成，对电流电压信号进行实时采集、处理、存储，以实现各种保护和辅助功能；执行元件为一种磁通传输分离脱扣器，用较小的能量就能驱动使其脱扣，脱扣信号来自微处理器系统。其中微处理器系统为整个测控单元的核心，是断路器实现数字智能化的标志所在。 

　　正常供电主线路电流和电压信号通过大功率CT和PT变换成0～5A的电流和0～100V的电压信号，供二次系统采集。考虑到LF2407DSP的信号输入标准为低功耗的0～3.3V供电，必须采用小CT、PT对信号进行再次调理，然后经过整流滤波供给微处理器。微处理器实时采集电信号，并对采样信号进行进一步的软件滤波与实时处理，如发现故障，则根据故障类型进行相应的报警、显示以及脱扣等处理操作。 

3 硬件设计 

　　微处理系统是智能测控单元的核心部件，也是测控单元实现智能化的标志。本节对微处理器功能模块的设计说明如下： 

　　（1）DSP最小系统包含CPU（TMS320LF2407）、EEPROM（X25045）、RAM（CY7C1021）、地址锁存器 74LS373等。其主要功能是对采集的数据进行处理，完成计量、保护功能，并通过通信接口与上位机进行通信等。LF2407DSP是3.3V供电的低功耗数字信号处理芯片，在现代信号处理系统中有广泛应用。另外本系统采用DSP片内AD模块，节省了制造成本和系统体积。 

　　（2）CPLD模块采用Altera公司的MAX7000系列。该器件集成度高、工作速度快、编程方便，在本系统中完成快速的片选信号、三态驱动、译码电路及锁存功能，大大的简化了系统的硬件复杂度，提高了系统的可靠性，并降低功耗。 

　　（3）信号调理模块由电平转换调节电路、采样保持电路、多路开关等组成。主要功能是将大的电信号调理成适合DSP的A/D模块输入所能接收的信号。并实现硬件低通滤波功能。 

　　（4）监控模块采用MAXIM公司出品的MAX706专用监控芯片。它具有看门狗、电压检测和上电复位功能，可提高系统的可靠性和准确性。 

　　（5）时钟模块采用DALLAS的DS1302串行实时时钟芯片。它为系统提供时间标准。该芯片具有体积小、功耗低、接口容易、占用CPU I/O总线少等主要特点，广泛应用于智能化仪器仪表中。  

　　（6）用户操作面板模块包括键盘操作面板和液晶显示面板，提供人机交互界面，通过按键可实现整定、试验、检测等功能。液晶显示大量的信息，如数据显示、参数整定、故障信息等。 

　　（7）通信接口模块采用MAXIM公司出品的MAX483接口芯片和研华公司出品的ADAM4520转换模块，通过RS-485接口实现下位机与上位机的通信，适用于网络系统。 

4 测控单元信号采集滤波算法 

　　目前在故障信号的定量分析中，离散傅立叶算法是广泛采用的方法。离散傅立叶算法不但具有较强的滤波功能，而且通过该算法还可获得信号的实部和虚部，为确定短路电流、电压的大小、性质（容性或感性）及功率的计算提供了极大的方便，因而被广泛采用。本装置中，首先对电流、电压进行谐波分析，然后在进行衰减直流分量的补偿计算后计算各次谐波的有效值和相角等。以下分析用于衰减直流分量的处理。 

设输入信号为 

　　式（2）（3）中Ks,Kc分别为正弦和余弦分量的补偿系数。其计算公式为  

　　式（4）（5）中 N为采样点数，

　　某通道信号一个周期的AD采样完成后，实时计算出r值，然后在傅立叶分析完成后对正弦余弦分量进行补偿，本系统中只对基波进行了补偿。 

　　程序采用快速傅立叶变换（FFT）算法来实现电网信号的滤波功能。由于DSP 指令速度快，而且具有适合该算法实现的硬件条件和指令，因此该程序的运行时间可以满足断路器智能操作的实时性要求。 

5 测控单元的保护特性 

5.1 概述 

　　智能测控单元具有接地漏电保护、三段电流保护、断相和不平衡保护、欠压保护以及单相接地保护等，本节针对长延时、短延时、瞬动三段电流保护进行讨论。 

　　过电流保护特性由时间—电流曲线表示，曲线位于直角坐标系中，纵坐标与横坐标均经对数化，纵坐标为动作时间，横坐标为过电流倍数。图2为典型的3段过电流保护特性曲线。它包含了长延时、短延时、瞬动3段电流保护。3个电流保护段的电流整定值覆盖范围可以用数轴表示，如图3所示。设定不同的电流整定值，测控单元可同时或分别具有3段保护特性。
 

　　其中短延时电流覆盖范围分别与长延时电流和瞬时电流覆盖范围相重叠。根据电流整定值的不同，断路器可以同时或分别具有三段保护特性。如表1所示。 

5.2 保护特性 

　　长延时保护特性为反时限，数学表达式为 
　　
　　短延时保护特性由两部分组成：反时限和定时限。8Ir为分界点，定时限的动作时间有多个规定值可供选择；反时限特性数学表达式为 
　　
　　式（6）、式（7）中Ir为电流整定值，I为过电流值，T为动作时间，tL为长延时动作时间整定值，t-S为短延时动作时间整定值。 

　　当短路短延时动作电流大于8Ir时，智能式脱扣器短延时特性自动转换为定时限，动作时间与其电流的整定值无关。 

　　短路瞬动动作特性为定时限，动作时间一般为10～20ms。智能断路器一般设有OFF瞬动锁定功能，在不需要瞬动的配电系统可关闭瞬动保护功能。 

5.3 保护原理 

　　定时限保护的保护原理比较简单。当故障电流值大于电流整定值时，启动定时器，定时时间到，保护动作；在计时时间内，如故障电流值小于整定值，则保护退出。 

　　反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比。为提高反时限电流保护的实时性，本测控单元采用查表法确定保护动作特性，根据测得的过电流倍数，通过查表求得动作时间，定时时间到，则保护动作。 

6 软件设计 

　　实时多任务调度都有3个状态：运行、就绪和等待。各个任务在实时操作系统的调度下，在这3个状态之间切换，见图4。任务之间的切换应当以优先级为根据。 
 

　　低压断路器数字式测控单元的软件设计采用层次化、模块化的设计思想，软件的结构框图如图5所示。程序中采用任务状态字对应不同的优先级。 

　　由图5可见，软件系统划分为3个中断、1个调度、多个任务。其中实时多任务调度系统是整个软件系统的核心，使得软件系统多个任务能合理有序地执行。 

　　作为实时多任务系统的核心，任务调度必须在极短的时间内执行一次，且任务调度不能被其它程序打断，才能保证优先级高的任务被及时执行。本测控单元的任务调度在数据采集中断处理程序中执行，这样优先级最高的任务最多等待一个采样周期，即1.67ms左右便可执行，可以满足实时性的要求。本智能测控单元的下位机软件设计采用应用于LF2407的汇编语言和C语言混合编程调试环境，程序结构具有模块化和子程序化的特点，同时在程序设计中加入了抗干扰处理。软件程序分为主程序和中断程序两大部分。主程序包括故障处理子程序、通信处理子程序、键盘处理子程序、显示处理子程序等。中断程序包括外部中断子程序、定时器中断子程序、通信中断子程序、键盘中断子程序等。中断优先级依次为外部中断、定时器中断、通信中断、键盘中断。 

　　（1）主程序是一个循环程序，其流程如图6所示，初始化后进入到主循环，查询子程序标志位寄存器，如发现标志位置位，则进入相应的子程序处理。
 

　　（2）外部中断：外部中断1（XINT1）子程序用于系统电源故障的检测，外部中断（XINT2）子程序用于接地故障的检测，一旦发现故障，立即发出报警信号，并进入相应的故障处理。外部中断1（XINT1）的优先级高于外部中断（XINT2）。 

　　（3）定时器中断：提供信号采样周期，定时周期1ms，即一个周期采集20个采样点，采样频率为1kHz，为信号频率（50Hz）的20倍，可实现非失真采样。对于外接15MHz晶振的TMS320LF2407处理器而言，每完成一次A/D所需的时间远小于1ms，可利用此等待时间对采样值进行处理。程序流程如图7所示。