《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM的直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)
凌曉莉
安徽電氣工程學(xué)校
摘要: 本文提出了基于S3C44BOX的直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案,并在此裝置上實(shí)現(xiàn)了基于小波變換的檢測(cè)方法,并重點(diǎn)闡述了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
Abstract:
Key words :

0 引言

發(fā)電廠、變電站的直流供電系統(tǒng)是控制和信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的工作電源,對(duì)保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行是十分重要的,這就要求直流系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)必須具有高可靠性。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí),應(yīng)能及時(shí)找出和處理。目前,國(guó)內(nèi)外基于單片機(jī)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置大多是基于傳統(tǒng)的平衡電橋法、低頻信號(hào)注入法等研制的,但要解決直流系統(tǒng)大電容接地和環(huán)網(wǎng)影響等問題,則需要采用更為先進(jìn)的處理方法,如基于小波變換的檢測(cè)方法,而單片機(jī)有限的資源限制了這類方法的使用。
    本文通過(guò)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì),并在該裝置中實(shí)現(xiàn)基于小波變換的檢測(cè)方法解決直流系統(tǒng)大電容接地和環(huán)網(wǎng)影響等問題,并重點(diǎn)闡述了基于該系統(tǒng)的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

1 ARM微處理器S3C44BOX

考慮到設(shè)計(jì)應(yīng)用的需要,選用了三星公司的S3C44BOX微處理器。這是該公司一款基于ARM7TDMI的SOC芯片。它一方面具有ARM處理器低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn);又具有非常豐富的片上資源,非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其特點(diǎn)如下:
    ·采用ARM7TDMI內(nèi)核,I/O電壓3.3V,內(nèi)核電壓2.5V;
    ·內(nèi)置鎖相環(huán)(PLL),系統(tǒng)主頻最高達(dá)66MHz;
    ·4種工作模式,可以實(shí)現(xiàn)電源管理以降低系統(tǒng)功耗;
    ·8kB的系統(tǒng)高速緩存(CACHE),極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度;
    ·支持8個(gè)MEMORY BANK,最大外部存儲(chǔ)空間達(dá)256MB,并支持SDRAM;
    ·內(nèi)置彩色LCD控制器;
    ·2路異步串口(UART);
    ·71個(gè)通用I/O口;
    ·8通路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC);
    ·實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和看門狗電路(WATCHDOG)。

2 直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,可以看出此檢測(cè)裝置主要分為兩個(gè)部分:S3C44BOX主控單元及各種接口、信號(hào)采集及預(yù)處理單元。

此裝置將實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)通常情況:此裝置處于在線監(jiān)視狀態(tài),通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)并依據(jù)相關(guān)算法判斷直流系統(tǒng)是否存在一點(diǎn)接地;

(2)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地:當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)存在一點(diǎn)接地時(shí),并啟動(dòng)低頻信號(hào)源,向電網(wǎng)中注入低頻信號(hào);

(3)依次對(duì)低頻電壓和各個(gè)支路電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣;通過(guò)直流系統(tǒng)每個(gè)支路上的電流互感器檢測(cè)出每個(gè)支路的電流信號(hào)。由多路開關(guān)依次選通每個(gè)支路,將相關(guān)信號(hào)經(jīng)調(diào)理后進(jìn)行采樣,同步進(jìn)行低頻電壓信號(hào)的采樣,然后依次按照特定的基于小波變換的控制算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而確定故障支路,將結(jié)果顯示在LCD或是遠(yuǎn)程終端上以便于用戶查看并及時(shí)排除該接地故障。

3 軟件總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)于一個(gè)開放的嵌入式系統(tǒng)而言,其程序存儲(chǔ)器中一定要有系統(tǒng)的初始化代碼。初始化在系統(tǒng)復(fù)位后自動(dòng)完成。在系統(tǒng)的初始化中,必須包含如下的初始化代碼:設(shè)置入口指針、設(shè)置中斷向量表、初始化堆棧指針寄存器、初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)、初始化I/O端口以及需要改變處理器的工作模式、初始化應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間。之后,呼叫并開始執(zhí)行應(yīng)用程序。

μC/OS-Ⅱ是源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng),其主要特點(diǎn)是公開源代碼;可移植;可固化;可裁剪;是占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核;可管理多任務(wù):執(zhí)行時(shí)間可確定;提供很多系統(tǒng)服務(wù);具有中斷管理;穩(wěn)定且可靠。但是,μC/OS-Ⅱ提供的僅僅是一個(gè)任務(wù)調(diào)度內(nèi)核,需要在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展成實(shí)用的RTOS。根據(jù)該裝置的功能要求,系統(tǒng)軟件中需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的用戶任務(wù):a.監(jiān)視;b.報(bào)警;c.啟動(dòng)低頻信號(hào)源;d.低頻電壓采樣,并計(jì)算其幅值和初始相位;e.選通各個(gè)支路并檢測(cè)其電流信號(hào),然后利用小波算法進(jìn)行判斷;f. 在LCD或遠(yuǎn)程終端上顯示相關(guān)信息。其中任務(wù)e的具體流程如圖2所示。

 

 

相對(duì)于相敏檢波、載波相位等傳統(tǒng)的檢測(cè)方法,上述基于小波變換的處理方法可以充分發(fā)揮小波分析優(yōu)良的時(shí)頻分析特性,有效地克服直流系統(tǒng)大電容接地環(huán)網(wǎng)等因素的影響,能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出支路接地電阻值,從而判斷出故障支路。由于8/16bit單片機(jī)有限的資源,無(wú)法實(shí)現(xiàn)這么復(fù)雜的算法,而ARM的高性能和高可靠性為這種算法提供了良好的硬件平臺(tái)。擴(kuò)展后的RTOS總體框圖如圖3所示。

4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析,設(shè)計(jì)應(yīng)用程序運(yùn)行流程圖如4所示。

4.1 直流系統(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地接地絕緣監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)初始化完成以后,進(jìn)入任務(wù)一,如果發(fā)現(xiàn)存在接地故障,則等待鍵盤消息,以設(shè)定待檢支路數(shù),然后系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)二;如果沒有發(fā)生接地故障,則延時(shí)特定時(shí)間段后再次調(diào)用任務(wù)一。

任務(wù)一的具體代碼如下所示:

4.2 啟動(dòng)低頻信號(hào)源,同步采樣低頻電壓及當(dāng)前支路電流

當(dāng)判定直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障之后,調(diào)用任務(wù)二,首先確定支路號(hào),然后同步采樣正負(fù)母線低頻電壓信號(hào)和當(dāng)前支路電流信號(hào),當(dāng)完成了相應(yīng)采樣之后,系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)三。

任務(wù)二的具體代碼如下所示:

4.3 對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及低頻提取處理,并計(jì)算接地電阻值

當(dāng)任務(wù)二完成相應(yīng)的采樣工作之后,系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)三,任務(wù)二和任務(wù)三構(gòu)成了一個(gè)循環(huán),任務(wù)三主要對(duì)任務(wù)二采樣所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行3次B樣條濾波和Morlet小波低頻分量提取等處理,并判斷該支路故障與否,同時(shí)依據(jù)當(dāng)前支路號(hào)判斷是否已經(jīng)檢測(cè)了全部支路,如果直流系統(tǒng)中還存在沒有檢測(cè)的支路,則返回任務(wù)二開始新的采樣,如果已經(jīng)全部完成,則延時(shí)30分鐘后返回任務(wù)一。

任務(wù)三的具體代碼如下所示:

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ARM微處理器進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可以提高系統(tǒng)性能,并使系統(tǒng)小型化、低成本,而且具有高可靠性。本文介紹的基于ARM的直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì),構(gòu)建了一個(gè)完整的硬、軟件平臺(tái),在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

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