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(wèn)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(wèn)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序。
μC／OS-Ⅱ是源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是公開(kāi)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(pán)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(méi)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(méi)有檢測(cè)的支路，則返回任務(wù)二開(kāi)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。