基于暂态行波法的配电网故障定位装置研究

测到，锁存当前的时标，同时开始一个10ms的计时延时，在这段时间内继续将ADC转换的数据存储到当前的一片SRAM。当10ms延时结束时，切换地址数据总线将采集的数据存储到另一片SRAM上，同时通知MCU取走第一片SRAM中的故障行波数据和锁存的时标，并通过GPRS DTU远传给中心端服务器做进一步的处理，实现故障波形分析，进而实现故障定位。若只采用1片SRAM，在10ms延时结束后，需暂时停止数据采集，待SRAM中数据取走之后才能重新采集数据，以保证有用的故障信息不被冲掉。如果在转存暂态数据期间线路发生故障，则不能对其进行监测，造成故障数据漏记，无法定位。采用双SRAM，由于MCU转移数据和高速ADC继续采集数据可以在FPGA的协调下同时进行，从而在一定程度上解决了以往装置存在的循环存储器死区问题。

　　单片机外围电路

　　单片机(MCU)外围电路主要包括3部分：与GPRS DTU连接的数据远传电路、与GPS模块连接的时间获取电路和与FPGA之间的数据通信电路。根据单片机需完成的功能，本系统中采用Microchip高性能RISC CPU PIC18F8520，它内部有32kB的FLASH程序存储器和2kB的SRAM数据存储器、1kB的EEPROM数据存储器;运算速度可达10MIPS;可以工作在DC~40MHz的时钟频率范围之内;具有外部存储器接口，可方便地访问外部存储器中的程序或数据，便于与FPGA的数据通信;具有2个USART接口，支持RS-485和RS-232，其中一个USART接口与GPRS DTU连接，可对DTU进行配置并传输数据，另一个与GPS模块相连，用来获取精确到秒的时间信息。

　　无线通讯模块采用成都众山科技ZSD2110 GPRS DTU。ZSD2110是一款使用GPRS进行无线数据传输的终端设备，支持透明数据传输和用户自由控制传输模式，本系统中采用透明数据传输模式，不用关系复杂的网络协议，通过全透明串行口，就可进行无线数据收发，可大大简化单片机软件程序的设计。GPS授时模块采用Garmin的GPS15XL，它是12通道的GPS接收机，精密授时类型精度可达±50纳秒(典型值);具有串行端口，输出为RS232，输入可为RS232或者具有RS232极性的TTL电平，波特率从300~38400可选，默认为4800。可输出NMEA0183 2.0/3.0的ASCII码语句/Garmin二进制格式信息。非常适合应用于车辆导航、海事导航、电力系统校时等。由于DTU和GPS模块都是通过串行口与单片机连接，接口比较简单，需特别说明的是单片机与FPGA之间的数据通信接口电路。单片机PIC18F8520需通过其EMI接口从FPGA获取故障波形数据和时标信息。由于PIC18F8520的EMI接口中16bit数据线和低16bit的地址线共用，与FPGA之间不能直接相连，接口连接。

　　故障定位装置的程序设计

　　故障定位装置的程序设计包括FPGA的内部逻辑设计和单片机的软件设计。

　　FPGA内部逻辑设计

　　FPGA的内部逻辑通过Altera公司的Quartus II集成环境，采用Verilog HDL硬件描述语言开发设计，分为以下几个模块。

　　(1)时钟信号生成模块：将50MHz的输入时钟通过计数器分频得到需要的时标标定电路的时钟信号、ADC转换时钟信号等系统需要的各种频率的时钟信号。

　　(2)A/D控制模块：控制A/D转换芯片进行A/D转换。

　　(3)故障判定模块：将A/D转换得到的数字信号瞬时值与预设的门槛值比较，判断是否发生故障。

　　(4) 延时模块：产生故障发生后大约10ms的延时信号。

　　(5)SRAM控制模块：将采样数据写入SRAM;2片SRAM之间的总线切换;读出SM中的数据送往MCU。

　　单片机软件设计

　　单片机程序在MPLAB IDE8.10环境下，采用MPLAB C18编译器，用C语言编程实现，主要包括下述功能：

　　(1)对GPS模块的初始化、配置以及从GPS模块获取精确到秒级的时间信息(年、月、日、时、分、秒);

　　(2)通过EMI接口从FPGA中获取故障波形数据和精确到微秒的时标信息;

　　(3)通过USART接口对DTU进行设置以及将故障波形数据和完整的时标信息通过DTU上传。

　　结语

　　本文介绍的基于暂态行波定位原理的10kV配电网故障定位装置，通过实验证明，MCU+FPGA的设计方案可以很好地解决高速数据采集和顺序任务控制间的矛盾，实现高速数据采集和其他任务的并行处理，经测试，电路运行良好，可以达到设想的要求，具有一定的实用价值。