基于信號處理的選相分合閘技術(shù)

田亮亮，杜太行，程志華

（河北工業(yè)大學 信息工程學院，天津 300401）

在斷路器瞬動校驗或是其他電力設(shè)備、元件的短路試驗中，為了保證精確的校驗、試驗電流，需要采用交流選相合閘技術(shù)。這是由于合閘相角不同，電路中產(chǎn)生的暫態(tài)電流（電流的非周期分量）也不相同，暫態(tài)電流的產(chǎn)生會直接影響校驗、試驗電流的精度。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有當合閘相角等于回路功率因數(shù)角時不產(chǎn)生電流的非周期分量，才能保證校驗電流精度。選相合閘系統(tǒng)要解決的問題就是消除檢測回路中的非周期分量，即怎樣控制執(zhí)行器在規(guī)定的時間內(nèi)合閘且回路中不產(chǎn)生非周期分量，以防止檢測過程中斷路器誤動作的產(chǎn)生，造成產(chǎn)品的檢測誤差，對人類的生命和財產(chǎn)造成威脅。

有些文獻也提到過一些關(guān)于用單片機作主控芯片控制選相合閘[1-2]，但是在選相精度和可靠性上存在著一定問題。高精度的選相合閘技術(shù)在要求高速率數(shù)據(jù)采集的同時對數(shù)據(jù)處理能力的要求也很高。但是對于單片機來說，當采樣點數(shù)過多，數(shù)據(jù)采集速率過快時，微處理器處理數(shù)據(jù)（需要對取樣的數(shù)據(jù)作FFT變換）的速度就會變得很慢，造成嚴重誤差，甚至延時超過幾十秒；而要使單片機的數(shù)據(jù)處理速度變快，采樣點就得取得相對少些，這樣就使得芯片的數(shù)據(jù)采集速度與數(shù)據(jù)處理速度相互制約存在著矛盾。因此想要實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和提高數(shù)據(jù)處理能力，就得在微處理器的選型和控制的方法上考慮解決方案。

本文從硬件的選型設(shè)計和選相合閘方式入手，深入分析并闡述目前選相合閘技術(shù)中存在的普遍問題，提出一種新型基于數(shù)據(jù)處理的單片機選相合閘系統(tǒng)，而且便于與斷路器主檢測回路融入結(jié)合。因此該研究取得的技術(shù)成果將會得到更廣泛的應(yīng)用，也將會對我國電力能源的發(fā)展和應(yīng)用產(chǎn)生具大的推動作用。

1 選相合閘系統(tǒng)的設(shè)計

選相合閘的基本過程是：PC機（上位機）作為主機完成控制試驗任務(wù)，根據(jù)要求向單片機發(fā)出合閘命令，單片機（下位機）接到命令后，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)前期測得的合閘相角（由FFT變換求得）計算延時時間，然后進行選相合閘。

選項合閘原理框圖如圖1所示。

圖1 選相合閘原理框圖Fig.1 Principle diagram of selection based

1.1 功率因數(shù)角的確定

如式（1）把采樣的信號轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號，采用FFT變換[3]可以計算出電壓、電流初相，計算方法如式（2）

具體計算過程參照文獻[4]，這里不再累述，其中，φ是信號的初始相位，f0是電壓、電流信號的頻率，T1是A/D采樣周期，n是采樣點的編號，采用式（2）可以分別計算出電壓和電流的初始相位，二者之差即為功率因數(shù)角。

以下是對上述算法進行仿真。設(shè)T1=0.001 s，N=1 024，f0=50 Hz，初始相位φ=0～π變化時，計算結(jié)果的誤差如圖2所示。

圖2 初始相位變化時相位計算的絕對誤差Fig.2 The absolute error of the phase when the initial phase changed

從圖1中可以看到，初始相位計算的絕對誤差最大值小于0.003。

1.2 選相控制思路

上文可知，功率因數(shù)的計算需要對采集的大量數(shù)據(jù)作FFT計算，而該方式計算的準確度在很大程度上要求采樣個數(shù)N取較大值，以降低計算誤差。若以采樣信號的一個周期20 ms為采樣時間窗的話，要增大N的值則必須提高采樣頻率。目前的選相合閘系統(tǒng)選相精度偏低很大程度上是由于采樣速率較低，造成相位計算誤差較大，當然也取決于合閘執(zhí)行器的性能及控制時間的計算等誤差大小。

但若增大采樣點的個數(shù)，即增大N值，單片機作FFT運算的工作量就會明顯增大。一般的中檔單片機對214個16位數(shù)據(jù)作FFT計算，大約需要幾十秒，甚至更長，而要提高單片機的計算速度就得減少采樣點，但這樣卻會增大計算誤差。因此增大采樣點與提高數(shù)據(jù)運算速率之間存在著矛盾。

傳統(tǒng)的選相技術(shù)在選相延時過程中，以合閘瞬間檢測瞬時相位作延時參考，再由功率因數(shù)角推算延時時間，執(zhí)行合閘。在計算相位過程中，由于計算時間較長（作FFT運算），而這段時間并能保證頻率是否會出現(xiàn)波動。若頻率存在波動，即使瞬時相位計算再準確，合閘執(zhí)行器也會出現(xiàn)較大的動作誤差。因此應(yīng)該從方式上解決這種誤差的存在。

綜觀以上問題，本文提出了一種新的解決方案：

1）選用AD轉(zhuǎn)換速率快、精度高和中斷周期短的高性能單片機作為下位機進行數(shù)據(jù)采集、存儲及合閘控制，由上位機的Windows程序進行數(shù)據(jù)處理，計算功率因數(shù)角。該方法也便于與主檢測系統(tǒng)進行融入結(jié)合。

2）在測量功率因數(shù)角時，采用現(xiàn)代數(shù)字鎖相倍頻的方法實現(xiàn)同步采樣。首先捕獲電壓零點用定時器測量信號的周期，根據(jù)倍頻數(shù)（采樣點數(shù)N）求出倍頻信號周期（采樣間隔時間），再利用定時器來產(chǎn)生倍頻信號啟動A/D轉(zhuǎn)換，進行整周期采樣。

3）單片機收到合閘命令后，為了防止頻率波動引起誤差，先采用零點檢測的方法測量實時頻率，再根據(jù)先前額定電流時測得的功率因數(shù)角計算延時時間，然后捕獲電壓零相位點，延時合閘。

1.3 硬件控制系統(tǒng)

1.3.1 單片機最小系統(tǒng)

本文選用的是C8051F060單片機，采用Cygnal公司CIP-51微控制器內(nèi)核的一款新型的高性能C51系列單片機。與傳統(tǒng)的C51單片機相比，C8051F060單片機70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期[5]。它具有59個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成兩個16位、1 Ms/s的AD轉(zhuǎn)換器，并帶有DMA控制器，可尋址64 kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口和眾多的獨立I/O端口，可以擴展大量的外部存儲器。

利用DMA方式實現(xiàn)存儲器與I/O設(shè)備之間直接進行高速數(shù)據(jù)傳送，不需要CPU的干預(yù)，及時將ADC采樣值直接寫入指定的XRAM區(qū)域。外部數(shù)據(jù)存儲器XRAM為IDT71V124SA，該芯片最大容量可擴展為128 K，本設(shè)計根據(jù)需要選用64 K。如圖3所示。

1.3.2 同步信號電路

電壓同步信號的檢測電路主要用作電壓零點的檢測以及數(shù)字鎖相倍頻的信號輸入，如圖4所示。該電路將交流電壓互感器輸出的5 V正弦信號處理成方波信號，然后連接到C8051F060單片機的外部中斷引腳INT0。反相比較器LM339輸出正負12 V的方波，經(jīng)過電位器分壓及二極管的處理變?yōu)? V與2 V交替出現(xiàn)的方波。由反向器取反后進入單片機的中斷引腳INT0。

1.3.3 合閘執(zhí)行器電路

在交流選相合閘中，傳統(tǒng)的交流接觸器、繼電器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電力設(shè)備的高要求。選相合閘技術(shù)要求合閘執(zhí)行器的線性度要好、合閘動作快且能耐大電流等性能。本文選用可控硅作為合閘執(zhí)行器，使開關(guān)動作時間達到了微秒級（1μs合0.018°相角），精度很高。執(zhí)行器回路由雙向晶閘管和阻容吸收裝置以及光耦組成，如圖5所示，反并聯(lián)的兩個晶閘管門極分別接在光耦的兩個輸出端上，為了避免執(zhí)行器的誤動作產(chǎn)生，同時由單片機的兩個引腳來控制合閘命令，P2.0引腳電平取反，與P2.1引腳電平作“與非”處理后作為光耦的控制信號，只有P2.0為低電平、P2.1為高電平時，光耦才會導通，保證執(zhí)行器動作的可靠性。另外在電源端加入阻容吸收，這樣是為了消除電源電壓突變時晶閘管的失控現(xiàn)象。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路Fig.3 Circuit diagram of single-chip computer

圖4 電壓同步信號電路Fig.4 Circuit diagram of synchronous voltage

圖5 合閘執(zhí)行器電路Fig.5 Circuit diagram of executive device

1.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計分為C8051F060單片機采集、通訊程序和Windows程序的設(shè)計。

在斷路器的檢測實驗中，功率因數(shù)角的測量要在做額定電流實驗時完成。交流采樣時，將兩個ADC設(shè)在單端方式和由外部信號啟動轉(zhuǎn)換方式，且配置為同時采樣，由電壓同步信號經(jīng)數(shù)字倍頻后由引腳P0.4輸出周期為采樣頻率的方波，由方波的下降沿啟動ADC0和ADC1進行電壓、電流信號的采集，同時采集的數(shù)據(jù)通過DMA方式直接存儲到存儲芯片IDT71V124SA中，保證了ADC的高速采集。ADC0和ADC1啟動信號的外部輸入端分別為CNVSTR0和CNVSTR1。

1.4.1 單片機程序設(shè)計

1）數(shù)字鎖相倍頻

同步采樣由數(shù)字鎖相倍頻技術(shù)來實現(xiàn)，硬件電路極其簡單，使用方便，便于模塊化設(shè)計，非常適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

數(shù)字倍頻利用C8051F060單片機內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。如圖3所示，外部輸入信號從P0.2/INT0引腳輸入，經(jīng)過鎖相倍頻后的信號從P0.4引腳輸出。具體實現(xiàn)方法如下：

①利用INT0信號的電平變化和定時器T2實現(xiàn)輸入信號周期測定：置定時器T2為向上計數(shù)方式，即令TnEX=1，在INT0下降沿到來之際，啟動定時器T2開始對內(nèi)部時鐘（時鐘頻率）進行計數(shù)，在下一個INT0下降沿到來之后，關(guān)閉定時器T2，讀取計數(shù)值M，并啟動下一次定時過程。輸入信號周期為M/fclk；

②設(shè)倍頻數(shù)為N，則倍頻輸出信號周期為M/N×fclk；

③利用定時器T3實現(xiàn)倍頻方波信號輸出：置定時器T3為自動重裝向下計數(shù)方式，對內(nèi)部時鐘進行計數(shù)，計數(shù)初值為（M/2N）。定時結(jié)束產(chǎn)生中斷，并在中斷服務(wù)程序中使P0.4輸出引腳反相，即兩次定時中斷產(chǎn)生一個完整的輸出信號周期。鎖相倍頻的程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)字鎖相倍頻流程圖Fig.6 Block diagram of phase-locked and frequency multiplication

輸出信號不僅要倍頻，而且應(yīng)與輸入信號同相，即在輸入信號的下降沿時刻應(yīng)同時出現(xiàn)倍頻輸出信號的下降沿。同步以一個輸入信號周期為時段，在輸入信號每個上升沿時刻，啟動定時器T1并使P0.4輸出高電平，而在定時器T3產(chǎn)生了（2N-1）個定時中斷之后，關(guān)閉定時器T3，并使P0.4輸出低電平，等待下一個時段的同步時刻。

2）選相控制

選擇T4作為延時觸發(fā)事件的基準源，定時中斷進行選相合閘。C8051F060單片機系統(tǒng)時鐘是25 MHz，該定時器4為16位計數(shù)定時器，以系統(tǒng)時鐘12分頻作為時鐘源，設(shè)置為向下計數(shù)，為零時產(chǎn)生中斷，進入中斷程序，定時器4每隔（12/25）μs計數(shù)減1，直至觸發(fā)時間到后實現(xiàn)選相控制。如選相角為q°，可計算出滯后電源電壓零相位的時間t=（q/360）·T，其中T為電壓周期，在計算延時時間前需檢測，T4初值N的計算方法如下：

實現(xiàn)方法是：電源電壓為零相位時，系統(tǒng)自動產(chǎn)生中斷，根據(jù)設(shè)定好的合閘相角由式（3）計算出N并賦給T4。計時到時產(chǎn)生中斷，當合閘命令信號為高電平時，輸出控制信號，實現(xiàn)選相合閘，即令P2.0為低電平、P2.1為高電平，如圖5所示。

1.4.2 Windows程序設(shè)計

Windows程序采用LabVIEW軟件進行編程。

其中FFT變換程序如圖7所示，電壓、電流采樣數(shù)據(jù)由文本文件讀取，分別進行FFT變換，最后計算出功率因數(shù)角。

另外，主程序采用485串口協(xié)議與下位機進行通訊，可進行遠程控制合閘。

1.5 選相精度

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實際采集速率為819.2 k，一個周期采樣點數(shù)為214個，在功率因數(shù)角的算法上進一步減小了誤差。另外，本系統(tǒng)所選合閘執(zhí)行器為微秒級動作開關(guān)。經(jīng)實驗，本系統(tǒng)選相精度在幾微秒左右，精度很高。

2 結(jié)束語

圖7 FFT變換程序Fig.7 Program of FFT

目前，微處理器被廣泛的應(yīng)用于交流選相技術(shù)的研究當中，但由于微處理器的性能以及選相控制方式的不同，使得初始相位的計算結(jié)果及選相精度存在一定的誤差。本文從提高相位計算精度出發(fā)，采用高速采樣的高性能單片機進行數(shù)據(jù)采集；另外，在合閘時，以電壓零相位取代瞬時相位作延時參考，避免了在瞬時相位計算過程中由頻率波動引起的誤差。在功率因數(shù)角的計算上，采用FFT變換，由上位機進行數(shù)據(jù)處理以取代單片機的計算，解決了由單片機對大量采樣數(shù)據(jù)進行FFT計算造成的嚴重耗時問題。通過實驗，可以看出這種方法大大提高了功率因數(shù)角的測算精度，提高了選相合閘的準確度。

[1]杜太行，弭艷芝，劉鑫，等.斷路器瞬動特性檢測技術(shù)的研究[J].電工技術(shù)雜志，2003（8）：36-39.DU Tai-hang，MI Yan-zhi，LIU Xin，et al.The study of test technology on breaker’s instantaneous characteristic[J].Electrical Technology Magazine，2003（8）：36-39.

[2]杜太行，王曉義，曲炳鋒，等.塑料外殼式斷路器瞬動校驗電流選相合閘技術(shù)[J].低壓電器，2008（7）：50-53.DU Tai-hang，WANG Xiao-yi，QU Bing-feng，et al.The technology of phase selection making in the test of moulded case[J].Low Voltage，2008（7）：50-53.

[3]XIE Ming，DING Kang.Correction for frequency，amplitude and phase in FFT of harmonic signal[J].Mechanical System and Signal Processing，1996，10（2）：211-221.

[4]陳培穎，杜太行，弭艷芝，等.交流電器選相分合閘的控制技術(shù)[J].低壓電器，2004（4）：25-28.CHEN Pei-ying，DU Tai-hang，MI Yan-zhi，et al.Control technology of phase selection of AC eleetrical apparatus[J].Low Voltage，2004（4）：25-28.

[5]潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機應(yīng)用解析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.