基于DSP的低壓配變監(jiān)控單元的硬件設(shè)計(jì)

邵 軍

（江蘇廣播電視大學(xué)昆山學(xué)院，江蘇 昆山 215300）

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求已經(jīng)不僅僅滿足于有電用，良好的供電質(zhì)量和服務(wù)水平，成為社會(huì)對(duì)供電企業(yè)要求的重要部分。在電力管理發(fā)展過(guò)程中，原來(lái)以拉閘限電為目的的負(fù)荷控制正逐漸向用電管理方向過(guò)渡，電力企業(yè)為提高供電質(zhì)量和服務(wù)水平，需要有一套完善的用電側(cè)電能管理系統(tǒng)，對(duì)與用戶直接相關(guān)的低壓電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握低壓配電網(wǎng)運(yùn)行的情況，適時(shí)根據(jù)供電需求的增長(zhǎng)調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位電網(wǎng)故障，發(fā)現(xiàn)異常供電和異常線損，杜絕供電隱患。

1 低壓配變監(jiān)控單元的硬件組成和工作原理

低壓配變監(jiān)控單元是一種廣泛用于配變中低壓出線、變電站、發(fā)電廠開(kāi)關(guān)柜及各種電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的智能型綜合電量監(jiān)測(cè)裝置。由電源部分、數(shù)據(jù)采集部分、輸出控制部分、數(shù)據(jù)處理部分、看門狗電源監(jiān)視部分、存儲(chǔ)部分、時(shí)鐘部分和通訊部分組成。低壓配變監(jiān)控單元在工作時(shí)，對(duì)所選線路的三相電壓、三相電流分別采樣后，經(jīng)過(guò)電壓和電流傳感器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，再由A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，送到DSP 進(jìn)行處理，DSP 將處理過(guò)的數(shù)據(jù)根據(jù)需要送至存儲(chǔ)部分或通訊部分；低壓配變監(jiān)控單元同時(shí)還可以采集配變的油溫和環(huán)境溫度等直流量和線路上開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果根據(jù)需要送至存儲(chǔ)部分或通訊部分；也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要發(fā)送控制信號(hào)到控制輸出部分對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)刀閘進(jìn)行開(kāi)和合的控制。

硬件組成的原理框圖見(jiàn)圖1：

2 電源部分

來(lái)自配變低壓側(cè)三相電壓中的其中一相220V/100V 交流電壓經(jīng)過(guò)定制的變壓器產(chǎn)生交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)橋式全波整流電路生成24V電壓，24V 電壓經(jīng)由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路DC/DC 轉(zhuǎn)換成低壓配變監(jiān)控單元部分器件可用的5V直流電壓，5V 直流電壓再經(jīng)LDO 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為供DSP、存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路工作的3.3V 直流電壓。

為了提高電源部分的抗干擾性能，在電源電路中增加了抗浪涌管和高頻磁珠，并且電源的電路單獨(dú)放在一塊電路板上。

3 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分分為模擬量的采集、直流量的采集和開(kāi)入量的采集。模擬量采集電路包括交流信號(hào)衰減、隔離和信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。考慮到交流信號(hào)衰減部分應(yīng)盡量減小頻率失真，所以沒(méi)有采用電容衰減形式，而是采用了電壓和電流互感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，電壓和電流互感器同時(shí)也起到了隔離的作用，避免外界強(qiáng)干擾破壞低壓配變監(jiān)控單元的內(nèi)部電路。電壓和電流互感器二次側(cè)的三相交流電壓、電流經(jīng)過(guò)16位的A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為DSP 可以識(shí)別的0～3.3V的單極性信號(hào)進(jìn)行處理。為了達(dá)到采樣電壓電流的同步，這里使用的A/D 轉(zhuǎn)換電路為CRYSTAL 公司的CS5451，其接口對(duì)電流用電流互感器，對(duì)電壓用電壓互感器。

直流量采集電路是將變壓器的油溫或外部其他的量進(jìn)行轉(zhuǎn)換來(lái)的0～5V的直流信號(hào)，通過(guò)分壓電路生成DSP 可以識(shí)別的0～3.3V的電壓信號(hào)來(lái)處理的。

開(kāi)入量的采集是將現(xiàn)場(chǎng)主接點(diǎn)的狀態(tài)或負(fù)荷開(kāi)關(guān)的位置等采用無(wú)源方式經(jīng)過(guò)光電隔離電路轉(zhuǎn)換為DSP 可以識(shí)別的0～3.3V的電平信號(hào)進(jìn)行外部事件的記錄。采用光電隔離，避免外界干擾破壞低壓配變監(jiān)控單元的內(nèi)部電路。

4 輸出控制部分

輸出控制電路是DSP 根據(jù)需要將信號(hào)輸出到CPLD，經(jīng)過(guò)CPLD 解析后再經(jīng)過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)無(wú)火花、易驅(qū)動(dòng)、體積小的固態(tài)繼電器，從而控制繼電器的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)控制外部電路的。

5 DSP 數(shù)據(jù)處理部分

由于對(duì)各種電參數(shù)的測(cè)量和諧波分析不僅需要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行高速采樣，而且還需要大量的實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)CPU的運(yùn)算速度要求非常高，普通的單片機(jī)難以勝任，因此低壓配變監(jiān)控單元的CPU 采用DSP。本次設(shè)計(jì)使用的DSP 是TI 公司的一款性價(jià)比較高的芯片TMS320LF2407，該芯片是一種高性能的16位定點(diǎn)DSP，供電電壓為3.3V，減小了電路的功耗；該定點(diǎn)運(yùn)算芯片執(zhí)行速度40 MIPs，單指令周期25ns，提高了實(shí)時(shí)控制能力；該芯片具有豐富的片內(nèi)資源，10位16 通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到500ns，同步串口和異步串口及CAN 模塊等都大大方便了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程；該芯片還具有6 個(gè)八位標(biāo)準(zhǔn)I/O 口，與PWM 輸出腳復(fù)用引腳輸入輸出數(shù)字量，可以控制很多的輸入輸出信號(hào)。

6 看門狗電源監(jiān)視部分

為了提高低壓配變監(jiān)控單元運(yùn)行的穩(wěn)定性，使用了MAX706 看門狗電路，可以在DSP芯片受到強(qiáng)烈的外部干擾，其內(nèi)部工作的寄存器發(fā)生非程序控制的變化，使程序運(yùn)行的邏輯發(fā)生錯(cuò)誤，不按照正常設(shè)計(jì)的程序流程工作時(shí)，使用看門狗對(duì)DSP 進(jìn)行復(fù)位，使得低壓配變監(jiān)控單元重新運(yùn)行。

7 存儲(chǔ)部分

存儲(chǔ)部分考慮到用戶需要?dú)v史數(shù)據(jù)較多的需要，采用了結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大、接口簡(jiǎn)單、操作方便的三片串行EEPROM 24C256與DSP的I/O 引腳直接相連，可以同時(shí)存儲(chǔ)三個(gè)月的整點(diǎn)數(shù)據(jù)（電流、電壓、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電能量等）和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以存儲(chǔ)電壓配變監(jiān)控單元所用的系統(tǒng)參數(shù)。

8 時(shí)鐘部分

時(shí)鐘部分的電路是采用帶I2C 總線接口的日歷時(shí)鐘芯片PCF8583T 與DSP的I/O 引腳直接相連，為了使得日歷時(shí)鐘在掉電的情況下時(shí)間不丟失，設(shè)計(jì)電路時(shí)配置了備用電池供電。但是在不掉電的情況下，PCF8583T由3.3V 電源供電。

9 通訊部分

通訊部分的電路是利用DSP 內(nèi)置的串行通信接口SCI 與RS232 和RS485 接口芯片MAX202EESE 和MAX485EESE 共同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于DSP 內(nèi)置的串行通信接口只有一組，所以RS232 和RS485 共用DSP 端的收發(fā)信號(hào)。使用RS232 和RS485 接口可以實(shí)現(xiàn)低壓配變監(jiān)控單元與后臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)低壓配變監(jiān)控單元之間的聯(lián)網(wǎng)。DSP 自帶的CAN 總線通信內(nèi)置接口簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，可以直接聯(lián)網(wǎng)通信。

10 低壓配變監(jiān)控單元的功能

低壓配變監(jiān)控單元采用先進(jìn)的高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP，可以對(duì)三相交流電信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算處理，各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、電能量統(tǒng)計(jì)、故障監(jiān)測(cè)、通信等功能。可以單獨(dú)使用，也可與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)及供用電在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)配合使用，形成完整的電力自動(dòng)化應(yīng)用解決方案。

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[2]黃正瑾.CPLD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社.2003

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