摘  要： 研究并設(shè)計(jì)了電力線路饋線監(jiān)控系統(tǒng)，選用數(shù)字信號(hào)處理器作為CPU系統(tǒng)，以TMS320LF2407 DSP為中心，對(duì)各硬件部分進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊，給出了相應(yīng)的硬件接口圖。最后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號(hào)處理器；TMS320LF2407；模塊設(shè)計(jì)

　　我國(guó)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量已經(jīng)排名世界第二，但是在配電方面仍舊存在許多問(wèn)題，特別是在10 kV及其以下的配電網(wǎng)中，一旦發(fā)生電力線路故障，往往會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的停電，直接導(dǎo)致供電可靠性降低，電能質(zhì)量不高。作為配電自動(dòng)化的關(guān)鍵，電力線路饋線監(jiān)控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到電力供應(yīng)可靠性的高低，也關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化。本文研究與設(shè)計(jì)的電力線路饋線監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高配電網(wǎng)供電可靠性，達(dá)到為電力用戶提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、可靠的電力資源的目的。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　當(dāng)電力線路突然發(fā)生了某種故障問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)此時(shí)此刻采集得到的線路電壓、電流或者頻率等信號(hào)數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)生改變。監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)變化的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)一步判斷線路故障發(fā)生的位置和線路故障的所屬類型。在對(duì)這個(gè)線路故障問(wèn)題進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的定位后，系統(tǒng)將控制相應(yīng)的電力線路中的開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘或者合閘動(dòng)作，對(duì)存在問(wèn)題的電力線路區(qū)域予以快速的隔離，同時(shí)恢復(fù)沒(méi)有發(fā)生故障的線路區(qū)域的正常穩(wěn)定的供電（這些沒(méi)有故障的線路上的電壓、電流、頻率和功率等電力線路運(yùn)行參數(shù)值基本恢復(fù)到正常范圍內(nèi)）。在系統(tǒng)進(jìn)行上述監(jiān)控操作的同時(shí)，系統(tǒng)還通過(guò)一定的通信方式，與遠(yuǎn)方主站時(shí)刻保持聯(lián)系，記錄并上報(bào)該線路故障的發(fā)生及處理情況，隨時(shí)接收并執(zhí)行來(lái)自遠(yuǎn)方主站的各種控制命令。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)硬件總體框架設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成，如圖2所示。（1）數(shù)字信號(hào)處理器DSP，負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)程序，對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析處理；（2）開(kāi)關(guān)量輸入模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊，負(fù)責(zé)反饋開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并執(zhí)行DSP發(fā)出的指令，對(duì)各開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘或者合閘操作；（3）模擬量輸入模塊、A/D采樣模塊和頻率檢測(cè)模塊，采集電力線路中的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)值，并對(duì)這些模擬信號(hào)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行識(shí)別處理；（4）日歷時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊和電源模塊。

　　本文選用的DSP是美國(guó)德州儀器公司的TMS320LF2407 DSP。

　　2.2 開(kāi)關(guān)量輸出模塊

　　當(dāng)DSP經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理后，輸出模塊輸出8個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，控制4路繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)跳閘或者合閘操作。開(kāi)關(guān)量輸出電路示意圖如圖3所示，以一路繼電器控制為例，DSP輸出兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)74HC273芯片鎖存，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變?yōu)镼0和Q1，經(jīng)過(guò)光電隔離后，通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)高低電平的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)且僅當(dāng)Q0是高電平，Q1是低電平時(shí)，繼電器合閘；其他任何組合，繼電器都是分閘。

　　2.3 模擬量輸入模塊

　　在模擬量輸入模塊中，系統(tǒng)通過(guò)一級(jí)互感器測(cè)得電壓信號(hào)和電流信號(hào)，電壓有效值在0~100 V內(nèi)，電流有效值在0~5 A內(nèi)，然后分別經(jīng)過(guò)電壓變換器和電流變換器的轉(zhuǎn)換后，變?yōu)? V以內(nèi)的交流電壓量，隨后傳輸給A/D采樣模塊。這里選用的電流變換器是10 A/3.53 V，電壓變換器是120 V/3.53 V。這兩種規(guī)格的變換器，既符合測(cè)量要求，同時(shí)線性好、精度高，可以保證模塊電路達(dá)到較高的線性度，從而能夠靈敏地反映出電力線路的運(yùn)行狀況。當(dāng)模擬信號(hào)輸入到電流電壓變換器后，輸出最大幅值為5 V的交流信號(hào)，再將此信號(hào)輸入到雙極性運(yùn)算放大器，進(jìn)行電平提升，IN+信號(hào)成為數(shù)值范圍為0~5 V的交流信號(hào)，隨后信號(hào)將被傳輸?shù)紸/D采樣模塊進(jìn)行后期處理。如此設(shè)計(jì)模擬量輸入電路使得變換器帶負(fù)載能力得到了一定提升。模擬量輸入模塊的電路原理圖如圖4所示。

　　2.4 通信模塊

　　通信模塊為多路通信設(shè)計(jì)，由1路CAN通信和5路RS-232C通信組成。

　　CAN總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)候，可以隨時(shí)就近選擇合適的節(jié)點(diǎn)傳輸信息，只要信息出現(xiàn)在了總線中，那么隨意的一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以選擇接收這些信息，進(jìn)行使用。

　　DSP芯片TMS320LF2407中包含有一個(gè)SCI模塊，它的運(yùn)行方式是串行通信，該模塊的存在，保證了DSP能夠跟其他異步外部設(shè)備進(jìn)行通信聯(lián)系。通常情況下，每個(gè)SCI模塊控制1路RS-232C通信，因此需要進(jìn)行通信擴(kuò)展，這里選用的是高速串口通信芯片TL16C754B。圖5給出了TL16C754B與TMS320LF2407的接口電路圖。其實(shí)現(xiàn)4個(gè)通道的異步通信擴(kuò)展。兩個(gè)芯片供電電壓均為3.3 V，通過(guò)數(shù)據(jù)總線D0~D7相連；DSP地址線A0、A1、A2和TL16C754B的地址線A0、A1、A2進(jìn)行連接，TL16C754B的內(nèi)部寄存器通過(guò)這些連接進(jìn)行相關(guān)選擇；DSP的地址線A13、A14、A15，I/O空間選通線經(jīng)過(guò)74LV138譯碼，作為TL16C754B的片選信號(hào)，對(duì)4路通道進(jìn)行選擇；4路通道的終端信號(hào)經(jīng)過(guò)或門后，由TMS320LF2407通過(guò)外部中斷引腳XINT1接收，由此判斷TL16C754B是否完成數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送；片選信號(hào)和DSP地址信號(hào)A0、A1、A2讀取芯片4路通道中斷識(shí)別寄存器的數(shù)據(jù)，判斷哪路通道發(fā)生中斷并斷定其中斷類型，由CPU進(jìn)行后期處理。TL16C754B的CLKSEL和INTSEL引腳均接高電平，并將波特率預(yù)分頻值設(shè)置為1，允許產(chǎn)生中斷。接口電路圖中，僅以A通道與MAX232的連接電路，其他3路通道連接電路可以同理畫出。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)力求達(dá)到以下目標(biāo)：總體上，所設(shè)計(jì)的軟件要周密、完善、可靠，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的各種正常與非正常狀態(tài)，可能發(fā)生的意外都有所考慮，并能夠合理應(yīng)對(duì)；在宏觀上，所設(shè)計(jì)的軟件可讀性強(qiáng)，便于維護(hù)、修改完善，力求通過(guò)不斷的調(diào)試，使軟件設(shè)計(jì)臻于完美；在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，分層次，采取總分結(jié)構(gòu)，分模塊設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單明了；程序語(yǔ)言采用可讀性強(qiáng)的C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結(jié)合，便于后期維護(hù)調(diào)試。

　　按照以上原則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序總體框架設(shè)計(jì)，軟件總體流程圖如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)上電（復(fù)位）后，系統(tǒng)按順序?qū)ζ瑑?nèi)外設(shè)、外圍通信模塊等進(jìn)行初始化操作（DSP系統(tǒng)初始化、I/O端口初始化、事件管理器初始化和通信初始化等），并從日歷時(shí)鐘模塊中調(diào)取當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)參數(shù)，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中調(diào)取系統(tǒng)運(yùn)行所需的整定值、參數(shù)量、先前故障記錄。上述操作后，開(kāi)啟中斷進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集，采集完成后輸入到DSP中，通過(guò)故障判斷定位算法計(jì)算，得出線路是否發(fā)生故障。無(wú)故障，則返回，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；有故障，則根據(jù)算法計(jì)算結(jié)果，控制開(kāi)關(guān)量，進(jìn)行分合閘操作，完成對(duì)線路故障的隔離，恢復(fù)非故障線路的供電。整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程都通過(guò)通信模塊與遠(yuǎn)方配電主站保持通信，上報(bào)故障，并隨時(shí)接收來(lái)自遠(yuǎn)方的命令，進(jìn)行相關(guān)操作。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄都保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。

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