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)字信號處理器作為CPU系統(tǒng),，以TMS320LF2407 DSP為中心,，對各硬件部分進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了開關(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,，完成整個系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),。

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

　　我國發(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,，往往會造成長時間的停電，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)生了某種故障問題時,，會導(dǎo)致系統(tǒng)此時此刻采集得到的線路電壓、電流或者頻率等信號數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)生改變,。監(jiān)控系統(tǒng)將對變化的信號進(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。在對這個線路故障問題進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的定位后,，系統(tǒng)將控制相應(yīng)的電力線路中的開關(guān)進(jìn)行分閘或者合閘動作,，對存在問題的電力線路區(qū)域予以快速的隔離，同時恢復(fù)沒有發(fā)生故障的線路區(qū)域的正常穩(wěn)定的供電（這些沒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,，系統(tǒng)還通過一定的通信方式,，與遠(yuǎn)方主站時刻保持聯(lián)系，記錄并上報(bào)該線路故障的發(fā)生及處理情況，隨時接收并執(zhí)行來自遠(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)字信號處理器DSP，負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)程序,，對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析處理,；（2）開關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出模塊，負(fù)責(zé)反饋開關(guān)狀態(tài),，并執(zhí)行DSP發(fā)出的指令,，對各開關(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模塊,，采集電力線路中的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)值，并對這些模擬信號值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行識別處理,；（4）日歷時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊,、通信模塊和電源模塊,。

　　本文選用的DSP是美國德州儀器公司的TMS320LF2407 DSP。

　　2.2 開關(guān)量輸出模塊

　　當(dāng)DSP經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理后,，輸出模塊輸出8個開關(guān)量信號,，控制4路繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)跳閘或者合閘操作,。開關(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輸出兩個開關(guān)信號,，經(jīng)過74HC273芯片鎖存,，這兩個開關(guān)信號變?yōu)镼0和Q1，經(jīng)過光電隔離后,，通過這兩個信號高低電平的組合,，實(shí)現(xiàn)對繼電器的開關(guān)控制。當(dāng)且僅當(dāng)Q0是高電平,，Q1是低電平時,，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)通過一級互感器測得電壓信號和電流信號，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,，既符合測量要求，同時線性好,、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，再將此信號輸入到雙極性運(yùn)算放大器,，進(jìn)行電平提升,，IN+信號成為數(shù)值范圍為0~5 V的交流信號，隨后信號將被傳輸?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)簡潔、操作簡單,、實(shí)時性強(qiáng),、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),，當(dāng)系統(tǒng)需要的時候,，可以隨時就近選擇合適的節(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個通道的異步通信擴(kuò)展。兩個芯片供電電壓均為3.3 V,，通過數(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74LV138譯碼,，作為TL16C754B的片選信號,，對4路通道進(jìn)行選擇；4路通道的終端信號經(jīng)過或門后,，由TMS320LF2407通過外部中斷引腳XINT1接收,，由此判斷TL16C754B是否完成數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送；片選信號和DSP地址信號A0,、A1,、A2讀取芯片4路通道中斷識別寄存器的數(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,；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，分層次,，采取總分結(jié)構(gòu),，分模塊設(shè)計(jì)，簡單明了,；程序語言采用可讀性強(qiáng)的C語言與匯編語言相結(jié)合,，便于后期維護(hù)調(diào)試。

　　按照以上原則,，對系統(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）,，并從日歷時鐘模塊中調(diào)取當(dāng)前時間數(shù)據(jù)參數(shù)，從數(shù)據(jù)存儲模塊中調(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，通過故障判斷定位算法計(jì)算,，得出線路是否發(fā)生故障,。無故障，則返回,，進(jìn)入下一個循環(huán),；有故障，則根據(jù)算法計(jì)算結(jié)果,，控制開關(guān)量,，進(jìn)行分合閘操作，完成對線路故障的隔離,，恢復(fù)非故障線路的供電,。整個系統(tǒng)動作過程都通過通信模塊與遠(yuǎn)方配電主站保持通信,，上報(bào)故障，并隨時接收來自遠(yuǎn)方的命令,，進(jìn)行相關(guān)操作,。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)記錄都保存在數(shù)據(jù)存儲模塊中。

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