基于TMS320LF2407的饋線終端裝置設(shè)計(jì)

1引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，10 kV配電網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，配電線路越來越多，怎樣監(jiān)測(cè)和控制配電線路，保證配電網(wǎng)供電安全和穩(wěn)定可靠運(yùn)行成為配電自動(dòng)化的關(guān)鍵。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的基礎(chǔ)，而作為饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中核心設(shè)備的饋線終端裝置則成為配電自動(dòng)化系統(tǒng)成功實(shí)施的關(guān)鍵。饋線終端裝置簡(jiǎn)稱FTU(Feeder Terminal Unit)[1]，安裝在10 kV饋電線路上,對(duì)柱上開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，完成遙測(cè)、遙控、遙信，故障檢測(cè)功能，并與配電自動(dòng)化主站通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行情況和各種參數(shù)即監(jiān)測(cè)控制所需信息，包括開關(guān)狀態(tài)、電能參數(shù)、相間故障、接地故障以及故障時(shí)的參數(shù),并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電功能。

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP技術(shù)，以TI公司的TMS320LF2407為主控制器，完成饋線終端單元的研究與設(shè)計(jì)。TMS320LF2407采用3.3 V電壓供電，減少了控制器的功耗，40 MI/s的執(zhí)行速度，32 K×16位的片內(nèi)程序Flash。2.5 K×16位的程序/數(shù)據(jù)片內(nèi)RAM,還具有PWM通道、捕獲單元、A/D轉(zhuǎn)換器、4級(jí)的流水線技術(shù)和專門的16位硬件乘法器，處理速度高。適用于處理大運(yùn)算量的實(shí)時(shí)任務(wù)。TMS320LF2407內(nèi)部集成了大量系統(tǒng)資源，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)將FTU分為上、下兩層板。下層是信息采集和控制板，包括PT、CT、光電耦合器、控制繼電器、串口電平轉(zhuǎn)換器等組成的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)控制和通信等模塊；上層是CPU板，包括DSP、鎖存器等組成的數(shù)據(jù)處理、開關(guān)量輸入、輸出等模塊。這樣FTU結(jié)構(gòu)具有層次化、模塊化，抗干擾性強(qiáng)并且方便系統(tǒng)調(diào)試。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為模擬量數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤顯示模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊、電源模塊等。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.2 模擬信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換電路

模擬量輸入采用交流采樣技術(shù)。電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓和電流首先經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)一次大功率PT和CT變換成為0 V～100 V和0 A～5 A的交流電量，然后再經(jīng)過二次PT和CT變換成為0 V～5 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)過濾波處理以消除高次諧波和噪聲信號(hào)再進(jìn)行功率放大，然后送人MD轉(zhuǎn)換器。模擬信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓以及二者之間相位關(guān)系的準(zhǔn)確測(cè)量,采用了同步采樣技術(shù)。采用兩片MAX125完成模擬量輸入的同步采樣，從MAX125輸出的數(shù)據(jù)直接輸入到DSP進(jìn)行處理。MAX125是具有同步采樣功能的14位A/D轉(zhuǎn)換器，可以消除因非同時(shí)采樣引起的電流和電壓的相位差。兩片MAX125構(gòu)成的采樣電路如圖3所示。

各相電壓的模擬量輸入連接到第一片MAX125的A組的前三個(gè)通道,各相電流的模擬量輸入連接到第二片MAX125的A組的前三個(gè)通道，剩余的通道上接MAXl25的輸出參考電壓+2.5 V，用于進(jìn)行A/D自檢。兩片MAXl25的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CONVST由TMS320LF2407的定時(shí)器3中斷實(shí)現(xiàn)，兩片MAX125的轉(zhuǎn)換完成信號(hào)INT通過與非門接到TMS320LF2407的XINT2。DSP在中斷程序中從MAXl25的RAM中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。由于MAX125的數(shù)字信號(hào)為5 V電平，不能直接驅(qū)動(dòng)TMS320LF2407的3.3 V電平，因此要通過74LVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

另外本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片IS61LV6416 SRAM存儲(chǔ)器,由于TMS320LF2407是低壓器件，因此選用低電壓3.3 V供電的IS61LV6416，接線簡(jiǎn)單。一片用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另一片用作調(diào)試階段的程序存儲(chǔ)器。因?yàn)樵谘邪l(fā)調(diào)試階段，一般把程序裝載到RAM中運(yùn)行，這樣編程速度和效率都會(huì)得到提高。外部存儲(chǔ)選通采用74HC32，每個(gè)或門的兩個(gè)輸入端接
TMS320LF2407的STRB和RD、WE，如果兩者都為低電平,則讀寫選通。在調(diào)試階段IS61LV6416的片選信號(hào)CE與TMS320LF2407的PS連接，調(diào)試結(jié)束后,CE接高電平。

2.3 開關(guān)量信號(hào)輸入輸出電路

遙信輸入的信號(hào)和遙控輸出的信號(hào)都是開關(guān)量．開關(guān)量作為信號(hào)源時(shí)本身干擾比較大。本系統(tǒng)采用光電隔離去除干擾，設(shè)計(jì)8路開關(guān)量遙信輸入信號(hào)，主要對(duì)饋電線路柱上開關(guān)的當(dāng)前位置以及通信是否正常和儲(chǔ)能完成情況等重要狀態(tài)進(jìn)行采集，對(duì)饋電線路保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行遙信。開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后,直接接到DSP的：I/O口。設(shè)計(jì)3路開關(guān)量輸出控制信號(hào)，控制繼電器實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

2.4 時(shí)鐘電路

由于整個(gè)系統(tǒng)需要定時(shí)采集數(shù)據(jù)，記錄超過門限值的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)總的掉電時(shí)間，因此必須具有在線系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。本系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路模塊DS12887，DS12887具有秒、分鐘、小時(shí)、日、星期、月和年等信息，并具有閏年補(bǔ)償功能。DS12887內(nèi)部帶有128字節(jié)的非易失性RAM和鋰電池，即使外部掉電也可以保證內(nèi)部RAM內(nèi)容不會(huì)丟失和內(nèi)部時(shí)鐘工作正常[2]，這樣就保證了FTU在停電時(shí)還能繼續(xù)計(jì)時(shí)。因?yàn)門MS320LF2407的讀寫時(shí)序與DS12887的讀寫時(shí)序完全不同，所以把DS12887作為DSP的I/O地址上的存儲(chǔ)器外設(shè)，利用DSP的通用。I/O端口產(chǎn)生DS12887的片選、讀、寫、使能信號(hào)。因?yàn)镈S12887供電電壓是5 V，所以要在它和DSP之間加電壓轉(zhuǎn)換器74LVC4245。DSl2887與DSP接口電路如圖4所示。

2.5 電源電路

FTU電壓等級(jí)較多，CPU采用3.3 V電壓供電，而外圍器件大多采用5 V電壓供電。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到停電時(shí)如何工作，本設(shè)計(jì)采用了雙端電源切換電路．用蓄電池作為備用電源。正常工作時(shí)FTU電源由饋線變換提供，而故障情況時(shí)則由蓄電池供電[3]。配網(wǎng)高壓通過PT供給電源模塊220 V或100 V交流輸入，220 V/100 V交流電經(jīng)過變壓器、整流塊和三端穩(wěn)壓器后轉(zhuǎn)換為24 V直流電,輸入到充電器為蓄電池充電。24 V直流電再經(jīng)過DC-DC變換，輸出±5 V電壓供系統(tǒng)各模塊使用。另外通過AS1117器件將5 V TTL電平轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓。作為DSP的供電電源。
 
2.6 鍵盤顯示

為了便于操作并具有友好的人機(jī)接口，還設(shè)計(jì)了鍵盤和液晶顯示,用于輸入各種參數(shù)以及顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等。采用MG-12232液晶顯示模塊配合鍵盤操作，顯示相關(guān)信息，如電參量數(shù)據(jù)的顯示、參數(shù)整定、故障信息顯示等。采用DSP的數(shù)字I/O口模擬時(shí)序的硬件接口方案。通過軟件控制DSP的I/O口實(shí)現(xiàn)與慢速外設(shè)的時(shí)序匹配，硬件電路簡(jiǎn)單。

2.7 通信接口

TMS320LF2407具有一個(gè)SCI模塊，可利用該模塊方便地實(shí)現(xiàn)CPU與RS232串口之間的通信[4]。采用MAX232作為驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行串行通信。由于TMS320LF2407采用+3.3 V電源電壓供電，所以TMS320LF2407與MAX232之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用4N35低速光耦隔離器件進(jìn)行光電隔離和電平轉(zhuǎn)換控制。RS232接口主要提供一個(gè)調(diào)試接口，調(diào)試人員只需將計(jì)算機(jī)與FTU相連,就可以通過計(jì)算機(jī)的COM口讀取數(shù)據(jù)或者設(shè)置工作參數(shù)。接口電路如圖5所示。

TMS320LF20407內(nèi)部集成了CAN控制器模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)CAN總線通信翻，只需在DSP與CAN總線之間加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路即可。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在配電網(wǎng)通信中得到了越來越廣泛的使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用C語言編程，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的部分采用匯編語言,提高運(yùn)行速度。C語言開發(fā)速度快、可讀性、可移植性好，DSP匯編語言有適合FFT運(yùn)算的反轉(zhuǎn)尋址、循環(huán)尋址等指令。

系統(tǒng)軟件完成的主要功能：6路電壓、電流模擬量采集。8路開關(guān)量信號(hào)采集，3路開關(guān)量輸出控制,系統(tǒng)初始化，故障判斷,串口通信等。

3.1 系統(tǒng)主程序流程

為了實(shí)現(xiàn)FTU的功能以及硬件要求。軟件設(shè)計(jì)主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后首先初始化設(shè)置，依次對(duì)片內(nèi)的外設(shè)(事件管理器EVA、EVB、I/O端口、SCI模塊、看門狗等)進(jìn)行初始化，從DS12887中讀取當(dāng)前日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)。初始化完成后打開中斷，在中斷中進(jìn)行MD數(shù)據(jù)采集，TMS320LF2407讀數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行FIR濾波,再對(duì)DSP已經(jīng)采樣存入DSP的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算其幅度，并存入RAM。CPU對(duì)電流進(jìn)行判斷?？词欠癯^預(yù)定值，判斷是否發(fā)生故障，然后運(yùn)用故障定位算法，迅速定位故障,根據(jù)上方發(fā)出的命令進(jìn)行分合閘操作。通過通信程序?qū)崿F(xiàn)與主站的通信，主要包括數(shù)據(jù)上報(bào)、整定參數(shù)值下發(fā)等。

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊和功能子模塊三大部分組成。包括初始化模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、通信模塊、參數(shù)修改模塊等。

主程序：

3.2 基本量計(jì)算

采用14位A/D交流采樣，每個(gè)周期進(jìn)行64點(diǎn)采樣，測(cè)量計(jì)算出電流、電壓、有功功率、無功功率功率因數(shù)等。

根據(jù)采樣得到的電壓u(n)、電流i(N)，可以計(jì)算出電網(wǎng)的其他參數(shù)；功率的平均值(有功功率)、交流電壓有效值U、交流電流有效值，I、有功功率P、視在功率S、功率因數(shù)cosφ。計(jì)算公式如下：

電壓、電流有效值：

此外，由于采用了同步采樣技術(shù)，零序電流值可以由軟件求出。將每次采樣得到的三相電流數(shù)據(jù)求和即可。對(duì)于對(duì)稱電網(wǎng)來說，其值應(yīng)該為零，但實(shí)際電網(wǎng)并不是完全對(duì)稱的，因此要判斷單相接地故障，不能簡(jiǎn)單地將電流有效值和零相比較，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)定一個(gè)整定值，這一整定值可以由FTU在正常情況下的零序電流有效值加一個(gè)裕量來得到。

3.3 頻率測(cè)量

交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個(gè)周波采樣N點(diǎn)的電量值．然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔t=T/N(T為周期，N為采樣點(diǎn))，而電網(wǎng)的頻率一般都有一定的波動(dòng)，所以要不斷調(diào)整采樣間隔。

輸入信號(hào)先濾波，然后再由過零比較器LM339整形成方波信號(hào)后作為計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)。計(jì)數(shù)器在此門控信號(hào)有效時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)。計(jì)數(shù)完成后，鎖存計(jì)數(shù)值并由TMS320-LF2407讀取,再由軟件將計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)脈沖的周期,即可得到被測(cè)信號(hào)的周期。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的饋線終端裝置，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)了基于TMS320LF2407的FTU，實(shí)現(xiàn)了DSP的外圍電路，模擬量、開關(guān)量的采集電路，通信電路設(shè)計(jì)等。編寫了FTU硬件電路的軟件程序，實(shí)現(xiàn)了故障定位、隔離和供電恢復(fù)等重要功能。