DSP與無線通信的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計

摘要：針對目前電力系統(tǒng)故障錄波器中缺少無線通信的缺陷，設(shè)計出一種結(jié)合DSP與無線通信模塊的電力系統(tǒng)故障錄波器。分析了系統(tǒng)運行原理以及無線通信模塊在電力系統(tǒng)故障錄波器中的應(yīng)用方法，介紹了電力系統(tǒng)故障錄波器的硬件設(shè)計和軟件流程，并驗證了無線通信模塊應(yīng)用在電力系統(tǒng)故障錄波器的可行性。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；故障錄波器；TMS320F2812；SZ05；無線通信模塊

引言
    電力系統(tǒng)錄波器是一種長期應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，用來監(jiān)視電力系統(tǒng)運行狀況的一種自動記錄裝置。它可以記錄系統(tǒng)正常和非正常狀況下系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的變化，以及電力系統(tǒng)故障情況下系統(tǒng)頻率、有功功率、無功功率的全過程變化。其所記錄的各種參數(shù)對于分析電力系統(tǒng)正常運行下電能的應(yīng)用情況起著重要的作用，而且故障階段記錄的數(shù)據(jù)對于分析電力系統(tǒng)事故發(fā)生原因，幫助尋找故障發(fā)生點，迅速處理相關(guān)故障事故，特別是分析繼電保護(hù)運作行為起著關(guān)鍵的作用。目前電力系統(tǒng)錄波器已成為電力系統(tǒng)自動化及系統(tǒng)管理的重要組成部分。
    參考文獻(xiàn)設(shè)計的是一種基于DSP的電力系統(tǒng)故障錄波器，采用以太網(wǎng)方式來控制。參考文獻(xiàn)設(shè)計的電力系統(tǒng)故障錄波器采用計算機(jī)與局域網(wǎng)相結(jié)合的方法，其缺點是只能以局域網(wǎng)方式來連接，使得產(chǎn)品應(yīng)用有一定的局限性。以上兩種設(shè)計方案均須架設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)，才能實現(xiàn)其傳輸功能。本文采用基于DSP與無線通信模塊的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)1000～2000 m之間的傳輸，而且每個無線通信模塊都可以作為一個小中繼器，可以實現(xiàn)間接傳輸，進(jìn)而使傳輸距離更遠(yuǎn)。

1 系統(tǒng)運行原理
    簡單來說，電力系統(tǒng)故障錄波器是一個測量裝置，其運行原理如圖1所示。首先，電網(wǎng)的各項電壓、電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號。之后，由檢測部分的電壓、電流傳感器對電網(wǎng)三相電壓、電流等基本參數(shù)進(jìn)行實時檢測，所測的6路模擬量傳遞給16位A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7656。DSP芯片TMS320F2812控制AD7656將6路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，利用FFT算法對電壓、電流的數(shù)字量進(jìn)行分析，提取出基波和各次諧波分量，并算出有功功率、無功功率和THD值等相關(guān)參數(shù)。最后，通過串口傳送給無線通信模塊，進(jìn)行無線通信傳輸。

    電力系統(tǒng)故障錄波器借助無線通信模塊，將分析處理后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)端主機(jī)，以便主機(jī)對整個區(qū)域的電力系統(tǒng)運行情況進(jìn)行分析。遠(yuǎn)端主機(jī)也可以發(fā)送控制命令到各個子站的傳輸模塊，由傳輸模塊再傳送到主處理器，用于控制電力系統(tǒng)錄波器的運行，包括要采集的某相電壓或電流的數(shù)據(jù)、顯示的刷新頻率、其他參數(shù)設(shè)置和工作模式等。整個系統(tǒng)的控制由一個中央主機(jī)進(jìn)行控制，這里以10個站點為例進(jìn)行說明。如圖2所示，主機(jī)通過無線通信模塊發(fā)送指令給各個站點，各個站點通過無線通信模塊接收主機(jī)的指令，然后根據(jù)指令的要求完成相應(yīng)的工作任務(wù)。DSP通過無線通信模塊將所測數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，以供主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)核心采用TMS320F2812和SZ05系列無線通信模塊。采集來的數(shù)字信號經(jīng)過DSP進(jìn)行處理，并利用RS232串口將處理后的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)到主機(jī)。
2．1 TMS320F2812及外圍電路
    TMS320F2812作為高性能的32位定點DSP芯片，具有如下特點：主頻達(dá)150 MHz，低成本、低功耗，具有高性能的處理能力，可用C／C++語言實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測控場合；具有2個事件管理器(EVA和EVB)、3個外部中斷、外設(shè)中斷允許(PIE)模塊，支持45個外設(shè)中斷。
2．1．1 TMS320F12812的時鐘電路
    有2種方法提供時鐘：一種是將外部時鐘源直接輸入X2／CLKIN引腳，X1懸空，采用已封裝晶體振蕩器；另一種是利用TMS320F2812內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路，即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一晶體來啟動內(nèi)部振蕩器?？紤]到資源利用和電路設(shè)計的簡單性，最小應(yīng)用系統(tǒng)的時鐘電路采用TMS320F2812內(nèi)部晶體振蕩器電路，具體電路如圖3所示。外部晶體的工作頻率為30 MHz，TMS320F、2812內(nèi)部具有一個可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時鐘頻率對其編程設(shè)置。

2．1．2 TMS320F2812的復(fù)位電路
    TMS320F2812的復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路，由電源器件給出復(fù)位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)XRS為低電平時，DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確，應(yīng)保證XRS為低電平并至少保持3個CLKOUT周期；上電后，該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一旦加電，其輸出電壓緊隨輸入電壓。當(dāng)輸出電壓達(dá)到啟動RESET的最小電壓(25℃時，為1．5 V)時，引腳RESET輸出低電平，并且至少保持200 ms，從而滿足復(fù)位要求。
2．1．3 TMS320F2812的供電電路
    DSP的供電要求為其內(nèi)核和I／O分別進(jìn)行供電，現(xiàn)采用電源器件TPS73HD301為DSP供電，內(nèi)核供電電壓為1．9 V，I／O口供電電壓為3．3 V。其中，Vdd供1．9 V電壓，VDDIO供3．3 V電壓，Vss接地。

2．2 供電電路
2．2．1 +3．3 V電源電路
    考慮到簡化電路和節(jié)約成本等因素，選擇LDO型的電源芯片。LDO為低壓差線性穩(wěn)壓器，與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，LDO所需輸入、輸出的壓差較低，但輸出效率較高，發(fā)熱較少。這里選用AMS1117—3．3。+3．3 V電源電路如圖4所示。用前面產(chǎn)生的+5 V電壓作為電壓輸入，輸出的固定電壓為+3．3 V。該電源系統(tǒng)的輸入、輸出均需要加電容進(jìn)行濾波，以便提供質(zhì)量較好的+3．3 V電源電壓。

2．2．2 +5 V電源
    +5 V電源選型時應(yīng)考慮器件的帶負(fù)載能力，也就是能提供的功率。根據(jù)估算，系統(tǒng)中要求+5 V電源輸出電流在1～2 A左右，由輸入+15 V降至+5 V，故選用電源管理中的DC—DC芯片。這種芯片的最大優(yōu)點是輸出電流強(qiáng)勁，輸出功率大，輸入、輸出壓差變化范圍廣，效率較高。LM2596—5是一款高效率的DC—DC電源管理芯片，開關(guān)頻率高達(dá)150 kHz，輸出最大電流達(dá)3 A，能夠滿足檢測系統(tǒng)的要求。但是應(yīng)該注意的是，此電源芯片輸出的電源紋波較大，在應(yīng)用中需對輸出電壓進(jìn)行LC濾波處理。+5 V電源電路如圖5所示。
2．3 無線通信模塊與DSP的連接電路
    本系統(tǒng)采用的是北京順舟科技SZ05系列嵌入式無線通信模塊。其集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點；可實現(xiàn)點對點、一點對多點、多點對多點之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    SZ05系列無線通信模塊數(shù)據(jù)接口包括TTL電平收發(fā)接口、標(biāo)準(zhǔn)串口RS232數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送、按照目標(biāo)地址發(fā)送模式，除可實現(xiàn)一般的點對點數(shù)據(jù)通信功能外，還可實現(xiàn)多點之間的數(shù)據(jù)通信。SZ05系列無線通信模塊分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。這3類設(shè)備具備不同的網(wǎng)絡(luò)功能：中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點只進(jìn)行本節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。無線通信模塊傳輸距離為1000～2000 m，串口速率范圍為1 200～115 200bps，頻率范圍為2．405～2．480GHz，供電壓為+5V。
    電源電路提供給無線通信模塊+5 V電壓，SZ05ZBEE無線通信模塊提供標(biāo)準(zhǔn)RS232和TTL收發(fā)兩種接口標(biāo)準(zhǔn)。RS232串口為TX、RX、GND三線工作模式；TTL為TX2、RX2兩線工作模式，TTL電平為3．3 V。這里選用RS232串口。無線通信模塊與TMS320F2812的接口電路如圖6所示。無線通信模塊的RX、TX端口與TMS320F2812的串口相連。4個輸出端口用來接指示燈，分別為DATA串口數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈、RUN系統(tǒng)運行指示燈、NET網(wǎng)絡(luò)指示燈、ALARM系統(tǒng)告警指示燈，這4個端口都外接指示燈以便用戶觀察系統(tǒng)運行情況。CENTER為中心節(jié)點端口，若此端口接低電平，則此無線模塊具有中心節(jié)點功能。DEVICE為終端節(jié)點端口，若此端口接低電平，則此無線模塊具有終端節(jié)點的功能(也就是點對點的傳輸)，無中心節(jié)點的功能。CONFIG為配置接口，其接低電平為配置無線通信模塊狀態(tài)，在這個狀態(tài)下可以配置無線通信模塊的參數(shù)。這3個端口在硬件電路設(shè)計中均留有跳帽以便功能的選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計包括無線通信模塊的配置程序、DSP的串口配置和串口發(fā)送接收程序，以及系統(tǒng)整體程序等。
3．1 無線通信模塊的配置程序
    根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要配置無線通信模塊的參數(shù)。SZ05-ZBEE無線通信模塊有3種節(jié)點類型：中心節(jié)點、中繼路由、終端節(jié)點。本系統(tǒng)中選擇終端節(jié)點的功能，通過跳線短接DEVICE端口使其變?yōu)榈碗娖?，從而將無線通信模塊設(shè)置為終端節(jié)點類型。
    配置無線模塊內(nèi)置參數(shù)的方法如下：首先打開計算機(jī)的超級終端，將其設(shè)置為波特率38400bps、數(shù)據(jù)位8、校驗NONE、停止位1、流控?zé)o；然后將CONFIG跳線短接，設(shè)備上電，進(jìn)入設(shè)備配置模式，這樣就可以配置無線通信模塊的參數(shù)了。參數(shù)配置如下：通信信道CHANNEL的頻率范圍為2．405～2．480 GHz或者是AUTO模式，這里設(shè)置為AUTO模式，即自動選擇最佳信道；網(wǎng)絡(luò)類型NET_TYPE設(shè)置為PEER對等網(wǎng)，其為非主從網(wǎng)，無中心節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)號NET_ID號設(shè)置為01；數(shù)據(jù)發(fā)送模式TX_TYPE設(shè)置為點對點式；數(shù)據(jù)類型DATA_TYPE設(shè)置為HEX(十六)進(jìn)制的發(fā)送模式；數(shù)據(jù)位DATA_BIT(即串口傳輸數(shù)據(jù))設(shè)置為8位數(shù)據(jù)+1位校驗+1位停止；串口波特率BAUD_RATE設(shè)置為115 200 bps。
3．2 DSP的串口配置和串口發(fā)送接收程序
    配置TMS320F2812，只需配置系統(tǒng)的I／O口和串口波特率。TMS320F2812有兩個串口，這里選擇SCIB串口與無線通信模塊進(jìn)行通信。

3．3 系統(tǒng)整體程序
    系統(tǒng)整體程序流程如圖7所示。主機(jī)通過無線通信模塊發(fā)送相關(guān)的指令(包括三相電壓、三相電流、頻率、諧波分析等)；DSP通過無線模塊接收主機(jī)的指令，接收完成后對指令進(jìn)行判斷，并根據(jù)指令的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理等；然后，將所測數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳送給主機(jī)，以便主機(jī)進(jìn)行整體分析。

結(jié)語
    本文設(shè)計了一種基于DSP和無線通信模塊的新型電力系統(tǒng)故障錄波器。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，運算速度快，計算精確，設(shè)備移動方便，組網(wǎng)靈活，能夠?qū)⒍鄠€小站點的電力應(yīng)用情況即時傳輸給主站以供實時分析。不過，在各種惡劣場合的應(yīng)用狀況還有待進(jìn)一步測試。