DSP在變電站綜合自動(dòng)化系統中的應用

摘要：采用了TI公司的DSP芯片TMS320F2812及整體全分散式的設計思想，介紹了硬件電路設計和軟件實(shí)現的功能，以實(shí)現對變電站的各種模擬量、數字量及控制過(guò)程進(jìn)行高速實(shí)時(shí)的數據采集，參數計算，電能質(zhì)量分析，故障判斷處理，以及多種信息的eCAN總線(xiàn)高效傳輸等功能，最終大大提高了變電站綜合自動(dòng)化系統的整體性能。
關(guān)鍵詞：DSP；變電站；綜合自動(dòng)化；繼電保護；電能質(zhì)量分析

引言

變電站綜合自動(dòng)化系統是將變電站的二次設備經(jīng)過(guò)功能組合和優(yōu)化設計，綜合利用先進(jìn)的多種學(xué)科技術(shù)，集成于一體的自動(dòng)化系統^[2][4]。從系統的結構看，全分散式的設計思想越來(lái)越顯現出優(yōu)越性。由于變電站的數據量和信息量大，實(shí)時(shí)性要求高，則將高性能DSP應用于變電站綜合自動(dòng)化的設計方案中。其內部哈佛結構使數據空間和程序空間分離，獨立的總線(xiàn)和程序總線(xiàn)允許程序數據同時(shí)操作；具有獨特的逆尋址方式，能高效的進(jìn)行快速傅立葉變換運算降低了軟件的編寫(xiě)困難；采用內存映射方式管理I/O，能靈活方便的擴充外圍電路。

1 系統的整體結構設計

采用TI 2000系列的TMS320F2812芯片為核心處理器，整體采用全分散式結構，集監測、保護、控制、遠動(dòng)等為一體的綜合系統。系統整體結構如圖1所示：

主要保護和測控單元有：(1)線(xiàn)路保護和測控單元；(2)主變差動(dòng)和測控單元；(3)主變后備保護和測控單元；(4)電容保護和測控單元；(5)備用電源自投和測控單元；(6)電動(dòng)機保護和測控單元；(7)PT保護和測控單元；(8)中央信號單元；各個(gè)保護和測控單元分散安裝在監控室或一次設備附近，便于安裝，維護管理。監控主機發(fā)命令給各個(gè)單元和遠方調度集控中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)數據傳輸和信息交換。

2 各單元硬件電路設計

本系統各個(gè)保護和測控單元的硬件結構相似，分模擬量輸入，核心處理器，開(kāi)關(guān)量輸入、輸出，人機接口，通訊和電源模塊六大部分。系統的硬件結構如圖2所示：

2.1模擬量輸入

模擬量有線(xiàn)路電壓、電流，及其頻率，變壓器油溫、變電站室溫等等。電力系統的電壓電流信號不能直接送到A/D器件的輸入端轉換，而要先經(jīng)PT，C T(密互感器CT05)將電壓電流降低，再經(jīng)精密互感器(TV)和信號調理電路(OP07，C1，R3，R4，R5)，電位提升(R6，R7)，限幅作用(D3，D4)，限制進(jìn)入DSP的電壓范圍在0～3V。線(xiàn)路電流采集電路如圖3所示：

圖3 模數轉換前置電路

2.2 核心處理器^[3]和電源模塊

CPU選用TI公司TMS320F2812 DSP芯片，最高頻率可達150MHz。通過(guò)軟件編程可對實(shí)時(shí)采集的數字信號在短時(shí)間內進(jìn)行快速傅立葉變換，即可直接提取出所需要的各次諧波進(jìn)行計算和繼電保護，軟件和硬件的設計難度大大降低；在結構上，內部集成了豐富的外設，自帶兩組8選1 的12位A/D輸入端口，可實(shí)現并發(fā)和級聯(lián)采樣兩種模式，已很好的滿(mǎn)足實(shí)用需要，可實(shí)現真正的同步采樣，提高了采樣點(diǎn)的實(shí)時(shí)同步性；可支持eCAN(enhance Controller Area Network)，RS232，RS485，LONWORKS，以太網(wǎng)，光纜，無(wú)線(xiàn)等等多種形式的通信。指令系統采用流水線(xiàn)操作，減小了指令周期到6.67ns，大大提高了計算速度和實(shí)時(shí)性；采用內存映射方式管理I/O，能靈活方便的擴充外圍電路。在性能上，具有八級流水線(xiàn)，完全可以避免從同一地址進(jìn)行讀寫(xiě)而造成的秩序混亂。

電源采用TPS767D318電源轉換芯片實(shí)現DSP所需的1.8V，1.8VA，3.3V，3.3VA電壓，其中模擬地和數字地用小電阻或磁珠連接，防止電磁干擾。

2.3開(kāi)關(guān)量和人機對話(huà)部分

開(kāi)關(guān)量輸入、輸出部分是微機保護與外部設備的聯(lián)系部件，采用光電隔離器件，起信號隔離和電平轉換的雙重作用，主要用來(lái)接受來(lái)自外部設備的開(kāi)關(guān)量輸入號和向外部設備發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號。

人機對話(huà)部分包括按鍵（6個(gè)）、3.3V供電的液晶LCM128645ZK顯示器，打印機及信號燈、音響及語(yǔ)音報警等，利用DSP的GPIOA，B口，連接按鍵和液晶，如圖5所示：

圖4 鍵盤(pán)與液晶顯示電路

2.4通訊

該模塊實(shí)現各子系統之間，及其與監控主機之間的信息傳輸。TMS320F2812自帶1個(gè)eCAN和2個(gè)SCI和1個(gè)SPI通訊接口，可同時(shí)支持eCAN，RS-232和RS-485總線(xiàn)多種通訊形式。eCAN總線(xiàn)連接方便，而且具有優(yōu)良的錯誤處理機制及可靠的數據傳輸性能，很好的滿(mǎn)足變電站綜合自動(dòng)化的要求。

圖5 DSP與eCAN總線(xiàn)接線(xiàn)圖

3軟件主要實(shí)現的功能

3.1 測量功能

采集各個(gè)被測線(xiàn)路的電壓、電流以及頻率，及變壓器油溫和變電站室溫等模擬量信號，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變電站一次設備及報警信號、變壓器分接頭位置等數字量信號等^[3]。下面是AD電壓采集的部分程序，采用并發(fā)采樣雙序列發(fā)生器模式，對二次回路中A、B、C三相和零序的電壓電流進(jìn)行采集。

AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=1;//設置并發(fā)采樣模式

AdcRegs.ADCMAXCONV.all=0x0011;//2個(gè)雙重序列發(fā)生器(總共4個(gè))的CONV

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00=0X00;

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01=0X01;

AdcRegs.ADCCHSELSEQ3.bit.CONV08=0X02;

AdcRegs.ADCCHSELSEQ3.bit.CONV09=0X03;

……

interrupt void adc_isr(void)

{

Voltage11[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT0;//Ua

Voltage12[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT1;//Ia

……

Voltage41[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT7;//U₀

Voltage42[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT7;//I₀

if(ConversionCount=1023)

{

ConversionCount=0;

…….

FFT(s,8);//調用8點(diǎn)FFT變換完成64點(diǎn)的運算

……

}

else

ConversionCount++;

AdcRegs.ASCTRL2.bit.RST_SEQ1=1;//復位SEQ1

AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1;//清除INT_SEQ1位

PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1;//響應中斷

return;

}

3.2 保護功能

微機保護作為綜合自動(dòng)化的重要環(huán)節，主要有線(xiàn)路保護、電力變壓器保護、電容器保護、備用電源自投、電動(dòng)機保護、PT保護等^[4]。

3.3 電能質(zhì)量分析和故障判斷功能

由于輸電系統的可靠性高，發(fā)生故障的概率低，大部分的故障、異?，F象在配電系統中。系統中各種擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題又分為穩態(tài)和暫態(tài)兩類(lèi)。穩態(tài)質(zhì)量問(wèn)題以波形畸變?yōu)橹饕卣?，持續時(shí)間長(cháng)，表現為諧波、間諧波、電壓不平衡、過(guò)電壓和欠電壓。暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題以頻譜和持續時(shí)間短為特征，包括脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩類(lèi)，表現為電壓瞬變、電壓閃變、電壓驟升、驟降、短時(shí)斷電。通過(guò)主要的電量參數(U，I，f，Kw，KVA，Kvar)來(lái)完成復雜的系統測試。電量參數包括最大/最小水平、電量、功率因數的四象限測量、1-63次的電網(wǎng)諧波分析、電壓電流波形分析、中線(xiàn)電壓和電流分析和供電變壓器的分析。利用此分析結果作為判斷各種故障的依據，去執行控制和遠動(dòng)單元相應部件動(dòng)作，提高了準確度，縮短了故障恢復時(shí)間。

4結論

變電站大數據量的特征，使得32位專(zhuān)用定點(diǎn)數字信號處理芯片DSP應用于本系統成為必然，外部硬件電路簡(jiǎn)化、接口干擾大大降低，性能相對穩定，同時(shí)還實(shí)現了真正意義的信號同步采集，補償功率^[1]的同時(shí)引入了全面電能質(zhì)量分析功能，故障排除的時(shí)間大大縮短，從整體上降低了經(jīng)濟損失，將具有廣泛的現實(shí)應用意義。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是將32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812應用在變電站綜合自動(dòng)化系統中，并引入了電能質(zhì)量分析理論，對電壓、電流信號的奇次諧波進(jìn)行了全面分析，提高了控制部件動(dòng)作準確度的同時(shí)縮短了故障恢復時(shí)間，相應就提高了變電站綜合自動(dòng)化系統的性能。

參考文獻

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