采用DSP技术实现馈线终端装置的应用方案

jupitars · 发表于 2021-5-27 09:41:55

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[paragraph]1 引言

随着国民经济的迅速发展，10 kV配电网络越来越复杂，配电线路越来越多，怎样监测和控制配电线路，保证配电网供电安全和稳定可靠运行成为配电自动化的关键。在配电自动化系统中，馈线自动化是配电自动化的基础，而作为馈线自动化系统中核心设备的馈线终端装置则成为配电自动化系统成功实施的关键。馈线终端装置简称FTU（Feeder Terminal Unit），安装在10 kV馈电线路上，对柱上开关进行监控，完成遥测、遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数，并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电功能。
本系统采用先进的DSP技术，以TI公司的TMS320LF2407为主控制器，完成馈线终端单元的研究与设计。
TMS320LF2407采用3.3 V电压供电，减少了控制器的功耗，40 MI/s的执行速度，32 K×16位的片内程序Flash。2.5 K×16位的程序/数据片内RAM，还具有PWM通道、捕获单元、A/D转换器、4级的流水线技术和专门的16位硬件乘法器，处理速度高。适用于处理大运算量的实时任务。TMS320LF2407内部集成了大量系统资源，降低了系统的设计成本。
2 系统硬件设计
系统硬件设计将FTU分为上、下两层板。下层是信息采集和控制板，包括PT、CT、光电耦合器、控制继电器、串口电平转换器等组成的数据采集、数字信号控制和通信等模块；上层是CPU板，包括DSP、锁存器等组成的数据处理、开关量输入、输出等模块。这样FTU结构具有层次化、模块化，抗干扰性强并且方便系统调试。
2.1 系统的总体设计
系统主要分为模拟量数据采集和转换模块、开关量输入输出模块、通信模块、时钟模块、键盘显示模块、外扩存储器模块、电源模块等。系统组成框图如图1所示。

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2.2 模拟信号采集与转换电路
模拟量输入采用交流采样技术。电网中的电网电压和电流首先经过现场一次大功率PT和CT变换成为0 V～100 V和0 A～5 A的交流电量，然后再经过二次PT和CT变换成为0 V～5 V的电压信号，再经过滤波处理以消除高次谐波和噪声信号再进行功率放大，然后送人MD转换器。模拟信号调理电路如图2所示。

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为了实现对电流、电压以及二者之间相位关系的准确测量，采用了同步采样技术。采用两片MAX125完成模拟量输入的同步采样，从MAX125输出的数据直接输入到DSP进行处理。MAX125是具有同步采样功能的14位A/D转换器，可以消除因非同时采样引起的电流和电压的相位差。两片MAX125构成的采样电路如图3所示。

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各相电压的模拟量输入连接到第一片MAX125的A组的前三个通道，各相电流的模拟量输入连接到第二片MAX125的A组的前三个通道，剩余的通道上接MAXl25的输出参考电压+2.5 V，用于进行A/D自检。两片MAXl25的转换启动信号CONVST由TMS320LF2407的定时器3中断实现，两片MAX125的转换完成信号INT通过与非门接到TMS320LF2407的XINT2。DSP在中断程序中从MAXl25的RAM中读取转换结果，然后对结果进行实时处理。由于MAX125的数字信号为5 V电平，不能直接驱动TMS320LF2407的3.3 V电平，因此要通过74LVC4245进行电平转换。
另外本系统扩展了两片IS61LV6416 SRAM存储器，由于TMS320LF2407是低压器件，因此选用低电压3.3 V供电的IS61LV6416，接线简单。一片用作数据存储器，另一片用作调试阶段的程序存储器。因为在研发调试阶段，一般把程序装载到RAM中运行，这样编程速度和效率都会得到提高。外部存储选通采用74HC32，每个或门的两个输入端接TMS320LF2407的STRB和RD、WE，如果两者都为低电平，则读写选通。在调试阶段IS61LV6416的片选信号CE与TMS320LF2407的PS连接，调试结束后，CE接高电平。
2.3 开关量信号输入输出电路

2.4 时钟电路
由于整个系统需要定时采集数据，记录超过门限值的时间，统计总的掉电时间，因此必须具有在线系统实时时钟。本系统采用了实时时钟集成电路模块DS12887，DS12887具有秒、分钟、小时、日、星期、月和年等信息，并具有闰年补偿功能。DS12887内部带有128字节的非易失性RAM和锂电池，即使外部掉电也可以保证内部RAM内容不会丢失和内部时钟工作正常［2］，这样就保证了FTU在停电时还能继续计时。因为TMS320LF2407的读写时序与DS12887的读写时序完全不同，所以把DS12887作为DSP的I/O地址上的存储器外设，利用DSP的通用。I/O端口产生DS12887的片选、读、写、使能信号。因为DS12887供电电压是5 V，所以要在它和DSP之间加电压转换器74LVC4245。DSl2887与DSP接口电路如图4所示。

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2.5 电源电路
FTU电压等级较多，CPU采用3.3 V电压供电，而外围器件大多采用5 V电压供电。设计时要考虑到停电时如何工作，本设计采用了双端电源切换电路．用蓄电池作为备用电源。正常工作时FTU电源由馈线变换提供，而故障情况时则由蓄电池供电［3］。配网高压通过PT供给电源模块220 V或100 V交流输入，220 V/100 V交流电经过变压器、整流块和三端稳压器后转换为24 V直流电，输入到充电器为蓄电池充电。24 V直流电再经过DC-DC变换，输出±5 V电压供系统各模块使用。另外通过AS1117器件将5 V TTL电平转换为3.3 V电压。作为DSP的供电电源。
2.6 键盘显示
为了便于操作并具有友好的人机接口，还设计了键盘和液晶显示，用于输入各种参数以及显示系统运行状态等。采用MG-12232液晶显示模块配合键盘操作，显示相关信息，如电参量数据的显示、参数整定、故障信息显示等。采用DSP的数字I/O口模拟时序的硬件接口方案。通过软件控制DSP的I/O口实现与慢速外设的时序匹配，硬件电路简单。
2.7 通信接口
TMS320LF2407具有一个SCI模块，可利用该模块方便地实现CPU与RS232串口之间的通信［4］。采用MAX232作为驱动器件进行串行通信。由于TMS320LF2407采用+3.3 V电源电压供电，所以TMS320LF2407与MAX232之间需要进行电平转换，采用4N35低速光耦隔离器件进行光电隔离和电平转换控制。RS232接口主要提供一个调试接口，调试人员只需将计算机与FTU相连，就可以通过计算机的COM口读取数据或者设置工作参数。接口电路如图5所示。

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TMS320LF20407内部集成了CAN控制器模块，可以方便地实现CAN总线通信翻，只需在DSP与CAN总线之间加上相应的驱动器和适当的抗干扰电路即可。CAN总线的数据通信具有高可靠性、实时性和灵活性，在配电网通信中得到了越来越广泛的使用。
3 系统软件设计
软件采用C语言编程，对实时性要求较高的部分采用汇编语言，提高运行速度。C语言开发速度快、可读性、可移植性好，DSP汇编语言有适合FFT运算的反转寻址、循环寻址等指令。
系统软件完成的主要功能：6路电压、电流模拟量采集。8路开关量信号采集，3路开关量输出控制，系统初始化，故障判断，串口通信等。
3.1 系统主程序流程
为了实现FTU的功能以及硬件要求。软件设计主程序流程如图6所示。

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系统上电后首先初始化设置，依次对片内的外设（事件管理器EVA、EVB、I/O端口、SCI模块、看门狗等）进行初始化，从DS12887中读取当前日历时钟数据。初始化完成后打开中断，在中断中进行MD数据采集，TMS320LF2407读数据，然后进行FIR滤波，再对DSP已经采样存入DSP的信号进行运算，对各路信号进行FFT运算，计算其幅度，并存入RAM。CPU对电流进行判断。看是否超过预定值，判断是否发生故障，然后运用故障定位算法，迅速定位故障，根据上方发出的命令进行分合闸操作。通过通信程序实现与主站的通信，主要包括数据上报、整定参数值下发等。
软件采用模块化设计，由主程序模块、中断服务程序模块和功能子模块三大部分组成。包括初始化模块、数据存储模块、显示模块、通信模块、参数修改模块等。
主程序：

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3.2 基本量计算
采用14位A/D交流采样，每个周期进行64点采样，测量计算出电流、电压、有功功率、无功功率功率因数等。
根据采样得到的电压u（n）、电流i（N），可以计算出电网的其他参数；功率的平均值（有功功率）、交流电压有效值U、交流电流有效值，I、有功功率P、视在功率S、功率因数cosφ。计算公式如下：
电压、电流有效值：

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此外，由于采用了同步采样技术，零序电流值可以由软件求出。将每次采样得到的三相电流数据求和即可。对于对称电网来说，其值应该为零，但实际电网并不是完全对称的，因此要判断单相接地故障，不能简单地将电流有效值和零相比较，应该根据实际电网运行设定一个整定值，这一整定值可以由FTU在正常情况下的零序电流有效值加一个裕量来得到。
3.3 频率测量
交流采样系统中，通常是一个周波采样N点的电量值．然后对这些数据进行处理。如果电网频率恒定，则采样间隔t=T/N（T为周期，N为采样点），而电网的频率一般都有一定的波动，所以要不断调整采样间隔。
输入信号先滤波，然后再由过零比较器LM339整形成方波信号后作为计数器的门控信号。计数器在此门控信号有效时间内对输入脉冲的个数进行累计。计数完成后，锁存计数值并由TMS320-LF2407读取，再由软件将计数值乘以计数脉冲的周期，即可得到被测信号的周期。
4 结束语
本文针对配电自动化系统中的馈线终端装置，结合数字信号处理技术，研究并设计了基于TMS320LF2407的FTU，实现了DSP的外围电路，模拟量、开关量的采集电路，通信电路设计等。编写了FTU硬件电路的软件程序，实现了故障定位、隔离和供电恢复等重要功能。