基于DSP的低压配变监控单元的硬件设计

2010-09-08邵军

中国新技术新产品 2010年15期

邵军

（江苏广播电视大学昆山学院，江苏昆山 215300）

随着人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求已经不仅仅满足于有电用，良好的供电质量和服务水平，成为社会对供电企业要求的重要部分。在电力管理发展过程中，原来以拉闸限电为目的的负荷控制正逐渐向用电管理方向过渡，电力企业为提高供电质量和服务水平，需要有一套完善的用电侧电能管理系统，对与用户直接相关的低压电网运行状态进行实时监测，及时掌握低压配电网运行的情况，适时根据供电需求的增长调整电网负荷，及时发现和定位电网故障，发现异常供电和异常线损，杜绝供电隐患。

1 低压配变监控单元的硬件组成和工作原理

低压配变监控单元是一种广泛用于配变中低压出线、变电站、发电厂开关柜及各种电力自动化系统中的智能型综合电量监测装置。由电源部分、数据采集部分、输出控制部分、数据处理部分、看门狗电源监视部分、存储部分、时钟部分和通讯部分组成。低压配变监控单元在工作时，对所选线路的三相电压、三相电流分别采样后，经过电压和电流传感器进行隔离转换，再由A/D 转换器变成数字信号，送到DSP 进行处理，DSP 将处理过的数据根据需要送至存储部分或通讯部分；低压配变监控单元同时还可以采集配变的油温和环境温度等直流量和线路上开关的状态进行处理，处理后的结果根据需要送至存储部分或通讯部分；也可以根据现场需要发送控制信号到控制输出部分对现场开关刀闸进行开和合的控制。

硬件组成的原理框图见图1：

2 电源部分

来自配变低压侧三相电压中的其中一相220V/100V 交流电压经过定制的变压器产生交流信号，经过桥式全波整流电路生成24V电压，24V 电压经由开关稳压电路DC/DC 转换成低压配变监控单元部分器件可用的5V直流电压，5V 直流电压再经LDO 转换电路转换为供DSP、存储电路、时钟电路工作的3.3V 直流电压。

为了提高电源部分的抗干扰性能，在电源电路中增加了抗浪涌管和高频磁珠，并且电源的电路单独放在一块电路板上。

3 数据采集部分

数据采集部分分为模拟量的采集、直流量的采集和开入量的采集。模拟量采集电路包括交流信号衰减、隔离和信号的模数转换电路。考虑到交流信号衰减部分应尽量减小频率失真，所以没有采用电容衰减形式，而是采用了电压和电流互感器进行信号转换，电压和电流互感器同时也起到了隔离的作用，避免外界强干扰破坏低压配变监控单元的内部电路。电压和电流互感器二次侧的三相交流电压、电流经过16位的A/D 转换电路转换为DSP 可以识别的0～3.3V的单极性信号进行处理。为了达到采样电压电流的同步，这里使用的A/D 转换电路为CRYSTAL 公司的CS5451，其接口对电流用电流互感器，对电压用电压互感器。

直流量采集电路是将变压器的油温或外部其他的量进行转换来的0～5V的直流信号，通过分压电路生成DSP 可以识别的0～3.3V的电压信号来处理的。

开入量的采集是将现场主接点的状态或负荷开关的位置等采用无源方式经过光电隔离电路转换为DSP 可以识别的0～3.3V的电平信号进行外部事件的记录。采用光电隔离，避免外界干扰破坏低压配变监控单元的内部电路。

4 输出控制部分

输出控制电路是DSP 根据需要将信号输出到CPLD，经过CPLD 解析后再经过三极管驱动无火花、易驱动、体积小的固态继电器，从而控制继电器的动作来实现控制外部电路的。

5 DSP 数据处理部分

由于对各种电参数的测量和谐波分析不仅需要对交流信号进行高速采样，而且还需要大量的实时计算，对CPU的运算速度要求非常高，普通的单片机难以胜任，因此低压配变监控单元的CPU 采用DSP。本次设计使用的DSP 是TI 公司的一款性价比较高的芯片TMS320LF2407，该芯片是一种高性能的16位定点DSP，供电电压为3.3V，减小了电路的功耗；该定点运算芯片执行速度40 MIPs，单指令周期25ns，提高了实时控制能力；该芯片具有丰富的片内资源，10位16 通道片内A/D转换器，转换速度达到500ns，同步串口和异步串口及CAN 模块等都大大方便了硬件设计和软件编程；该芯片还具有6 个八位标准I/O 口，与PWM 输出脚复用引脚输入输出数字量，可以控制很多的输入输出信号。

6 看门狗电源监视部分

为了提高低压配变监控单元运行的稳定性，使用了MAX706 看门狗电路，可以在DSP芯片受到强烈的外部干扰，其内部工作的寄存器发生非程序控制的变化，使程序运行的逻辑发生错误，不按照正常设计的程序流程工作时，使用看门狗对DSP 进行复位，使得低压配变监控单元重新运行。

7 存储部分

存储部分考虑到用户需要历史数据较多的需要，采用了结构紧凑、存储容量大、接口简单、操作方便的三片串行EEPROM 24C256与DSP的I/O 引脚直接相连，可以同时存储三个月的整点数据（电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等）和统计数据，也可以存储电压配变监控单元所用的系统参数。

8 时钟部分

时钟部分的电路是采用带I2C 总线接口的日历时钟芯片PCF8583T 与DSP的I/O 引脚直接相连，为了使得日历时钟在掉电的情况下时间不丢失，设计电路时配置了备用电池供电。但是在不掉电的情况下，PCF8583T由3.3V 电源供电。

9 通讯部分

通讯部分的电路是利用DSP 内置的串行通信接口SCI 与RS232 和RS485 接口芯片MAX202EESE 和MAX485EESE 共同来实现的，由于DSP 内置的串行通信接口只有一组，所以RS232 和RS485 共用DSP 端的收发信号。使用RS232 和RS485 接口可以实现低压配变监控单元与后台计算机之间的通信，也可以实现多个低压配变监控单元之间的联网。DSP 自带的CAN 总线通信内置接口简化了硬件设计，可以直接联网通信。