摘 要： 研究并設計了電力線路饋線監控系統，選用數字信號處理器作為CPU系統，以TMS320LF2407 DSP為中心，對各硬件部分進行分模塊設計。重點設計了開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊和通信模塊，給出了相應的硬件接口圖。最后設計了系統軟件部分，完成整個系統的研究與設計。
關鍵詞： 數字信號處理器；TMS320LF2407；模塊設計
我國發電機裝機容量已經排名世界第二，但是在配電方面仍舊存在許多問題，特別是在10 kV及其以下的配電網中，一旦發生電力線路故障，往往會造成長時間的停電，直接導致供電可靠性降低，電能質量不高。作為配電自動化的關鍵，電力線路饋線監控系統的性能優劣直接影響到電力供應可靠性的高低，也關系到能否實現配電自動化。本文研究與設計的電力線路饋線監控系統，可以提高配電網供電可靠性，達到為電力用戶提供優質、穩定、可靠的電力資源的目的。
1 系統工作原理
當電力線路突然發生了某種故障問題時，會導致系統此時此刻采集得到的線路電壓、電流或者頻率等信號數據參數發生改變。監控系統將對變化的信號進行數據處理，然后進一步判斷線路故障發生的位置和線路故障的所屬類型。在對這個線路故障問題進行清晰準確的定位后，系統將控制相應的電力線路中的開關進行分閘或者合閘動作，對存在問題的電力線路區域予以快速的隔離，同時恢復沒有發生故障的線路區域的正常穩定的供電（這些沒有故障的線路上的電壓、電流、頻率和功率等電力線路運行參數值基本恢復到正常范圍內）。在系統進行上述監控操作的同時，系統還通過一定的通信方式，與遠方主站時刻保持聯系，記錄并上報該線路故障的發生及處理情況，隨時接收并執行來自遠方主站的各種控制命令。系統工作原理如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 系統硬件總體框架設計
系統硬件主要由以下幾部分組成，如圖2所示。（1）數字信號處理器DSP，負責執行相關程序，對系統采集數據進行相關的分析處理；（2）開關量輸入模塊和開關量輸出模塊，負責反饋開關狀態，并執行DSP發出的指令，對各開關進行分閘或者合閘操作；（3）模擬量輸入模塊、A/D采樣模塊和頻率檢測模塊，采集電力線路中的實時運行參數值，并對這些模擬信號值進行轉換，使系統能夠進行識別處理；（4）日歷時鐘模塊、數據存儲模塊、通信模塊和電源模塊。
本文選用的DSP是美國德州儀器公司的TMS320LF2407 DSP。
2.2 開關量輸出模塊
當DSP經過一系列數據處理后，輸出模塊輸出8個開關量信號，控制4路繼電器輸出，實現跳閘或者合閘操作。開關量輸出電路示意圖如圖3所示，以一路繼電器控制為例，DSP輸出兩個開關信號，經過74HC273芯片鎖存，這兩個開關信號變為Q0和Q1，經過光電隔離后，通過這兩個信號高低電平的組合，實現對繼電器的開關控制。當且僅當Q0是高電平，Q1是低電平時，繼電器合閘；其他任何組合，繼電器都是分閘。
2.3 模擬量輸入模塊
在模擬量輸入模塊中，系統通過一級互感器測得電壓信號和電流信號，電壓有效值在0~100 V內，電流有效值在0~5 A內，然后分別經過電壓變換器和電流變換器的轉換后，變為5 V以內的交流電壓量，隨后傳輸給A/D采樣模塊。這里選用的電流變換器是10 A/3.53 V，電壓變換器是120 V/3.53 V。這兩種規格的變換器，既符合測量要求，同時線性好、精度高，可以保證模塊電路達到較高的線性度，從而能夠靈敏地反映出電力線路的運行狀況。當模擬信號輸入到電流電壓變換器后，輸出最大幅值為5 V的交流信號，再將此信號輸入到雙極性運算放大器，進行電平提升，IN+信號成為數值范圍為0~5 V的交流信號，隨后信號將被傳輸到A/D采樣模塊進行后期處理。如此設計模擬量輸入電路使得變換器帶負載能力得到了一定提升。模擬量輸入模塊的電路原理圖如圖4所示。
2.4 通信模塊
通信模塊為多路通信設計，由1路CAN通信和5路RS-232C通信組成。
CAN總線結構簡潔、操作簡單、實時性強、可靠性高、抗干擾能力強，當系統需要的時候，可以隨時就近選擇合適的節點傳輸信息，只要信息出現在了總線中，那么隨意的一個節點都可以選擇接收這些信息，進行使用。
DSP芯片TMS320LF2407中包含有一個SCI模塊，它的運行方式是串行通信，該模塊的存在，保證了DSP能夠跟其他異步外部設備進行通信聯系。通常情況下，每個SCI模塊控制1路RS-232C通信，因此需要進行通信擴展，這里選用的是高速串口通信芯片TL16C754B。圖5給出了TL16C754B與TMS320LF2407的接口電路圖。其實現4個通道的異步通信擴展。兩個芯片供電電壓均為3.3 V，通過數據總線D0~D7相連；DSP地址線A0、A1、A2和TL16C754B的地址線A0、A1、A2進行連接，TL16C754B的內部寄存器通過這些連接進行相關選擇；DSP的地址線A13、A14、A15，I/O空間選通線經過74LV138譯碼，作為TL16C754B的片選信號，對4路通道進行選擇；4路通道的終端信號經過或門后，由TMS320LF2407通過外部中斷引腳XINT1接收，由此判斷TL16C754B是否完成數據的接收或者發送；片選信號和DSP地址信號A0、A1、A2讀取芯片4路通道中斷識別寄存器的數據，判斷哪路通道發生中斷并斷定其中斷類型，由CPU進行后期處理。TL16C754B的CLKSEL和INTSEL引腳均接高電平，并將波特率預分頻值設置為1，允許產生中斷。接口電路圖中，僅以A通道與MAX232的連接電路，其他3路通道連接電路可以同理畫出。
3 系統軟件設計
軟件設計力求達到以下目標：總體上，所設計的軟件要周密、完善、可靠，對系統運行中的各種正常與非正常狀態，可能發生的意外都有所考慮，并能夠合理應對；在宏觀上，所設計的軟件可讀性強，便于維護、修改完善，力求通過不斷的調試，使軟件設計臻于完美；在進行程序設計時，分層次，采取總分結構，分模塊設計，簡單明了；程序語言采用可讀性強的C語言與匯編語言相結合，便于后期維護調試。
按照以上原則，對系統進行程序總體框架設計，軟件總體流程圖如圖6所示。當系統上電（復位）后，系統按順序對片內外設、外圍通信模塊等進行初始化操作（DSP系統初始化、I/O端口初始化、事件管理器初始化和通信初始化等），并從日歷時鐘模塊中調取當前時間數據參數，從數據存儲模塊中調取系統運行所需的整定值、參數量、先前故障記錄。上述操作后，開啟中斷進行A/D數據采集，采集完成后輸入到DSP中，通過故障判斷定位算法計算，得出線路是否發生故障。無故障，則返回，進入下一個循環；有故障，則根據算法計算結果，控制開關量，進行分合閘操作，完成對線路故障的隔離，恢復非故障線路的供電。整個系統動作過程都通過通信模塊與遠方配電主站保持通信，上報故障，并隨時接收來自遠方的命令，進行相關操作。系統運行過程中的數據記錄都保存在數據存儲模塊中。
參考文獻
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