基于DSP的電力電源系統(tǒng)集中監(jiān)控器的研究

1 引言

電力電源系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用于發(fā)電廠、變電站、通信電源中，是保證自動控制與保護、動力、儀器儀表、信號、通信、事故照明等的重要電源，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和設(shè)備安全。以往的電力電源設(shè)備集中監(jiān)控器主要以單片機為核心來實現(xiàn)對各信號采集、控制、通信等，與單片機相比，DSP芯片具有更好的處理性能，更低功耗, 更高的外設(shè)集成度，實時控制能力更強。本文將TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A用于電力直流系統(tǒng)的監(jiān)控裝置研制中，利用其高效的實時處理能力（30MIPS），實時檢測直流充電模塊、蓄電池的運行狀態(tài)，記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，使遠程機能實現(xiàn)對電力電源設(shè)備的遙信、遙測、遙控、遙調(diào)，從而有利于用計算機監(jiān)控系統(tǒng)代替人工控制技術(shù)，滿足電站自動化的要求，實現(xiàn)無人值守變電站，提高電網(wǎng)的綜合效率和可行性。

2　監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由監(jiān)控調(diào)度中心計算機、集中監(jiān)控器、充電模塊監(jiān)控單元組成。監(jiān)控調(diào)度中心可通過電話網(wǎng)、MODEM或CAN、LONWORK總線與集中監(jiān)控器進行串行通信；集中監(jiān)控器通過RS485或RS232與智能充電模塊進行串行通信。集中監(jiān)控器能隨時通過串行通信接受并快速響應(yīng)來自上層監(jiān)控中心的監(jiān)測命令和控制指令，一方面通過串行通信實現(xiàn)對下層監(jiān)控單元（充電模塊）的遙測、遙控、遙信、遙調(diào)。另一方面向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送狀態(tài)改變或告警信息。維護人員可在監(jiān)控調(diào)度中心監(jiān)視各個現(xiàn)場整流配電設(shè)備的運行情況，實現(xiàn)無人值守。

3　集中監(jiān)控器的工作原理與硬件設(shè)計

3.1　集中監(jiān)控器的工作原理

集中監(jiān)控器的結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)處理單元、人機接口（鍵盤、顯示、時鐘）單元、串行通信單元等組成。
如圖1所示，各監(jiān)測的模擬量經(jīng)多路開關(guān)CD4051選擇進入2407A的AD轉(zhuǎn)換接口，由2407A定時采樣，由于監(jiān)測的模擬量較多，采樣時DSP采用級聯(lián)模式，一次作16個轉(zhuǎn)換，DSP對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行比較、計算、存儲、顯示、報警等。開關(guān)量輸入經(jīng)光耦和緩沖器進入DSP的IOPB口，DSP通過對IOPB口的檢測和數(shù)值處理結(jié)果再產(chǎn)生相應(yīng)的動作如聲光報警，關(guān)閉電源模塊等。通過人機接口的按鍵，可上、下、前、后翻屏查看監(jiān)控信息（充電模塊狀態(tài)，蓄電池狀態(tài)等）和更改系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（溫度補償系數(shù)、電壓、電流閾值等）。DSP對模塊電源、蓄電池的控制分別通過串行通信、繼電器動作來完成。其中模擬量輸入包括交流輸入電壓、交流輸入電流、系統(tǒng)輸出直流電壓、系統(tǒng)負載總電流、蓄電池的電壓、電流、溫度、環(huán)境溫度等等。這些模擬量信號通過傳感器和變送器轉(zhuǎn)換而來，如：直流輸出電壓取樣來自直流屏輸出端，經(jīng)降壓、緩沖、濾波后，變換為0－3.3V的電壓；電流取樣來自配電屏分流器，經(jīng)放大、光電耦合、濾波、緩沖后，變換為0－3.3V電壓。數(shù)字量輸入包括熔絲斷、直流輸出過壓、欠壓信號，主要開關(guān)狀態(tài)等。

3.2　集中監(jiān)控器的硬件設(shè)計

TMS320系列DSP控制器將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。在此我們采用TMS320LF2407A定點DSP控制器作為數(shù)據(jù)處理單元的處理器，它是真正的單芯片控制器，它的供電電壓降為3.3伏，30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns,從而提高了控制器的實時控制能力，片內(nèi)有32K字的FLASH程序存儲器，1.5K字的數(shù)據(jù)程序RAM，544字的雙口RAM和2K字的單口RAM，兩個事件管理器模塊，可擴展的外部存儲器192K字空間，看門狗定時器模塊，控制器網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0B模塊，10位A/D轉(zhuǎn)換器，40個單獨編程或復(fù)用的IO口，電源管理能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。這樣可減少外部擴展器件，縮小了整個監(jiān)控器的體積。
人機接口單元的主要功能是顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，提供聲光報警，接受按鍵輸入。通過一塊LCD液晶模塊顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息及提示按鍵輸入?yún)?shù)信息，通過發(fā)光二極管及蜂鳴器來顯示告警信息?！r鐘采用帶I2C總線接口的日歷芯片PCF8583，由于2407A沒有專用的I2C時序引腳，在本設(shè)計中用軟件來模擬I2C總線時序，將2407A SPI口的引腳SPISIM、SPISTE設(shè)置為I/O方式分別接PCF8583的SCL、SDA引腳，并且要求接上拉電阻。為了能簡化電路我們只用了5個按鍵來完成查詢設(shè)置需要。
數(shù)據(jù)通信單元包括DSP與上層監(jiān)控系統(tǒng)和DSP與下層監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)交換。在此上層監(jiān)控系統(tǒng)指調(diào)度中心計算機或本地PC機，下層監(jiān)控單元指由單片機構(gòu)成的充電模塊監(jiān)控單元。可選用異步串行收發(fā)器16C550及MODEM實現(xiàn)與中心計算機的遠程通信；與本地機通信可通過RS232總線，由于2407A芯片采用的電源為3.3V且其串行通信SCI接口為CMOS電平,而微機串口采用的是標準RS-232-CEIA電平(-3V～-15V為1,+3V～+15V為0),因此使用MAXIM公司的低功耗高速率電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232E實現(xiàn)CMOS和EIA電平轉(zhuǎn)換，各通信接口之間都采用光耦隔離。RS-232標準總線為25線，實際應(yīng)用中采用最簡單的3線傳送（地線、發(fā)送線、接收線）方式。2407與單片機的通信接口芯片選擇MAX488，接口電路符合RS－485標準。還可以根據(jù)用戶的不同需要對外實現(xiàn)通信如利用CAN總線與外部相連實現(xiàn)現(xiàn)場總線控制。

4　集中監(jiān)控器的軟件設(shè)計

為方便用戶添加或刪除某些功能，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，用C語言和匯編語言混合編程。主程序流程如圖2所示，完成對AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，IO口數(shù)字量的處理，調(diào)用蓄電池管理程序，時鐘程序，LCD顯示程序等等。其中數(shù)據(jù)分析包括電池組的放電電流差計算、浮充電壓判斷、充電電流比較、放電電壓的比較、低壓切除電壓閾值調(diào)整等等；IO數(shù)字量處理包括對開關(guān)量的判斷、報警等；中斷程序包括AD轉(zhuǎn)換、串行通信、鍵盤處理等等。
蓄電池管理程序根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對蓄電池進行自動均浮充和放電保護控制。本文研究的監(jiān)控器考慮對兩組蓄電池的管理，DSP根據(jù)檢測到的電池組的實時數(shù)據(jù)，計算、分析電池的狀態(tài)，依據(jù)設(shè)定的參數(shù)值，自動進行均、浮充轉(zhuǎn)換并提供全面的聲光報警及相應(yīng)　的電池保護。如：依據(jù)各組電池的放電電流差，提示可能存在的電池故障；在電池電壓大小不同的階段設(shè)置充電限流值，保證電池容量得到最大補充。在充電限流中采用將各組電池充電電流的最大值與限流值相比較的方法，保證了每組電池電流不超過充電限流值。在低壓斷路中，在電池放電到設(shè)定的低壓切除電壓時，會自動切除蓄電池組，防止電池過放電。在此設(shè)定的低壓切除電壓值不是固定的，它與實際放電電流有關(guān)，在大電流放電時，其末期電壓設(shè)置為較小，而在小電流放電時低壓切除電壓閾值較高。定期通過軟件控制手段將充電模塊置于關(guān)閉狀態(tài),讓蓄電池放電，防止蓄電池的內(nèi)阻增大從而增加蓄電池的使用壽命。蓄電池管理程序流程圖如圖3所示。

LCD顯示程序框架如圖4所示：每屏可顯示15*4漢字，顯示屏共分16屏，其中首屏為監(jiān)控子菜單，內(nèi)容包括時間、交流電壓、交流電流、輸出電壓、負載電流、環(huán)境溫度、均浮充狀態(tài)等參數(shù)。在首屏按上翻鍵可進入主菜單屏，包括監(jiān)控、充電模塊、電池、告警記錄四個子菜單；在主菜單屏可任意選擇進入要查看的子菜單，其中充電模塊內(nèi)容包括狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置（普通、廣播）。電池中的內(nèi)容包括狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置，進入狀態(tài)查詢子菜單可查看蓄電池組的溫度、電壓、電流、均浮充狀態(tài)等，可通過參數(shù)設(shè)置改變與電池相關(guān)的參數(shù)如溫度補償系數(shù)。故障記錄子菜單包括故障編號、發(fā)生的時間等。屏間信息的轉(zhuǎn)換、屏內(nèi)光標的移動、參數(shù)的增減通過上、下、左、右、確定按鍵組合實現(xiàn)。
串行通信軟件，包括DSP與PC的串行通信和DSP與單片機的串行通信。對于PC機，以VC＋＋6.0作為開發(fā)工具，采用Windows ActiveX控件－MSComm來實現(xiàn)通信程序，在事件處理函數(shù)oncomm1中將接收到的下位機數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫文件，進一步實現(xiàn)計算機監(jiān)控軟件的功能。集中監(jiān)控器對多個充電模塊的控制通過DSP2407與多個單片機的通信來實現(xiàn)，可依次與每一個充電模塊傳送數(shù)據(jù)或同時發(fā)送數(shù)據(jù)（廣播方式）。本文協(xié)議中DSP與PC機、單片機的通信采用CRC標準的循環(huán)冗余碼校驗，波特率9600bps，幀格式：每幀11位，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，校驗位1位，停止位1位。PC機與DSP通信中，由于PC機要控制多個直流屏，即要與多個DSP通信，本文中DSP通信采用處理小數(shù)據(jù)十分有效的地址位模式，設(shè)置SCI的sleep位進入接收睡眠模式，當探測到地址幀時才中斷，然后判斷收到的地址與自己地址是否相同，若相同，才能讀取其后PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報文格式如圖5所示。

圖4　LCD顯示程序框圖

圖5數(shù)據(jù)報文格式

同樣DSP與單片機通信中需發(fā)送充電模塊地址，從而建立一對一的信道或一對多信道（廣播方式），然后才發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP發(fā)地址碼時，校驗位為1，發(fā)數(shù)據(jù)碼時，校驗位為0。DSP串行通信采用中斷的方式，DSP啟動串行口后就不再詢問它的狀態(tài)，依然執(zhí)行自己的程序，實現(xiàn)DSP與串行口的并行工作。當串行口產(chǎn)生中斷時，先向DSP申請中斷，DSP響應(yīng)中斷后就暫時中斷自己的程序，執(zhí)行相應(yīng)的串口中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完后又返回主程序，這種方式使信息得到及時處理。

6　結(jié)束語

本文研究的電力電源系統(tǒng)集中監(jiān)控器以具有快速運算能力的DSP為核心，在實時檢測多種電氣量的基礎(chǔ)上具有以下主要功能：1、可實時監(jiān)測蓄電池組的電流、電壓、溫度;直流屏中直流輸出電壓、電流、熔斷絲的狀態(tài)信號輸入、直流輸出告警;充電模塊工作狀態(tài);交流電壓、電流等等；2、根據(jù)蓄電池的狀態(tài)智能控制充電模塊的開/關(guān)機、均/浮充，調(diào)節(jié)充電模塊的輸出電壓和限流級別；3、可通過按鍵查詢各充電模塊和蓄電池的狀態(tài)信息，更改系統(tǒng)參數(shù)；4、對故障進行聲光報警并提供故障歷史記錄；5、利用串行接口DSP與PC機及充電模塊進行數(shù)據(jù)交換，接受監(jiān)控調(diào)度中心的遠程控制對充電器實現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)。與以單片機為核心的監(jiān)控器相比，該裝置更好地滿足了電力直流系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性要求，更加適應(yīng)現(xiàn)代供電技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻

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