基于DSP的低壓配變監控單元的硬件設計

邵 軍

（江蘇廣播電視大學昆山學院，江蘇 昆山 215300）

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對電力的需求已經不僅僅滿足于有電用，良好的供電質量和服務水平，成為社會對供電企業要求的重要部分。在電力管理發展過程中，原來以拉閘限電為目的的負荷控制正逐漸向用電管理方向過渡，電力企業為提高供電質量和服務水平，需要有一套完善的用電側電能管理系統，對與用戶直接相關的低壓電網運行狀態進行實時監測，及時掌握低壓配電網運行的情況，適時根據供電需求的增長調整電網負荷，及時發現和定位電網故障，發現異常供電和異常線損，杜絕供電隱患。

1 低壓配變監控單元的硬件組成和工作原理

低壓配變監控單元是一種廣泛用于配變中低壓出線、變電站、發電廠開關柜及各種電力自動化系統中的智能型綜合電量監測裝置。由電源部分、數據采集部分、輸出控制部分、數據處理部分、看門狗電源監視部分、存儲部分、時鐘部分和通訊部分組成。低壓配變監控單元在工作時，對所選線路的三相電壓、三相電流分別采樣后，經過電壓和電流傳感器進行隔離轉換，再由A/D 轉換器變成數字信號，送到DSP 進行處理，DSP 將處理過的數據根據需要送至存儲部分或通訊部分；低壓配變監控單元同時還可以采集配變的油溫和環境溫度等直流量和線路上開關的狀態進行處理，處理后的結果根據需要送至存儲部分或通訊部分；也可以根據現場需要發送控制信號到控制輸出部分對現場開關刀閘進行開和合的控制。

硬件組成的原理框圖見圖1：

2 電源部分

來自配變低壓側三相電壓中的其中一相220V/100V 交流電壓經過定制的變壓器產生交流信號，經過橋式全波整流電路生成24V電壓，24V 電壓經由開關穩壓電路DC/DC 轉換成低壓配變監控單元部分器件可用的5V直流電壓，5V 直流電壓再經LDO 轉換電路轉換為供DSP、存儲電路、時鐘電路工作的3.3V 直流電壓。

為了提高電源部分的抗干擾性能，在電源電路中增加了抗浪涌管和高頻磁珠，并且電源的電路單獨放在一塊電路板上。

3 數據采集部分

數據采集部分分為模擬量的采集、直流量的采集和開入量的采集。模擬量采集電路包括交流信號衰減、隔離和信號的模數轉換電路。考慮到交流信號衰減部分應盡量減小頻率失真，所以沒有采用電容衰減形式，而是采用了電壓和電流互感器進行信號轉換，電壓和電流互感器同時也起到了隔離的作用，避免外界強干擾破壞低壓配變監控單元的內部電路。電壓和電流互感器二次側的三相交流電壓、電流經過16位的A/D 轉換電路轉換為DSP 可以識別的0～3.3V的單極性信號進行處理。為了達到采樣電壓電流的同步，這里使用的A/D 轉換電路為CRYSTAL 公司的CS5451，其接口對電流用電流互感器，對電壓用電壓互感器。

直流量采集電路是將變壓器的油溫或外部其他的量進行轉換來的0～5V的直流信號，通過分壓電路生成DSP 可以識別的0～3.3V的電壓信號來處理的。

開入量的采集是將現場主接點的狀態或負荷開關的位置等采用無源方式經過光電隔離電路轉換為DSP 可以識別的0～3.3V的電平信號進行外部事件的記錄。采用光電隔離，避免外界干擾破壞低壓配變監控單元的內部電路。

4 輸出控制部分

輸出控制電路是DSP 根據需要將信號輸出到CPLD，經過CPLD 解析后再經過三極管驅動無火花、易驅動、體積小的固態繼電器，從而控制繼電器的動作來實現控制外部電路的。

5 DSP 數據處理部分

由于對各種電參數的測量和諧波分析不僅需要對交流信號進行高速采樣，而且還需要大量的實時計算，對CPU的運算速度要求非常高，普通的單片機難以勝任，因此低壓配變監控單元的CPU 采用DSP。本次設計使用的DSP 是TI 公司的一款性價比較高的芯片TMS320LF2407，該芯片是一種高性能的16位定點DSP，供電電壓為3.3V，減小了電路的功耗；該定點運算芯片執行速度40 MIPs，單指令周期25ns，提高了實時控制能力；該芯片具有豐富的片內資源，10位16 通道片內A/D轉換器，轉換速度達到500ns，同步串口和異步串口及CAN 模塊等都大大方便了硬件設計和軟件編程；該芯片還具有6 個八位標準I/O 口，與PWM 輸出腳復用引腳輸入輸出數字量，可以控制很多的輸入輸出信號。

6 看門狗電源監視部分

為了提高低壓配變監控單元運行的穩定性，使用了MAX706 看門狗電路，可以在DSP芯片受到強烈的外部干擾，其內部工作的寄存器發生非程序控制的變化，使程序運行的邏輯發生錯誤，不按照正常設計的程序流程工作時，使用看門狗對DSP 進行復位，使得低壓配變監控單元重新運行。

7 存儲部分

存儲部分考慮到用戶需要歷史數據較多的需要，采用了結構緊湊、存儲容量大、接口簡單、操作方便的三片串行EEPROM 24C256與DSP的I/O 引腳直接相連，可以同時存儲三個月的整點數據（電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、電能量等）和統計數據，也可以存儲電壓配變監控單元所用的系統參數。

8 時鐘部分

時鐘部分的電路是采用帶I2C 總線接口的日歷時鐘芯片PCF8583T 與DSP的I/O 引腳直接相連，為了使得日歷時鐘在掉電的情況下時間不丟失，設計電路時配置了備用電池供電。但是在不掉電的情況下，PCF8583T由3.3V 電源供電。

9 通訊部分

通訊部分的電路是利用DSP 內置的串行通信接口SCI 與RS232 和RS485 接口芯片MAX202EESE 和MAX485EESE 共同來實現的，由于DSP 內置的串行通信接口只有一組，所以RS232 和RS485 共用DSP 端的收發信號。使用RS232 和RS485 接口可以實現低壓配變監控單元與后臺計算機之間的通信，也可以實現多個低壓配變監控單元之間的聯網。DSP 自帶的CAN 總線通信內置接口簡化了硬件設計，可以直接聯網通信。

10 低壓配變監控單元的功能

低壓配變監控單元采用先進的高性能數字信號處理器DSP，可以對三相交流電信號進行采集、計算處理，各類數據存儲、統計、電能量統計、故障監測、通信等功能。可以單獨使用，也可與調度自動化系統、配網自動化系統及供用電在線監測和控制系統配合使用，形成完整的電力自動化應用解決方案。

[1]王世一.數字信號處理.北京：北京理工大學出版社.2002

[2]黃正瑾.CPLD 系統設計技術入門與應用.北京：電子工業出版社.2003

[3]荀殿棟.數字電路設計實用手冊.北京：電子工業出版社.2003?