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(dòng)控制與保護(hù)、動(dòng)力、儀器儀表、信號(hào)、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(yùn)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(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各信號(hào)采集、控制、通信等，與單片機(jī)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(shí)時(shí)控制能力更強(qiáng)。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(shí)時(shí)處理能力（30MIPS），實(shí)時(shí)檢測(cè)直流充電模塊、蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，使遠(yuǎn)程機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電源設(shè)備的遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)，從而有利于用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替人工控制技術(shù)，滿(mǎn)足電站自動(dòng)化的要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jì)算機(jī)、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(guò)電話(huà)網(wǎng)、MODEM或CAN、LONWORK總線(xiàn)與集中監(jiān)控器進(jìn)行串行通信；集中監(jiān)控器通過(guò)RS485或RS232與智能充電模塊進(jìn)行串行通信。集中監(jiān)控器能隨時(shí)通過(guò)串行通信接受并快速響應(yīng)來(lái)自上層監(jiān)控中心的監(jiān)測(cè)命令和控制指令，一方面通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)下層監(jiān)控單元（充電模塊）的遙測(cè)、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(hù)人員可在監(jiān)控調(diào)度中心監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)整流配電設(shè)備的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

3　集中監(jiān)控器的工作原理與硬件設(shè)計(jì)

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(jī)接口（鍵盤(pán)、顯示、時(shí)鐘）單元、串行通信單元等組成。
如圖1所示，各監(jiān)測(cè)的模擬量經(jīng)多路開(kāi)關(guān)CD4051選擇進(jìn)入2407A的AD轉(zhuǎn)換接口，由2407A定時(shí)采樣，由于監(jiān)測(cè)的模擬量較多，采樣時(shí)DSP采用級(jí)聯(lián)模式，一次作16個(gè)轉(zhuǎn)換，DSP對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等。開(kāi)關(guān)量輸入經(jīng)光耦和緩沖器進(jìn)入DSP的IOPB口，DSP通過(guò)對(duì)IOPB口的檢測(cè)和數(shù)值處理結(jié)果再產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作如聲光報(bào)警，關(guān)閉電源模塊等。通過(guò)人機(jī)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(bǔ)償系數(shù)、電壓、電流閾值等）。DSP對(duì)模塊電源、蓄電池的控制分別通過(guò)串行通信、繼電器動(dòng)作來(lái)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(fù)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(hào)通過(guò)傳感器和變送器轉(zhuǎn)換而來(lái)，如：直流輸出電壓取樣來(lái)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(lái)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(guò)壓、欠壓信號(hào)，主要開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。

3.2　集中監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)

TMS320系列DSP控制器將實(shí)時(shí)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(gè)理想的解決方案。在此我們采用TMS320LF2407A定點(diǎn)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(shí)時(shí)控制能力，片內(nèi)有32K字的FLASH程序存儲(chǔ)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(gè)事件管理器模塊，可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器192K字空間，看門(mén)狗定時(shí)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(gè)單獨(dú)編程或復(fù)用的IO口，電源管理能獨(dú)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(kuò)展器件，縮小了整個(gè)監(jiān)控器的體積。
人機(jī)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(bào)警，接受按鍵輸入。通過(guò)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(guò)發(fā)光二極管及蜂鳴器來(lái)顯示告警信息?！r(shí)鐘采用帶I2C總線(xiàn)接口的日歷芯片PCF8583，由于2407A沒(méi)有專(zhuān)用的I2C時(shí)序引腳，在本設(shè)計(jì)中用軟件來(lái)模擬I2C總線(xiàn)時(shí)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(jiǎn)化電路我們只用了5個(gè)按鍵來(lái)完成查詢(xún)?cè)O(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(jì)算機(jī)或本地PC機(jī)，下層監(jiān)控單元指由單片機(jī)構(gòu)成的充電模塊監(jiān)控單元?？蛇x用異步串行收發(fā)器16C550及MODEM實(shí)現(xiàn)與中心計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信；與本地機(jī)通信可通過(guò)RS232總線(xiàn)，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(jī)串口采用的是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)為25線(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用中采用最簡(jiǎn)單的3線(xiàn)傳送（地線(xiàn)、發(fā)送線(xiàn)、接收線(xiàn)）方式。2407與單片機(jī)的通信接口芯片選擇MAX488，接口電路符合RS－485標(biāo)準(zhǔn)。還可以根據(jù)用戶(hù)的不同需要對(duì)外實(shí)現(xiàn)通信如利用CAN總線(xiàn)與外部相連實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制。

4　集中監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)

為方便用戶(hù)添加或刪除某些功能，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。主程序流程如圖2所示，完成對(duì)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(shí)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(jì)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(duì)開(kāi)關(guān)量的判斷、報(bào)警等；中斷程序包括AD轉(zhuǎn)換、串行通信、鍵盤(pán)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(duì)蓄電池進(jìn)行自動(dòng)均浮充和放電保護(hù)控制。本文研究的監(jiān)控器考慮對(duì)兩組蓄電池的管理，DSP根據(jù)檢測(cè)到的電池組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算、分析電池的狀態(tài)，依據(jù)設(shè)定的參數(shù)值，自動(dòng)進(jìn)行均、浮充轉(zhuǎn)換并提供全面的聲光報(bào)警及相應(yīng)　的電池保護(hù)。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(bǔ)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(guò)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(shí)，會(huì)自動(dòng)切除蓄電池組，防止電池過(guò)放電。在此設(shè)定的低壓切除電壓值不是固定的，它與實(shí)際放電電流有關(guān)，在大電流放電時(shí)，其末期電壓設(shè)置為較小，而在小電流放電時(shí)低壓切除電壓閾值較高。定期通過(guò)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(shí)間、交流電壓、交流電流、輸出電壓、負(fù)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(jìn)入主菜單屏，包括監(jiān)控、充電模塊、電池、告警記錄四個(gè)子菜單；在主菜單屏可任意選擇進(jìn)入要查看的子菜單，其中充電模塊內(nèi)容包括狀態(tài)查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置（普通、廣播）。電池中的內(nèi)容包括狀態(tài)查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置，進(jìn)入狀態(tài)查詢(xún)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(guò)參數(shù)設(shè)置改變與電池相關(guān)的參數(shù)如溫度補(bǔ)償系數(shù)。故障記錄子菜單包括故障編號(hào)、發(fā)生的時(shí)間等。屏間信息的轉(zhuǎn)換、屏內(nèi)光標(biāo)的移動(dòng)、參數(shù)的增減通過(guò)上、下、左、右、確定按鍵組合實(shí)現(xiàn)。
串行通信軟件，包括DSP與PC的串行通信和DSP與單片機(jī)的串行通信。對(duì)于PC機(jī)，以VC＋＋6.0作為開(kāi)發(fā)工具，采用Windows ActiveX控件－MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)通信程序，在事件處理函數(shù)oncomm1中將接收到的下位機(jī)數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)文件，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的功能。集中監(jiān)控器對(duì)多個(gè)充電模塊的控制通過(guò)DSP2407與多個(gè)單片機(jī)的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，可依次與每一個(gè)充電模塊傳送數(shù)據(jù)或同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)（廣播方式）。本文協(xié)議中DSP與PC機(jī)、單片機(jī)的通信采用CRC標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，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(yàn)位1位，停止位1位。PC機(jī)與DSP通信中，由于PC機(jī)要控制多個(gè)直流屏，即要與多個(gè)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(jìn)入接收睡眠模式，當(dāng)探測(cè)到地址幀時(shí)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(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖5所示。

圖4　LCD顯示程序框圖

圖5數(shù)據(jù)報(bào)文格式

同樣DSP與單片機(jī)通信中需發(fā)送充電模塊地址，從而建立一對(duì)一的信道或一對(duì)多信道（廣播方式），然后才發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP發(fā)地址碼時(shí)，校驗(yàn)位為1，發(fā)數(shù)據(jù)碼時(shí)，校驗(yàn)位為0。DSP串行通信采用中斷的方式，DSP啟動(dòng)串行口后就不再詢(xún)問(wèn)它的狀態(tài)，依然執(zhí)行自己的程序，實(shí)現(xiàn)DSP與串行口的并行工作。當(dāng)串行口產(chǎn)生中斷時(shí)，先向DSP申請(qǐng)中斷，DSP響應(yīng)中斷后就暫時(shí)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(shí)處理。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文研究的電力電源系統(tǒng)集中監(jiān)控器以具有快速運(yùn)算能力的DSP為核心，在實(shí)時(shí)檢測(cè)多種電氣量的基礎(chǔ)上具有以下主要功能：1、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)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(kāi)/關(guān)機(jī)、均/浮充，調(diào)節(jié)充電模塊的輸出電壓和限流級(jí)別；3、可通過(guò)按鍵查詢(xún)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(duì)故障進(jìn)行聲光報(bào)警并提供故障歷史記錄；5、利用串行接口DSP與PC機(jī)及充電模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受監(jiān)控調(diào)度中心的遠(yuǎn)程控制對(duì)充電器實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)。與以單片機(jī)為核心的監(jiān)控器相比，該裝置更好地滿(mǎn)足了電力直流系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(xiàn)

1 劉和平等著. TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用.　　北京航空航天大學(xué)出版社.2002
2 王家慶主編. 智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的原理使用與維護(hù).人民郵電出版社.2000
3 李現(xiàn)勇著.　 VC＋＋串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐　　　　 人民郵電出版社.2002