基于DSP的變電站綜合自動化系統(tǒng)設計

引言
變電站綜合自動化系統(tǒng)是將變電站的二次設備經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設計，綜合利用先進的多種學科技術，集成于一體的自動化系統(tǒng)[2][4]。從系統(tǒng)的結構看，全分散式的設計思想越來越顯現(xiàn)出優(yōu)越性。由于變電站的數(shù)據(jù)量和信息量大，實時性要求高，則將高性能DSP應用于變電站綜合自動化的設計方案中。其內(nèi)部哈佛結構使數(shù)據(jù)空間和程序空間分離，獨立的總線和程序總線允許程序數(shù)據(jù)同時操作；具有獨特的逆尋址方式，能高效的進行快速傅立葉變換運算降低了軟件的編寫困難；采用內(nèi)存映射方式管理I/O，能靈活方便的擴充外圍電路。
1 系統(tǒng)的整體結構設計
采用TI 2000系列的TMS320F2812芯片為核心處理器，整體采用全分散式結構，集監(jiān)測、保護、控制、遠動等為一體的綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結構如圖1所示：

主要保護和測控單元有：(1)線路保護和測控單元；(2)主變差動和測控單元；(3)主變后備保護和測控單元；(4)電容保護和測控單元；(5)備用電源自投和測控單元；(6)電動機保護和測控單元；(7)PT保護和測控單元；(8)中央信號單元；各個保護和測控單元分散安裝在監(jiān)控室或一次設備附近，便于安
裝，維護管理。監(jiān)控主機發(fā)命令給各個單元和遠方調(diào)度集控中心，進行實時數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。
2 各單元硬件電路設計
本系統(tǒng)各個保護和測控單元的硬件結構相似，分模擬量輸入，核心處理器，開關量輸入、輸出，人機接口，通訊和電源模塊六大部分。系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示：

2.1模擬量輸入
模擬量有線路電壓、電流，及其頻率，變壓器油溫、變電站室溫等等。電力系統(tǒng)的電壓電流信號不能直接送到A/D器件的輸入端轉換，而要先經(jīng)PT，C T(密互感器CT05)將電壓電流降低，再經(jīng)精密互感器(TV)和信號調(diào)理電路(OP07，C1，R3，R4，R5)，電位提升(R6，R7)，限幅作用(D3，D4)，限制進入DSP的電壓范圍在0～3V。線路電流采集電路如圖3所示：

圖3 模數(shù)轉換前置電路
2.2 核心處理器[3]和電源模塊
CPU選用TI公司TMS320F2812 DSP芯片，最高頻率可達150MHz。通過軟件?
編程可對實時采集的數(shù)字信號在短時間內(nèi)進行快速傅立葉變換，即可直接提取出所需要的各次諧波進行計算和繼電保護，軟件和硬件的設計難度大大降低；在結構上，內(nèi)部集成了豐富的外設，自帶兩組8選1 的12位A/D輸入端口，可實現(xiàn)并發(fā)和級聯(lián)采樣兩種模式，已很好的滿足實用需要，可實現(xiàn)真正的同步采樣，提高了采樣點的實時同步性；可支持eCAN(enhance Controller Area Network)，RS232，RS485，LONWORKS，以太網(wǎng)，光纜，無線等等多種形式的通信。指令系統(tǒng)采用流水線操作，減小了指令周期到6.67ns，大大提高了計算速度和實時性；采用內(nèi)存映射方式管理I/O，能靈活方便的擴充外圍電路。在性能上，具有八級流水線，完全可以避免從同一地址進行讀寫而造成的秩序混亂。
電源采用TPS767D318電源轉換芯片實現(xiàn)DSP所需的1.8V，1.8VA，3.3V，3.3VA電壓，其中模擬地和數(shù)字地用小電阻或磁珠連接，防止電磁干擾。
2.3開關量和人機對話部分
開關量輸入、輸出部分是微機保護與外部設備的聯(lián)系部件，采用光電隔離器件，起信號隔離和電平轉換的雙重作用，主要用來接受來自外部設備的開關量輸入號和向外部設備發(fā)送開關量信號。
人機對話部分包括按鍵（6個）、3.3V供電的液晶LCM128645ZK顯示器，打印機及信號燈、音響及語音報警等，利用DSP的GPIOA，B口，連接按鍵和液晶，如圖5所示：

圖4 鍵盤與液晶顯示電路
2.4通訊
該模塊實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間，及其與監(jiān)控主機之間的信息傳輸。TMS320F2812自帶1個eCAN和2個SCI和1個SPI通訊接口，可同時支持eCAN，RS-232和RS-485總線多種通訊形式。eCAN總線連接方便，而且具有優(yōu)良的錯誤處理機制及可靠的數(shù)據(jù)傳輸性能，很好的滿足變電站綜合自動化的要求。

圖5 DSP與eCAN總線接線圖
3 軟件主要實現(xiàn)的功能
3.1 測量功能
采集各個被測線路的電壓、電流以及頻率，及變壓器油溫和變電站室溫等模擬量信號，斷路器、隔離開關狀態(tài)、變電站一次設備及報警信號、變壓器分接頭位置等數(shù)字量信號等[3]。下面是AD電壓采集的部分程序，采用并發(fā)采樣雙序列發(fā)生器模式，對二次回路中A、B、C三相和零序的電壓電流進行采集。
AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=1;//設置并發(fā)采樣模式
AdcRegs.ADCMAXCONV.all=0x0011;//2個雙重序列發(fā)生器

(總共4個)的CONV

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00=0X00;
AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01=0X01;
AdcRegs.ADCCHSELSEQ3.bit.CONV08=0X02;
AdcRegs.ADCCHSELSEQ3.bit.CONV09=0X03;
……
interrupt void adc_isr(void)
{
Voltage11[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT0;//Ua
Voltage12[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT1;//Ia
……
Voltage41[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT7;//U0
Voltage42[ConversionCount]=AdcRegs.ADCRESULT7;//I0
if(ConversionCount=1023)
{

ConversionCount=0;
…….
FFT(s,8);//調(diào)用8點FFT變換完成64點的運算
……
}
else
ConversionCount++;
AdcRegs.ASCTRL2.bit.RST_SEQ1=1;//復位SEQ1
AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1;//清除INT_SEQ1位
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1;//響應中斷
return;
}
3.2 保護功能
微機保護作為綜合自動化的重要環(huán)節(jié)，主要有線路保護、電力變壓器保護、電容器保護、備用電源自投、電動機保護、PT保護等[4]。
3.3 電能質(zhì)量分析和故障判斷功能
由于輸電系統(tǒng)的可靠性高，發(fā)生故障的概率低，大部分的故障、異?，F(xiàn)象?
在配電系統(tǒng)中。系統(tǒng)中各種擾動引起的電能質(zhì)量問題又分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩類。穩(wěn)態(tài)質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)橹饕卣?，持續(xù)時間長，表現(xiàn)為諧波、間諧波、電壓不平衡、過電壓和欠電壓。暫態(tài)電能質(zhì)量問題以頻譜和持續(xù)時間短為特征，包括脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩類，表現(xiàn)為電壓瞬變、電壓閃變、電壓驟升、驟降、短時斷電。通過主要的電量參數(shù)(U，I，f，Kw，KVA，Kvar)來完成復雜的系統(tǒng)測試。電量參數(shù)包括最大/最小水平、電量、功率因數(shù)的四象限測量、1-63次的電網(wǎng)諧波分析、電壓電流波形分析、中線電壓和電流分析和供電變壓器的分析。利用此分析結果作為判斷各種故障的依據(jù)，去執(zhí)行控制和遠動單元相應部件動作，提高了準確度，縮短了故障恢復時間。
4 結論
變電站大數(shù)據(jù)量的特征，使得32位專用定點數(shù)字信號處理芯片DSP應用于本系統(tǒng)成為必然，外部硬件電路簡化、接口干擾大大降低，性能相對穩(wěn)定，同時還實現(xiàn)了真正意義的信號同步采集，補償功率[1]的同時引入了全面電能質(zhì)量分析功能，故障排除的時間大大縮短，從整體上降低了經(jīng)濟損失，將具有廣泛的現(xiàn)實應用意義。
本文的創(chuàng)新點是將32位定點DSP芯片TMS320F2812應用在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，并引入了電能質(zhì)量分析理論，對電壓、電流信號的奇次諧波進行了全面分析，提高了控制部件動作準確度的同時縮短了故障恢復時間，相應就提高了變電站綜合自動化系統(tǒng)的性能。