基于ＤＳＰ的ＦＴＵ的研究

摘要：本文提出了以TI公司TMS320LF2407 DSP為核心處理器的饋線自動(dòng)化遠(yuǎn)方智能終端(FTU)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)FTU的硬件原理框圖，設(shè)計(jì)了DSP基本外圍電路，編寫(xiě)了FTU硬件電路的軟件實(shí)現(xiàn)程序，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的FTU的故障定位、故障隔離和供電恢復(fù)重要功能。

關(guān)鍵詞：FTU；饋線自動(dòng)化；數(shù)字信號(hào)處理；故障定位

1. 引言

饋線自動(dòng)化的主要作用是在正常情況下監(jiān)視饋線負(fù)荷并優(yōu)化運(yùn)行方式，當(dāng)故障發(fā)生后，及時(shí)準(zhǔn)確地確定故障區(qū)段，迅速隔離故障區(qū)段并恢復(fù)健全區(qū)段供電 [1][2]。饋線自動(dòng)化中的關(guān)鍵設(shè)備是饋線遠(yuǎn)方終端FTU(Feeder Terminal Unit)。FTU是整個(gè)饋線 自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制單元，起到聯(lián)接開(kāi)關(guān)及數(shù)據(jù)采集與主控制系統(tǒng)的橋梁作用 ，是對(duì)配電負(fù)荷開(kāi)關(guān)或環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)控的自動(dòng)化設(shè)備。在FTU的研究設(shè)計(jì)方面，以往主要以單片機(jī)為主控芯片，隨著DSP技術(shù)的日趨成熟，將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的FTU設(shè)計(jì)中來(lái)，充分發(fā)揮其快速?gòu)?qiáng)大的運(yùn)算和處理能力以及并行運(yùn)行的能力，以滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求，因此研究基于DSP技術(shù)的FTU對(duì)于提高我國(guó)配電自動(dòng)化水平具有深遠(yuǎn)的意義[3][4]。

2 基于DSP的FTU硬件電路設(shè)計(jì)

FTU作為饋線 自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它的功能設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的性能。FTU除了具備應(yīng)有的數(shù)據(jù)采集、通信、三遙（遙測(cè)、遙控、）等主要功能外，還必須具備保護(hù)功能，保護(hù)應(yīng)該具有單獨(dú)的通信接口，完成相鄰開(kāi)關(guān)保護(hù)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[5]?；?TMS320LF2407 DSP芯片設(shè)計(jì)的FTU的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 模擬量采集與轉(zhuǎn)換功能

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的饋線遠(yuǎn)方終端進(jìn)行監(jiān)控的工作流程是：先通過(guò)串行通信口從上位機(jī)下載監(jiān)控程序到 DSP芯片，再由 DSP發(fā)出數(shù)據(jù)采樣命令，這時(shí)模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A／D)以后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給DSP芯片進(jìn)行運(yùn)算處理，以完成各種監(jiān)控功能。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，F(xiàn)TU監(jiān)測(cè)一條饋電線路需要采集8路模擬量，其中6路為交流量用交流信號(hào)采集方法完成，分別為饋電線路的線電壓uab、ubc，相電流ia、ib，零序電壓u0，零序電流i0，作為計(jì)算有功功率、無(wú)功功率功率因數(shù)等的依據(jù)；2路直流量，一路用于監(jiān)視FTU的溫度，通過(guò)溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓值；一路用于監(jiān)視 FTU的電源電壓。

2.2 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路

遙信的輸入和遙控的輸出都是開(kāi)關(guān)量。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)量作為信號(hào)源時(shí)本身的干擾就比較大，而且它距離一般都比較遠(yuǎn)，沿途干擾也較大，所以開(kāi)關(guān)量輸入時(shí)都要采用隔離措施，如光電隔離等[6]。論文采用直接數(shù)字輸入/輸出方式對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)16路開(kāi)關(guān)量輸入，8路開(kāi)關(guān)量通過(guò)繼電器輔助接點(diǎn)輸出到被控對(duì)象。開(kāi)關(guān)量輸入、輸出均要采用光電隔離以去干擾。電路圖見(jiàn)圖3所示。

繼電器輸出電路：將遙控信號(hào)通過(guò)DSP輸出給工I/O口。然后光電隔離輸出給繼電器線圈，用繼電器觸點(diǎn)去控制被控對(duì)象。

2.3FTU雙端電源切換與蓄電池監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)TU的工作電源由饋電線變換提供。由于饋線電壓相對(duì)穩(wěn)定，因而 FTU的供電電源也是相對(duì)穩(wěn)定的。電路設(shè)計(jì)如圖 2所示。設(shè) A端有電時(shí)，J一1、J一2吸合于常開(kāi)觸點(diǎn)，這時(shí) FTU由 A端供電；當(dāng) A端失電時(shí)，J一1、J一2合于常閉觸點(diǎn)這時(shí)由 B端供電，從而保證了在一側(cè)失電時(shí)供電的連續(xù)性。

當(dāng)故障情況時(shí)，其電源切換為由蓄電池提供。對(duì)蓄電池的監(jiān)控電路設(shè)計(jì)如圖3所示當(dāng)主控制器發(fā)出巡檢蓄電池命令定時(shí)自檢電池時(shí)輸出高電平驅(qū)動(dòng)繼電器J，繼電器 J的常閉觸點(diǎn)J一1斷開(kāi)即脫離電源浮充端，常開(kāi)觸點(diǎn) J一2閉合 ，蓄電池帶上一個(gè)25Ω的功率電阻，如果其電壓高于穩(wěn)壓管 D1的穩(wěn)壓值 22±0.2 V，則表明蓄電池狀態(tài)良好，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦輸出為低電平；如果電池電壓低于這個(gè)值時(shí)，則穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，光耦輸出為高電平，表明蓄電池有問(wèn)題，然后將信息通過(guò)通信傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便及時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行檢修。

2.4 異步串口通信電路

串口通信是目前最常用的異步通信方式。論文基于TMS320LF2407的SCI模塊實(shí)現(xiàn)了CPU與異步外設(shè)RS232串行口之間的數(shù)字通信。圖4是TMS320LF2407串行通信接口電路，采用了MAX232芯片作為標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行串行通信。由于 TMS320LF2407采用 +3.3V電壓供電，所以在TMS320LF2407與MAX232之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用了4N35低速光耦隔離芯片進(jìn)行光電隔離和電平轉(zhuǎn)換控制，通信采用串行總線接口RS232標(biāo)準(zhǔn)。

3 FTU 的軟件流程設(shè)計(jì)

總體軟件流程圖如圖所示，軟件的實(shí)現(xiàn)及相關(guān)算法的、需要在TI公司的CCS2000環(huán)境下變成，使用到程序語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。程序在CCS2000環(huán)境下編譯調(diào)試通過(guò)后，最后將程序燒入DSP的偏上Flash上。

結(jié)論

針對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中饋線 自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端FTU在性能方面存在的不足，結(jié)合目前較為成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高性能 DSP芯片，研究設(shè)計(jì)了基于DSP芯片 TMS320LF2407作 CPU的FTU，并對(duì)FTU的性能進(jìn)行了具體的討論，主要完成了以下三個(gè)方面的工作：

運(yùn)用DSP芯片——TI公司的TMS320LF24

07，結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)對(duì)FTU硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；

編寫(xiě)了FTU硬件電路的軟件實(shí)現(xiàn)程序，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的FTU的故障定位、故障隔離和供電恢復(fù)重要功能。

通過(guò)對(duì)軟硬件的調(diào)試、測(cè)試、仿真和輸出得到了預(yù)期的FTU的功能和效果。

仿真調(diào)試結(jié)果表明，基于 DSP芯片的FTU在設(shè)計(jì)上發(fā)揮了TMS320LF2407處理性能好、外設(shè)集成度高、控制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電力系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)性強(qiáng)、處理算法復(fù)雜性高的要求，符合配電自動(dòng)化發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡心一．關(guān)于配電自動(dòng)化需要與發(fā)展[J]．江蘇電器2001，(4)：12-14；

[2]趙祖康，王偉．中國(guó)城市配電網(wǎng)自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24(19)：43-46

[3]李春濤．配電網(wǎng)自動(dòng)化改造方案探索[J]．山西電力技術(shù)，2000，(5)：22-25．

[4]汪童志．饋線自動(dòng)化的幾種實(shí)現(xiàn)模式 [J]．供用電，2000，(4)：6-8．

[5]林功平．配電網(wǎng)饋線 自動(dòng)化解決方案的技術(shù)策略[J]．電力系統(tǒng) 自動(dòng)化，2001，25(7)：52-55．

[6]康華光等.電子技術(shù)基礎(chǔ).第一版.北京:高等教育出版社.1995