基于DSP2812的絕緣子泄漏電流測控系統(tǒng)的研究

楊敏軍，彭松仁

（1.湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽441141；2.國電湖南寶慶煤電有限公司，湖南 寶慶422000）

1 引言

絕緣子在電力系統(tǒng)中主要起支撐導(dǎo)線和防止電流回地的作用［1］。隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。而因環(huán)境污染導(dǎo)致的絕緣子污閃事故也越來越頻繁地發(fā)生，這對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。目前能有效、方便、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用監(jiān)測絕緣子污穢狀況的方法是實(shí)時(shí)監(jiān)測它的泄漏電流［2］，進(jìn)而判斷絕緣子受污染的程度和當(dāng)前的運(yùn)行狀況。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測、判斷絕緣子泄漏電流是否已達(dá)到瀕臨污閃事故的程度，及時(shí)給電力部門制定檢修計(jì)劃提供參考，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，減少由事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)計(jì)一種能長期且有效地監(jiān)測絕緣子泄漏電流測控系統(tǒng)并能自主分析其泄漏電流狀況的裝置顯得尤為必要。

目前，市場上已有的裝置主要功能只是起采集數(shù)據(jù)［3］的作用，需要上位機(jī)配合分析，沒有真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)測、分析、預(yù)警等一站式服務(wù)的目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一套絕緣子泄漏電流在線測控系統(tǒng)，通過無線通訊設(shè)施，利用特有的上位機(jī)界面遠(yuǎn)程控制安裝在輸電線路絕緣子周圍的采集器分機(jī)，實(shí)時(shí)記錄表征絕緣子運(yùn)行狀態(tài)特征量的泄漏電流，及時(shí)監(jiān)測并判斷絕緣子污閃狀況，減少了相關(guān)人員的工作量，有效地提高了輸電線路的運(yùn)行安全，適應(yīng)了當(dāng)前形勢發(fā)展要求和現(xiàn)有高壓運(yùn)行設(shè)備的需求。

2 絕緣子泄漏電流監(jiān)測原理

圖1 絕緣子泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

絕緣子的泄漏電流是指其在污穢且受潮的情況下，運(yùn)行中測得的絕緣子表面的電流，它受運(yùn)行電壓、氣候、污穢三要素綜合作用的影響而變化［4］。當(dāng)運(yùn)行電壓不變時(shí)，泄漏電流隨污穢程度和環(huán)境濕度的增大而變大；反之，當(dāng)后者不變的情況下，泄漏電流會(huì)隨施加電壓的升高而增加。因此，在監(jiān)測絕緣子狀態(tài)中應(yīng)選超過某一幅值的泄漏電流的脈沖計(jì)數(shù)和泄漏電流的有效值作為特征量，把運(yùn)行電壓等級和當(dāng)前氣候條件作為參考量［5］。從泄漏電流傳感器來的模擬量經(jīng)過前期處理后，通過DSP處理器的A/D模塊，然后進(jìn)行濾波并求有效值，再參照當(dāng)前的氣候環(huán)境信息做出是否報(bào)警的判斷，最后通過無線通訊模塊GSM/GPRS傳輸至后臺(tái)監(jiān)控中心進(jìn)行處理。后臺(tái)計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)據(jù)此判斷目前絕緣子的污穢狀態(tài)。分機(jī)的工作環(huán)境一般為高壓、強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境，故該監(jiān)測系統(tǒng)要具有高可靠性和穩(wěn)定性，而且為了維護(hù)方便，系統(tǒng)也要具有低功耗特性，能滿足在無須人工干預(yù)的情況下能長期在惡劣環(huán)境下工作的功能。如上圖1所示，泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)的分機(jī)采集器主要模塊有：電源模塊、信號采集轉(zhuǎn)換調(diào)理電路模塊、DSP數(shù)字信號處理電路、外圍存儲(chǔ)、時(shí)鐘、通訊電路模塊。

3 硬件平臺(tái)搭建

由于本系統(tǒng)采集對象為微弱信號，且要求核心處理器的速度能達(dá)到系統(tǒng)的要求［6］，能實(shí)現(xiàn)目前較為先進(jìn)的濾波算法，故在對芯片選型時(shí)主要考慮接口豐富、穩(wěn)定性好，能滿足系統(tǒng)功能的同時(shí)，還必須注意功耗低等特點(diǎn)。目前市場上主要有單片機(jī)（MCU）、DSP、ARM等嵌入式芯片，其中DSP芯片具有集成度高、性能優(yōu)良、體積小、實(shí)時(shí)性好、外設(shè)豐富、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。本文綜合考慮到系統(tǒng)性能指標(biāo)、功能特點(diǎn)、市場價(jià)格等因素，選用了德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的TMS320C2000系列芯片TMS320F2812。該芯片是一款32位定點(diǎn)DSP芯片，它不但運(yùn)行速度快，處理功能強(qiáng)大，并具有豐富的片內(nèi)、外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，性價(jià)比很高。該測控系統(tǒng)的外圍電路按照功能不同分為以下幾個(gè)模塊。

3.1 電源模塊

電源電路作為系統(tǒng)動(dòng)力部分，其穩(wěn)定性極其重要。綜合考慮系統(tǒng)的整體需求和節(jié)能環(huán)保要求，系統(tǒng)采取太陽能和蓄電池相結(jié)合供電，互為備用。在蓄電池電壓下降到太陽能電池板輸出電壓時(shí)，太陽能會(huì)對蓄電池進(jìn)行浮充電，另外當(dāng)蓄電池電壓高于某一值時(shí)，可通過控制繼電器停止對蓄電池進(jìn)行充電。蓄電池電壓為6V。電源轉(zhuǎn)換電路為DC/DC，電源電路不僅要滿足各個(gè)功能模塊的電壓標(biāo)準(zhǔn)，還需要有足夠的功率容量。TMS320F2812的I/O 電壓為3.3V，內(nèi)核工作電平為1.8V,本文選用了TI公司的TPS767D301芯片，能同時(shí)滿足兩種規(guī)格電源的輸出，且輸入電源為5V,其優(yōu)點(diǎn)是功率大,驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)。

3.2 外部時(shí)鐘電路模塊

系統(tǒng)除了給內(nèi)核芯片提供時(shí)鐘的晶振電路外，還為系統(tǒng)提供作為一種工作、休眠的外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘的參考電路。采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231SN提供的時(shí)間基準(zhǔn)。該芯片外部接線簡單，體積小，采用I2C總線與CPU進(jìn)行通信，能提供精準(zhǔn)的時(shí)間，在主電源掉電的情況下，能夠通過電池供電保證時(shí)鐘數(shù)據(jù)不丟失。時(shí)鐘具有AM/PM格式且一個(gè)月小于31天可以自動(dòng)調(diào)整，具有閏年補(bǔ)償功能。該模塊功耗低，軟件編程簡單，可通過獨(dú)立的地址訪問和設(shè)置時(shí)間寄存器，即用BCD碼表示年、月、日、星期、時(shí)、分秒。該模塊具有兩路報(bào)警設(shè)置，能給外部提供時(shí)鐘，也可作為系統(tǒng)的外部中斷源，能定時(shí)喚醒DSP，為監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)能、低功耗提供了保證。

3.3 存儲(chǔ)電路模塊

由于TMS320F2812的片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量有限，所以需選用片外存儲(chǔ)器（RAM）IS61LV51216來擴(kuò)展其容量，該芯片存儲(chǔ)容量大小為512K×16位,有16位數(shù)據(jù)線和19位地址線，映射到TMS320F2812的ZONE6存儲(chǔ)空間上，大小為0.5MB，地址范圍為0x10 0000-0x17 FFFF,供電電源為3.3V，當(dāng)DSP運(yùn)行在150MHz時(shí)，地址和數(shù)據(jù)最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期（20ns）,具有不需考慮時(shí)序設(shè)計(jì)的問題。另外為了存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù),擴(kuò)展了一塊512K×16位的FLASH芯片SST39VF160映射到ZONE2的存儲(chǔ)空間上。為了大量存儲(chǔ)泄漏電流數(shù)字信號，本文還配置了通過I2C總線訪問的鐵電存儲(chǔ)器FM24CL64，其容量可達(dá)8G，操作簡便，存儲(chǔ)穩(wěn)定，不易丟失，保障了在DSP芯片內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，能有效保存歷史數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)通信模塊

TMS320F2812芯片內(nèi)部自帶兩個(gè)SCI模塊，通過RS-232、RS-485串行數(shù)據(jù)總線模式可以與無線通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，無線通訊模塊再傳給上位機(jī)，這樣就能在PC機(jī)上利用MATLAB和VC等工具對下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)分析?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)以后進(jìn)行功能擴(kuò)展，一個(gè)SCI模塊可用于調(diào)試（RS-232接口），另一個(gè)（RS-485接口）可用作系統(tǒng)通訊總線，能夠在相應(yīng)的通訊協(xié)議下滿足系統(tǒng)需要。RS-232的驅(qū)動(dòng)芯片選用MAX3221EEAE,RS-485驅(qū)動(dòng)芯片選用MAX3471EUA。無線通信模塊采用杭州飛拓公司生產(chǎn)的UTC-1212SE數(shù)傳模塊，該模塊不僅功耗低，且傳輸距離滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.5 氣象傳感器模塊

絕緣子泄漏電流與它所處環(huán)境下的氣象條件有密切聯(lián)系，即溫、濕度以及風(fēng)速等因素對其泄漏電流有較大的影響，本文選用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT21作為溫濕度傳感器，其集成度高、精度高、功耗低、穩(wěn)定性好且不受光線影響。相對濕度精度±2% RH，溫度誤差±0.3%℃，采用貼片封裝DFN形式，大大縮小了電路板的體積。

3.6 泄漏電流傳感器模塊

由于現(xiàn)場絕緣子泄漏電流信號十分微弱，其幅值和相位經(jīng)常變化，特別是在絕緣子清潔干燥、性能良好時(shí)，其信號更微弱。如何實(shí)現(xiàn)把從傳感器獲得的模擬信號通過一定的倍數(shù)放大進(jìn)行調(diào)整，并且能自動(dòng)根據(jù)信號幅值調(diào)整放大倍數(shù)使其信號幅值在中心轉(zhuǎn)換輸入的允許范圍內(nèi)盡可能最大。本文通過單片機(jī)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)變換，能有效減小誤差。調(diào)理電路主要由分壓器、同相比例放大器、電壓跟隨器三部分組成。放大器一般選用集成運(yùn)放，是因?yàn)槠渑c電壓跟隨器相配合能夠?qū)崿F(xiàn)高精度，且其輸入電阻大，輸出電阻小，能夠真實(shí)地將輸入信號傳給負(fù)載。另外，由于TMS320F2812的A/D模塊輸入信號為電壓信號，所以必須把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，其原理圖如圖2所示，其中LM358AD是TI公司生產(chǎn)的一款性能良好的放大器，W1、W2為調(diào)零電阻。

圖2 泄漏電流接入圖

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件的主要功能為對絕緣子特征量的采集、處理和傳輸，并能接受遠(yuǎn)程控制中心傳輸?shù)闹噶畈?shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理與應(yīng)答。上位機(jī)軟件的主要功能為對各個(gè)分機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)修改、設(shè)置分機(jī)編號、讀取溫濕度信息、讀取當(dāng)前泄漏電流信息、讀取歷史數(shù)據(jù)信息、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。

下位機(jī)軟件是在TI公司針對DSP芯片提供的集C語言與匯編語言于一體的編譯軟件、匯編軟件、連接軟件的集成開發(fā)環(huán)境CCS（Code Compose Studio）軟件下編寫的。為了有利于用戶軟件的設(shè)計(jì)、修改和維護(hù)，本文采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)思想，主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)模塊、外部時(shí)鐘模塊、通訊模塊、低功耗模塊組成。其中初始化主要包括初始化系統(tǒng)控制寄存器、鎖相環(huán)（PLL）、看門狗和系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘，配置通用I/O（GPIO）的方向與初值，清除所有CPU中斷，初始化中斷向量PIE控制寄存器以及中斷向量表，初始化事件管理器EVA、ADC模塊、SCI模塊，使能EVA中斷向量、ADC中斷向量、串口中斷向量，對串口接收數(shù)組變量及ADC采樣數(shù)組變量賦初值，并向上位機(jī)發(fā)送“系統(tǒng)開機(jī)”數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集模塊主要利用事件管理器EVA的通用定時(shí)器來管理ADC采樣模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、外部時(shí)鐘模塊以及溫濕度傳感器模塊都采用了軟件模擬I2C總線來進(jìn)行通訊。串行通訊模塊SCI采用中斷方式接收上位機(jī)命令，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議執(zhí)行相應(yīng)的命令，再查詢相應(yīng)寄存器標(biāo)志，做出是否向上位機(jī)發(fā)送反饋信息。下位機(jī)主流程圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)主流程圖

上位機(jī)軟件是在Microsoft Visual Basic 6.0環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)的，即通過設(shè)置一個(gè)特定的通訊協(xié)議，利用VB6.0中主要的控件如串口通訊控件MSComm、定時(shí)器控件Timer、進(jìn)度條控件Progress等來實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)測試

上位機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要為室內(nèi)，利用數(shù)字信號發(fā)生器模擬泄漏電流，監(jiān)測結(jié)果反映在上位機(jī)PC機(jī)上（如圖5所示）。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控界面

圖5 系統(tǒng)測試結(jié)果

從圖5（a）的示波圖中可觀察到由I/V轉(zhuǎn)換后的模擬電壓幅值U1=584mV，圖5（b）中AD轉(zhuǎn)換顯示結(jié)果幅值為3840，由ADC轉(zhuǎn)換公式可得U1=586.0mV，誤差只有2mV。從圖5（c）的示波圖中可觀察到由I/V轉(zhuǎn)換后的模擬電壓幅值U2=20mV，圖5（d）中AD轉(zhuǎn)換顯示結(jié)果幅值為128，由ADC轉(zhuǎn)換公式可得U2=19.5mV，誤差只有0.5mV。由此可知本監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換和還原監(jiān)測到的模擬信號。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)制作了一種基于DSP芯片TMS320F2812的絕緣子泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)［7］。長期運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低、性價(jià)比高、數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)絕緣子污穢狀況，為實(shí)現(xiàn)絕緣子從計(jì)劃檢修過渡到狀態(tài)檢修提供了保障，對電力系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行也具有十分重要的意義。

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