摘要：采用了TI公司的DSP芯片TMS320F2812及整體全分散式的設計思想，介紹了硬件電路設計和軟件實現的功能，以實現對變電站的各種模擬量、數字量及控制過程進行高速實時的數據采集，參數計算，電能質量分析，故障判斷處理，以及多種信息的eCAN總線高效傳輸等功能，最終大大提高了變電站綜合自動化系統的整體性能。
關鍵詞：DSP；變電站；綜合自動化；繼電保護；電能質量分析

引言

變電站綜合自動化系統是將變電站的二次設備經過功能組合和優化設計，綜合利用先進的多種學科技術，集成于一體的自動化系統^[2][4]。從系統的結構看，全分散式的設計思想越來越顯現出優越性。由于變電站的數據量和信息量大，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。其內部哈佛結構使數據空間和程序空間分離，獨立的總線和程序總線允許程序數據同時操作；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；采用內存映射方式管理I/O，能靈活方便的擴充外圍電路。

1 系統的整體結構設計

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，集監測、保護、控制、遠動等為一體的綜合系統。系統整體結構如圖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控室或一次設備附近，便于安裝，維護管理。監控主機發命令給各個單元和遠方調度集控中心，進行實時數據傳輸和信息交換。

2 各單元硬件電路設計

本系統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PT，C T(密互感器CT05)將電壓電流降低，再經精密互感器(TV)和信號調理電路(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字信號在短時間內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，可實現并發和級聯采樣兩種模式，已很好的滿足實用需要，可實現真正的同步采樣，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，光纜，無線等等多種形式的通信。指令系統采用流水線操作，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DSP所需的1.8V，1.8VA，3.3V，3.3VA電壓，其中模擬地和數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

該模塊實現各子系統之間，及其與監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，而且具有優良的錯誤處理機制及可靠的數據傳輸性能，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、變電站一次設備及報警信號、變壓器分接頭位置等數字量信號等^[3]。下面是AD電壓采集的部分程序，采用并發采樣雙序列發生器模式，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;//設置并發采樣模式

AdcRegs.ADCMAXCONV.all=0x0011;//2個雙重序列發生器(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節，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 電能質量分析和故障判斷功能

由于輸電系統的可靠性高，發生故障的概率低，大部分的故障、異?，F象在配電系統中。系統中各種擾動引起的電能質量問題又分為穩態和暫態兩類。穩態質量問題以波形畸變為主要特征，持續時間長，表現為諧波、間諧波、電壓不平衡、過電壓和欠電壓。暫態電能質量問題以頻譜和持續時間短為特征，包括脈沖暫態和振蕩暫態兩類，表現為電壓瞬變、電壓閃變、電壓驟升、驟降、短時斷電。通過主要的電量參數(U，I，f，Kw，KVA，Kvar)來完成復雜的系統測試。電量參數包括最大/最小水平、電量、功率因數的四象限測量、1-63次的電網諧波分析、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，去執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

變電站大數據量的特征，使得32位專用定點數字信號處理芯片DSP應用于本系統成為必然，外部硬件電路簡化、接口干擾大大降低，性能相對穩定，同時還實現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量分析功能，故障排除的時間大大縮短，從整體上降低了經濟損失，將具有廣泛的現實應用意義。

本文的創新點是將32位定點DSP芯片TMS320F2812應用在變電站綜合自動化系統中，并引入了電能質量分析理論，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的性能。

參考文獻

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