DSP与无线通信的电力系统故障录波器设计

摘要：针对目前电力系统故障录波器中缺少无线通信的缺陷，设计出一种结合DSP与无线通信模块的电力系统故障录波器。分析了系统运行原理以及无线通信模块在电力系统故障录波器中的应用方法，介绍了电力系统故障录波器的硬件设计和软件流程，并验证了无线通信模块应用在电力系统故障录波器的可行性。
关键词：电力系统；故障录波器；TMS320F2812；SZ05；无线通信模块

引言
电力系统录波器是一种长期应用在电力系统中，用来监视电力系统运行状况的一种自动记录装置。它可以记录系统正常和非正常状况下系统电压、系统电流的变化，以及电力系统故障情况下系统频率、有功功率、无功功率的全过程变化。其所记录的各种参数对于分析电力系统正常运行下电能的应用情况起着重要的作用，而且故障阶段记录的数据对于分析电力系统事故发生原因，帮助寻找故障发生点，迅速处理相关故障事故，特别是分析继电保护运作行为起着关键的作用。目前电力系统录波器已成为电力系统自动化及系统管理的重要组成部分。
参考文献设计的是一种基于DSP的电力系统故障录波器，采用以太网方式来控制。参考文献设计的电力系统故障录波器采用计算机与局域网相结合的方法，其缺点是只能以局域网方式来连接，使得产品应用有一定的局限性。以上两种设计方案均须架设局域网络，才能实现其传输功能。本文采用基于DSP与无线通信模块的设计方案，可以实现1000～2000 m之间的传输，而且每个无线通信模块都可以作为一个小中继器，可以实现间接传输，进而使传输距离更远。

1 系统运行原理
简单来说，电力系统故障录波器是一个测量装置，其运行原理如图1所示。首先，电网的各项电压、电流通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号。之后，由检测部分的电压、电流传感器对电网三相电压、电流等基本参数进行实时检测，所测的6路模拟量传递给16位A／D转换芯片AD7656。DSP芯片TMS320F2812控制AD7656将6路模拟量转换成数字量，利用FFT算法对电压、电流的数字量进行分析，提取出基波和各次谐波分量，并算出有功功率、无功功率和THD值等相关参数。最后，通过串口传送给无线通信模块，进行无线通信传输。

电力系统故障录波器借助无线通信模块，将分析处理后的数据通过无线网络传输至远端主机，以便主机对整个区域的电力系统运行情况进行分析。远端主机也可以发送控制命令到各个子站的传输模块，由传输模块再传送到主处理器，用于控制电力系统录波器的运行，包括要采集的某相电压或电流的数据、显示的刷新频率、其他参数设置和工作模式等。整个系统的控制由一个中央主机进行控制，这里以10个站点为例进行说明。如图2所示，主机通过无线通信模块发送指令给各个站点，各个站点通过无线通信模块接收主机的指令，然后根据指令的要求完成相应的工作任务。DSP通过无线通信模块将所测数据传输给主机，以供主机进行数据分析。

2 系统硬件设计
本系统核心采用TMS320F2812和SZ05系列无线通信模块。采集来的数字信号经过DSP进行处理，并利用RS232串口将处理后的数据通过无线通信模块发到主机。
2．1 TMS320F2812及外围电路
TMS320F2812作为高性能的32位定点DSP芯片，具有如下特点：主频达150 MHz，低成本、低功耗，具有高性能的处理能力，可用C／C++语言实现复杂的数学算法，特别适用于有大量数据处理的测控场合；具有2个事件管理器(EVA和EVB)、3个外部中断、外设中断允许(PIE)模块，支持45个外设中断。
2．1．1 TMS320F12812的时钟电路
有2种方法提供时钟：一种是将外部时钟源直接输入X2／CLKIN引脚，X1悬空，采用已封装晶体振荡器；另一种是利用TMS320F2812内部所提供的晶体振荡器电路，即在TMS320F2812的X1和X2引脚之间连接一晶体来启动内部振荡器。考虑到资源利用和电路设计的简单性，最小应用系统的时钟电路采用TMS320F2812内部晶体振荡器电路，具体电路如图3所示。外部晶体的工作频率为30 MHz，TMS320F、2812内部具有一个可编程的锁相环，用户可根据所需系统时钟频率对其编程设置。

2．1．2 TMS320F2812的复位电路
TMS320F2812的复位电路采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期；上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100～200 ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD301一旦加电，其输出电压紧随输入电压。当输出电压达到启动RESET的最小电压(25℃时，为1．5 V)时，引脚RESET输出低电平，并且至少保持200 ms，从而满足复位要求。
2．1．3 TMS320F2812的供电电路
DSP的供电要求为其内核和I／O分别进行供电，现采用电源器件TPS73HD301为DSP供电，内核供电电压为1．9 V，I／O口供电电压为3．3 V。其中，Vdd供1．9 V电压，VDDIO供3．3 V电压，Vss接地。