基于DSP的电力电源系统集中监控器的研究

1 引言

电力电源系统是电力系统的重要设备，主要用于发电厂、变电站、通信电源中，是保证自动控制与保护、动力、仪器仪表、信号、通信、事故照明等的重要电源，其性能和质量直接关系到电网的稳定运行和设备安全。以往的电力电源设备集中监控器主要以单片机为核心来实现对各信号采集、控制、通信等，与单片机相比，DSP芯片具有更好的处理性能，更低功耗, 更高的外设集成度，实时控制能力更强。本文将TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A用于电力直流系统的监控装置研制中，利用其高效的实时处理能力（30MIPS），实时检测直流充电模块、蓄电池的运行状态，记录和处理相关数据，使远程机能实现对电力电源设备的遥信、遥测、遥控、遥调，从而有利于用计算机监控系统代替人工控制技术，满足电站自动化的要求，实现无人值守变电站，提高电网的综合效率和可行性。

2　监控系统整体结构

监控系统的整体结构由监控调度中心计算机、集中监控器、充电模块监控单元组成。监控调度中心可通过电话网、MODEM或CAN、LONWORK总线与集中监控器进行串行通信；集中监控器通过RS485或RS232与智能充电模块进行串行通信。集中监控器能随时通过串行通信接受并快速响应来自上层监控中心的监测命令和控制指令，一方面通过串行通信实现对下层监控单元（充电模块）的遥测、遥控、遥信、遥调。另一方面向监控调度中心发送状态改变或告警信息。维护人员可在监控调度中心监视各个现场整流配电设备的运行情况，实现无人值守。

3　集中监控器的工作原理与硬件设计

3.1　集中监控器的工作原理

集中监控器的结构由数据处理单元、人机接口（键盘、显示、时钟）单元、串行通信单元等组成。
如图1所示，各监测的模拟量经多路开关CD4051选择进入2407A的AD转换接口，由2407A定时采样，由于监测的模拟量较多，采样时DSP采用级联模式，一次作16个转换，DSP对转换后的数据进行比较、计算、存储、显示、报警等。开关量输入经光耦和缓冲器进入DSP的IOPB口，DSP通过对IOPB口的检测和数值处理结果再产生相应的动作如声光报警，关闭电源模块等。通过人机接口的按键，可上、下、前、后翻屏查看监控信息（充电模块状态，蓄电池状态等）和更改系统参数设置（温度补偿系数、电压、电流阈值等）。DSP对模块电源、蓄电池的控制分别通过串行通信、继电器动作来完成。其中模拟量输入包括交流输入电压、交流输入电流、系统输出直流电压、系统负载总电流、蓄电池的电压、电流、温度、环境温度等等。这些模拟量信号通过传感器和变送器转换而来，如：直流输出电压取样来自直流屏输出端，经降压、缓冲、滤波后，变换为0－3.3V的电压；电流取样来自配电屏分流器，经放大、光电耦合、滤波、缓冲后，变换为0－3.3V电压。数字量输入包括熔丝断、直流输出过压、欠压信号，主要开关状态等。

3.2　集中监控器的硬件设计

TMS320系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。在此我们采用TMS320LF2407A定点DSP控制器作为数据处理单元的处理器，它是真正的单芯片控制器，它的供电电压降为3.3伏，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力，片内有32K字的FLASH程序存储器，1.5K字的数据程序RAM，544字的双口RAM和2K字的单口RAM，两个事件管理器模块，可扩展的外部存储器192K字空间，看门狗定时器模块，控制器网络（CAN）2.0B模块，10位A/D转换器，40个单独编程或复用的IO口，电源管理能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。这样可减少外部扩展器件，缩小了整个监控器的体积。
人机接口单元的主要功能是显示系统的状态信息，提供声光报警，接受按键输入。通过一块LCD液晶模块显示系统的状态信息及提示按键输入参数信息，通过发光二极管及蜂鸣器来显示告警信息。　时钟采用带I2C总线接口的日历芯片PCF8583，由于2407A没有专用的I2C时序引脚，在本设计中用软件来模拟I2C总线时序，将2407A SPI口的引脚SPISIM、SPISTE设置为I/O方式分别接PCF8583的SCL、SDA引脚，并且要求接上拉电阻。为了能简化电路我们只用了5个按键来完成查询设置需要。
数据通信单元包括DSP与上层监控系统和DSP与下层监控单元的数据交换。在此上层监控系统指调度中心计算机或本地PC机，下层监控单元指由单片机构成的充电模块监控单元。可选用异步串行收发器16C550及MODEM实现与中心计算机的远程通信；与本地机通信可通过RS232总线，由于2407A芯片采用的电源为3.3V且其串行通信SCI接口为CMOS电平,而微机串口采用的是标准RS-232-CEIA电平(-3V～-15V为1,+3V～+15V为0),因此使用MAXIM公司的低功耗高速率电平转换芯片MAX3232E实现CMOS和EIA电平转换，各通信接口之间都采用光耦隔离。RS-232标准总线为25线，实际应用中采用最简单的3线传送（地线、发送线、接收线）方式。2407与单片机的通信接口芯片选择MAX488，接口电路符合RS－485标准。还可以根据用户的不同需要对外实现通信如利用CAN总线与外部相连实现现场总线控制。