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基于DSP的電力電源系統集中監控器的研究

鉅大LARGE  |  點擊量:1112次  |  2020年06月16日  

1引言


電力電源系統是電力系統的重要設備,重要用于發電廠、變電站、通信電源中,是保證自動控制與保護、動力、儀器儀表、信號、通信、事故照明等的重要電源,其性能和質量直接關系到電網的穩定運行和設備安全。以往的電力電源設備集中監控器重要以單片機為核心來實現對各信號采集、控制、通信等,與單片機相比,DSp芯片具有更好的處理性能,更低功耗,更高的外設集成度,實時控制能力更強。本文將TI公司的DSp芯片TMS320LF2407A用于電力直流系統的監控裝置研制中,利用其高效的實時處理能力(30MIpS),實時檢測直流充電模塊、蓄電池的運行狀態,記錄和處理相關數據,使遠程機能實現對電力電源設備的遙信、遙測、遙控、遙調,從而有利于用計算機監控系統代替人工控制技術,滿足電站自動化的要求,實現無人值守變電站,提高電網的綜合效率和可行性。


2監控系統整體結構


監控系統的整體結構由監控調度中心計算機、集中監控器、充電模塊監控單元組成。監控調度中心可通過電話網、MODEM或CAN、LONWORK總線與集中監控器進行串行通信;集中監控器通過RS485或RS232與智能充電模塊進行串行通信。集中監控器能隨時通過串行通信接受并快速響應來自上層監控中心的監測命令和控制指令,一方面通過串行通信實現對下層監控單元(充電模塊)的遙測、遙控、遙信、遙調。另一方面向監控調度中心發送狀態改變或告警信息。維護人員可在監控調度中心監視各個現場整流配電設備的運行情況,實現無人值守。


3集中監控器的工作原理與硬件設計


3.1集中監控器的工作原理


集中監控器的結構由數據處理單元、人機接口(鍵盤、顯示、時鐘)單元、串行通信單元等組成。如圖1所示,各監測的模擬量經多路開關CD4051選擇進入2407A的AD轉換接口,由2407A按時采樣,由于監測的模擬量較多,采樣時DSp采用級聯模式,一次作16個轉換,DSp對轉換后的數據進行比較、計算、存儲、顯示、報警等。開關量輸入經光耦和緩沖器進入DSp的IOpB口,DSp通過對IOpB口的檢測和數值處理結果再出現相應的動作如聲光報警,關閉電源模塊等。通過人機接口的按鍵,可上、下、前、后翻屏查看監控信息(充電模塊狀態,蓄電池狀態等)和更改系統參數設置(溫度補償系數、電壓、電流閾值等)。DSp對模塊電源、蓄電池的控制分別通過串行通信、繼電器動作來完成。其中模擬量輸入包括交流輸入電壓、交流輸入電流、系統輸出直流電壓、系統負載總電流、蓄電池的電壓、電流、溫度、環境溫度等等。這些模擬量信號通過傳感器和變送器轉換而來,如:直流輸出電壓取樣來自直流屏輸出端,經降壓、緩沖、濾波后,變換為0-3.3V的電壓;電流取樣來自配電屏分流器,經放大、光電耦合、濾波、緩沖后,變換為0-3.3V電壓。數字量輸入包括熔絲斷、直流輸出過壓、欠壓信號,重要開關狀態等。


3.2集中監控器的硬件設計


TMS320系列DSp控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身,為控制系統應用供應了一個理想的解決方法。在此我們采用TMS320LF2407A定點DSp控制器作為數據處理單元的處理器,它是真正的單芯片控制器,它的供電電壓降為3.3伏,30MIpS的執行速度使得指令周期縮短到33ns,從而提高了控制器的實時控制能力,片內有32K字的FLASH程序存儲器,1.5K字的數據程序RAM,544字的雙口RAM和2K字的單口RAM,兩個事件管理器模塊,可擴展的外部存儲器192K字空間,看門狗按時器模塊,控制器網絡(CAN)2.0B模塊,10位A/D轉換器,40個單獨編程或復用的IO口,電源管理能獨立地將外設器件轉入低功耗工作模式。這樣可減少外部擴展器件,縮小了整個監控器的體積。人機接口單元的重要功能是顯示系統的狀態信息,供應聲光報警,接受按鍵輸入。通過一塊LCD液晶模塊顯示系統的狀態信息及提示按鍵輸入參數信息,通過發光二極管及蜂鳴器來顯示告警信息。時鐘采用帶I2C總線接口的日歷芯片pCF8583,由于2407A沒有專用的I2C時序引腳,在本設計中用軟件來模擬I2C總線時序,將2407ASpI口的引腳SpISIM、SpISTE設置為I/O方式分別接pCF8583的SCL、SDA引腳,并且要求接上拉電阻。為了能簡化電路我們只用了5個按鍵來完成查詢設置要。數據通信單元包括DSp與上層監控系統和DSp與下層監控單元的數據交換。在此上層監控系統指調度中心計算機或本地pC機,下層監控單元指由單片機構成的充電模塊監控單元。可選用異步串行收發器16C550及MODEM實現與中心計算機的遠程通信;與本地機通信可通過RS232總線,由于2407A芯片采用的電源為3.3V且其串行通信SCI接口為CMOS電平,而微機串口采用的是標準RS-232-CEIA電平(-3V~-15V為1,+3V~+15V為0),因此使用MAXIM公司的低功耗高速率電平轉換芯片MAX3232E實現CMOS和EIA電平轉換,各通信接口之間都采用光耦隔離。RS-232標準總線為25線,實際應用中采用最簡單的3線傳送(地線、發送線、接收線)方式。2407與單片機的通信接口芯片選擇MAX488,接口電路符合RS-485標準。還可以根據用戶的不同要對外實現通信如利用CAN總線與外部相連實現現場總線控制。


4集中監控器的軟件設計


為方便用戶添加或刪除某些功能,軟件采用模塊化結構,用C語言和匯編語言混合編程。主程序流程如圖2所示,完成對AD轉換結果的數據分析,IO口數字量的處理,調用蓄電池管理程序,時鐘程序,LCD顯示程序等等。其中數據分析包括電池組的放電電流差計算、浮充電壓判斷、充電電流比較、放電電壓的比較、低壓切除電壓閾值調整等等;IO數字量處理包括對開關量的判斷、報警等;中斷程序包括AD轉換、串行通信、鍵盤處理等等。蓄電池管理程序根據數據分析的結果對蓄電池進行自動均浮充和放電保護控制。本文研究的監控器考慮對兩組蓄電池的管理,DSp根據檢測到的電池組的實時數據,計算、分析電池的狀態,依據設定的參數值,自動進行均、浮充轉換并供應全面的聲光報警及相應的電池保護。如:依據各組電池的放電電流差,提示可能存在的電池故障;在電池電壓大小不同的階段設置充電限流值,保證電池容量得到最大補充。在充電限流中采用將各組電池充電電流的最大值與限流值相比較的方法,保證了每組電池電流不超過充電限流值。在低壓斷路中,在電池放電到設定的低壓切除電壓時,會自動切除蓄電池組,防止電池過放電。在此設定的低壓切除電壓值不是固定的,它與實際放電電流有關,在大電流放電時,其末期電壓設置為較小,而在小電流放電時低壓切除電壓閾值較高。定期通過軟件控制手段將充電模塊置于關閉狀態,讓蓄電池放電,防止蓄電池的內阻增大從而新增蓄電池的使用壽命。蓄電池管理程序流程圖如圖3所示。


LCD顯示程序框架如圖4所示:每屏可顯示15*4漢字,顯示屏共分16屏,其中首屏為監控子菜單,內容包括時間、交流電壓、交流電流、輸出電壓、負載電流、環境溫度、均浮充狀態等參數。在首屏按上翻鍵可進入主菜單屏,包括監控、充電模塊、電池、告警記錄四個子菜單;在主菜單屏可任意選擇進入要查看的子菜單,其中充電模塊內容包括狀態查詢、參數設置(普通、廣播)。電池中的內容包括狀態查詢、參數設置,進入狀態查詢子菜單可查看蓄電池組的溫度、電壓、電流、均浮充狀態等,可通過參數設置改變與電池相關的參數如溫度補償系數。故障記錄子菜單包括故障編號、發生的時間等。屏間信息的轉換、屏內光標的移動、參數的增減通過上、下、左、右、確定按鍵組合實現。串行通信軟件,包括DSp與pC的串行通信和DSp與單片機的串行通信。關于pC機,以VC++6.0作為開發工具,采用WindowsActiveX控件-MSComm來實現通信程序,在事件處理函數oncomm1中將接收到的下位機數據寫入數據庫文件,進一步實現計算機監控軟件的功能。集中監控器對多個充電模塊的控制通過DSp2407與多個單片機的通信來實現,可依次與每一個充電模塊傳送數據或同時發送數據(廣播方式)。本文協議中DSp與pC機、單片機的通信采用CRC標準的循環冗余碼校驗,波特率9600bps,幀格式:每幀11位,起始位1位,數據位8位,校驗位1位,停止位1位。pC機與DSp通信中,由于pC機要控制多個直流屏,即要與多個DSp通信,本文中DSp通信采用處理小數據十分有效的地址位模式,設置SCI的sleep位進入接收睡眠模式,當探測到地址幀時才中斷,然后判斷收到的地址與自己地址是否相同,若相同,才能讀取其后pC機發來的數據,數據報文格式如圖5所示。


圖4LCD顯示程序框圖


圖5數據報文格式


同樣DSp與單片機通信中需發送充電模塊地址,從而建立一對一的信道或一對多信道(廣播方式),然后才發送數據。DSp發地址碼時,校驗位為1,發數據碼時,校驗位為0。DSp串行通信采用中斷的方式,DSp啟動串行口后就不再詢問它的狀態,依然執行自己的程序,實現DSp與串行口的并行工作。當串行口出現中斷時,先向DSp申請中斷,DSp響應中斷后就暫時中斷自己的程序,執行相應的串口中斷服務程序,執行完后又返回主程序,這種方式使信息得到及時處理。


6結束語


本文研究的電力電源系統集中監控器以具有快速運算能力的DSp為核心,在實時檢測多種電氣量的基礎上具有以下重要功能:1、可實時監測蓄電池組的電流、電壓、溫度;直流屏中直流輸出電壓、電流、熔斷絲的狀態信號輸入、直流輸出告警;充電模塊工作狀態;交流電壓、電流等等;2、根據蓄電池的狀態智能控制充電模塊的開/關機、均/浮充,調節充電模塊的輸出電壓和限流級別;3、可通過按鍵查詢各充電模塊和蓄電池的狀態信息,更改系統參數;4、對故障進行聲光報警并供應故障歷史記錄;5、利用串行接口DSp與pC機及充電模塊進行數據交換,接受監控調度中心的遠程控制對充電器實現遙信、遙測、遙控、遙調。與以單片機為核心的監控器相比,該裝置更好地滿足了電力直流系統設備監控系統的實時性、穩定性和可靠性要求,更加適應現代供電技術的發展。


參考文獻


1劉和平等著.TMS320LF240XDSp結構、原理及應用.北京特種航天大學出版社.20022王家慶主編.智能高頻開關電源系統的原理使用與維護.人民郵電出版社.20003李現勇著.VC++串口通信技術與工程實踐人民郵電出版社.2002


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