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。

4　集中监控器的软件设计

为方便用户添加或删除某些功能，软件采用模块化结构，用C语言和汇编语言混合编程。主程序流程如图2所示，完成对AD转换结果的数据分析，IO口数字量的处理，调用蓄电池管理程序，时钟程序，LCD显示程序等等。其中数据分析包括电池组的放电电流差计算、浮充电压判断、充电电流比较、放电电压的比较、低压切除电压阈值调整等等；IO数字量处理包括对开关量的判断、报警等；中断程序包括AD转换、串行通信、键盘处理等等。
蓄电池管理程序根据数据分析的结果对蓄电池进行自动均浮充和放电保护控制。本文研究的监控器考虑对两组蓄电池的管理，DSP根据检测到的电池组的实时数据，计算、分析电池的状态，依据设定的参数值，自动进行均、浮充转换并提供全面的声光报警及相应　的电池保护。如：依据各组电池的放电电流差，提示可能存在的电池故障；在电池电压大小不同的阶段设置充电限流值，保证电池容量得到最大补充。在充电限流中采用将各组电池充电电流的最大值与限流值相比较的方法，保证了每组电池电流不超过充电限流值。在低压断路中，在电池放电到设定的低压切除电压时，会自动切除蓄电池组，防止电池过放电。在此设定的低压切除电压值不是固定的，它与实际放电电流有关，在大电流放电时，其末期电压设置为较小，而在小电流放电时低压切除电压阈值较高。定期通过软件控制手段将充电模块置于关闭状态,让蓄电池放电，防止蓄电池的内阻增大从而增加蓄电池的使用寿命。蓄电池管理程序流程图如图3所示。

LCD显示程序框架如图4所示：每屏可显示15*4汉字，显示屏共分16屏，其中首屏为监控子菜单，内容包括时间、交流电压、交流电流、输出电压、负载电流、环境温度、均浮充状态等参数。在首屏按上翻键可进入主菜单屏，包括监控、充电模块、电池、告警记录四个子菜单；在主菜单屏可任意选择进入要查看的子菜单，其中充电模块内容包括状态查询、参数设置（普通、广播）。电池中的内容包括状态查询、参数设置，进入状态查询子菜单可查看蓄电池组的温度、电压、电流、均浮充状态等，可通过参数设置改变与电池相关的参数如温度补偿系数。故障记录子菜单包括故障编号、发生的时间等。屏间信息的转换、屏内光标的移动、参数的增减通过上、下、左、右、确定按键组合实现。
串行通信软件，包括DSP与PC的串行通信和DSP与单片机的串行通信。对于PC机，以VC＋＋6.0作为开发工具，采用Windows ActiveX控件－MSComm来实现通信程序，在事件处理函数oncomm1中将接收到的下位机数据写入数据库文件，进一步实现计算机监控软件的功能。集中监控器对多个充电模块的控制通过DSP2407与多个单片机的通信来实现，可依次与每一个充电模块传送数据或同时发送数据（广播方式）。本文协议中DSP与PC机、单片机的通信采用CRC标准的循环冗余码校验，波特率9600bps，帧格式：每帧11位，起始位1位，数据位8位，校验位1位，停止位1位。PC机与DSP通信中，由于PC机要控制多个直流屏，即要与多个DSP通信，本文中DSP通信采用处理小数据十分有效的地址位模式，设置SCI的sleep位进入接收睡眠模式，当探测到地址帧时才中断，然后判断收到的地址与自己地址是否相同，若相同，才能读取其后PC机发来的数据，数据报文格式如图5所示。

图4　LCD显示程序框图

图5数据报文格式

同样DSP与单片机通信中需发送充电模块地址，从而建立一对一的信道或一对多信道（广播方式），然后才发送数据。DSP发地址码时，校验位为1，发数据码时，校验位为0。DSP串行通信采用中断的方式，DSP启动串行口后就不再询问它的状态，依然执行自己的程序，实现DSP与串行口的并行工作。当串行口产生中断时，先向DSP申请中断，DSP响应中断后就暂时中断自己的程序，执行相应的串口中断服务程序，执行完后又返回主程序，这种方式使信息得到及时处理。

6　结束语

本文研究的电力电源系统集中监控器以具有快速运算能力的DSP为核心，在实时检测多种电气量的基础上具有以下主要功能：1、可实时监测蓄电池组的电流、电压、温度;直流屏中直流输出电压、电流、熔断丝的状态信号输入、直流输出告警;充电模块工作状态;交流电压、电流等等；2、根据蓄电池的状态智能控制充电模块的开/关机、均/浮充，调节充电模块的输出电压和限流级别；3、可通过按键查询各充电模块和蓄电池的状态信息，更改系统参数；4、对故障进行声光报警并提供故障历史记录；5、利用串行接口DSP与PC机及充电模块进行数据交换，接受监控调度中心的远程控制对充电器实现遥信、遥测、遥控、遥调。与以单片机为核心的监控器相比，该装置更好地满足了电力直流系统设备监控系统的实时性、稳定性和可靠性要求，更加适应现代供电技术的发展。

参考文献

1 刘和平等著. TMS320LF240X DSP结构、原理及应用.　　北京航空航天大学出版社.2002
2 王家庆主编. 智能高频开关电源系统的原理使用与维护.人民邮电出版社.2000
3 李现勇著.　 VC＋＋串口通信技术与工程实践　　　　 人民邮电出版社.2002