CN101777796A - 基于dsp的电力***分布式故障录波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是以数字信号处理器DSP为核心控制单元，数字信号处理器DSP的***模块包括：交流采样模块、开关量输入模块、电压/电流信号调理电路、过零点检测电路、数据存储模块、CAN通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、以太网控制模块、GPS同步时钟、实时时钟、开关量输出模块、电源模块、指示灯/按键模块和LCD显示模块。本发明具有更为加大的检测录波能力，使故障检测录波功能更为完善、速度更快、精度更高，更好地满足电力行业迅速发展的需求。

Description

基于DSP的电力***分布式故障录波装置

技术领域

本发明涉及一种电力***故障检测录波装置，尤其是一种基于DSP的高性能分布式电力故障录波装置，属于电力供应配套设施技术领域。

背景技术

电力***的故障录波装置是常年投入监视电力***运行状况的一种自动记录装置，它可以记录因短路故障、***振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的***电流、***电压及其导出量，如***频率、有功、无功的全过程变化现象，同时还记录继电保护与安全自动装置的动作行为。性能优良的故障录波器对保证电力***的安全可靠运行具有非常重要的作用。80年代后，微机型故障录波器在电力***中得到了广泛的应用，录波器的故障记录进入已经成为分析事故发生原因，帮助寻找故障点，迅速处理事故，特别是分析继电保护动作行为的依据。目前，它已成为电力***自动化及***管理的重要组成部分。

国内对故障录波装置的研制和开发已经有多年的历史，早期的录波装置有机电式录波装置、光纤式录波装置和采用固态数据存储器的录波装置，目前很多场合使用的录波器正逐渐由基于PC机的集中式录波器向基于微处理器的分布式录波器发展，集中式***除了其固有的体积大、安装不灵活等缺陷外，还存在如下主要问题：a、同一个厂站内，***采集器往往具有单一的动态存储器，在数据尚未转存的情况下，若***又发生新的故障，受动态存储器容量的限制，往往采用简化记录甚至覆盖以前故障的方法，因此在现场，经常出现由于误启动覆盖故障记录的问题，没有起到故障录波***的作用；b、对远方录波主站来说，由于各个厂站故障录波装置数据采集不同步，给分析***故障，特别是超高压环网或联络线故障带来很大的困难。与集中式故障录波***不同，分布式故障录波***的录波数据分布存储在各个录波装置中，在录波结束后，转发到远方的录波主站中。分布式故障录波装置克服了上述集中式的很多缺陷，而且适应电力自动化技术光纤化、网络化的发展趋势。近几年，很多分布式故障录波装置多以单片机为前置机，以工控机为后台机的模块化结构，其录波数据存入工控机硬盘中，但是，采用单片机完成数据的采集、计算和判断难以提高数据采集的速度和精度，难以保证装置的准确启动录波，难以实现网络功能和多种通信能力。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于DSP的电力***分布式故障录波装置，以期检测录波能力更为强大、从而使故障检测录波装置功能更为完善、速度更快、精度更高，更好地满足电力行业迅速发展的需求。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于DSP的电力***分布式故障录波装置的特点是以数字信号处理器DSP为核心控制单元，所述数字信号处理器DSP的***模块包括：交流采样模块、开关量输入模块、电压/电流信号调理电路、过零点检测电路、数据存储模块、CAN通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、以太网控制模块、GPS同步时钟、实时时钟、开关量输出模块、电源模块、指示灯/按键模块和LCD显示模块；

所述交流采样模块通过设置有电流互感器CT和电压互感器PT的电压/电流信号调理电路与被测电网耦合，以所述电压/电流信号调理电路对被监测信号依次进行CT/PT变换、滤波和分压处理，处理后的信号以差分方式输入交流采样模块中的多片级联采样芯片AD73360进行采样，所述多片级联采样芯片AD73360的采样输出数据由数字信号处理器DSP存入数据存储模块；

以所述数字信号处理器DSP接受启动录波的控制信号，并启动录波；在启动录波后，通过数字信号处理器DSP的SPI接口将故障录波数据由数据存储模块中的外扩SDRAM转存入存储SD卡内，故障录波数据通过RS485总线或以太网上传至远方录波主站，各录波装置之间是以CAN接口相互级联。

本发明基于DSP的电力***分布式故障录波装置的特点也在于：

在未启动录波时，所述数字信号处理器DSP按照采样率s1将采集数据更新在所述外扩SDRAM中的A段数据缓存区；录波启动后，所述数字信号处理器DSP按照采样率s2将采样数据存入紧随A段数据缓存区后的地址空间中，并且有：s2＞s1；以接入故障信号的录波装置作为主录波装置，在故障条件被检出后由所述主录波装置控制其余各录波装置的采样频率。

所述交流采样模块中的级联采样芯片AD73360与数字信号处理器DSP的高速同步缓冲接口McBSP连接，设置McBSP的FIFO有效，来自所述DSP接收通道的数据将被进行栈式缓存，缓存的数据在达到设置的值后，所述DSP以中断方式取走缓存的数据，完成采样数据接收。

将所述数据信号处理器DSP的GPIOF输入/输出接口分别配置为用于RS232、RS485总线通信以及CAN总线通信的功能接口。

所述以太网控制模块采用W5100网络芯片，所述W5100网络芯片的相应引脚分别与所述数字信号处理器DSP的地址线AB、数据线DB和控制线CB连接。

在所述各录波装置之间采用基于GPS定位***的同步采样，在任一录波装置满足录波起动判据后，以起动脉冲信号同步起动各录波装置。

已有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过选用AD采样芯片AD73360与高速、高精度DSP芯片TMS320F2812相结合，可实现对供电线路的实时、高速、多通道数据采集，该AD采样芯片分辨率为16位、6通道，各通道有自己独立的AD转换器，通道间延时小，同步性好，采样数据串行输出，其输出端可与DSP的高速多通道缓冲串行口McBSP配合，完成数据高速传输，而且AD73360采用了∑-ΔA/D转换原理，所以具有良好的抗混叠性能，装置对模拟信号前端滤波器的要求不高，使电路结构趋于简洁；

2、本发明由于利用SD卡与DSP芯片的SPI接口完成大容量录波数据以文件方式实现数据快速存储，满足了庞大的录波数据对存储空间的要求；

3、本发明利用单片DSP芯片为核心器件，建立起多路互为备用的远程通信方式，有RS485通信、CAN通信以及以太网通信，其中利用带有硬件协议栈的网络控制芯片W5100实现大量数据高速远程传输，使得软件开发时间大大缩短，可靠性也得到提高；

4、本发明装置为消除非周期分量的影响，可以采用基于准同步采样的DFT变换实现谐波分析，同时通过Hilbert滤波方法计算无功量，具有很高的可靠性和准确度，在编程时力求有效、快速地实现这些复杂的算法，实现对数据的综合、统计等各种监测与录波功能，满足电力行业迅速发展的需求。

5、本发明采用的DSP运算速度快，所以可以实现丰富的录波启动方式，包括模拟量启动、开关量启动、手动启动和远方启动四种基本方式，其中模拟量启动方式含模拟量及其派生量的突变量启动、过量启动和欠量启动方式。

6、各录波装置之间采用基于GPS定位***的同步采样，全球定位***GPS能够提供误差在1μS以内的高精度时钟，而且采样模块的采样脉冲信号可以在每个整秒被GPS的秒脉冲信号同步1次，并为相应的采样值打上时间标记(分、秒)，因此为各种装置提供了共同的时间基准。

附图说明

图1、图2分别为本发明的两种不同的网络通信结构图。

图3为本发明的硬件总体结构框图。

图4为本发明中多片级联的采样芯片与DSP的接口电路图。

图5为本发明中测量电路原理图，是以单片AD采样芯片的单通道为代表，其余部分结构相同。

图6为本发明中F2812与W5100硬件接口电路。

具体实施方式

本实施例选用TMS320F2812芯片，充分利用其丰富的内部资源。TMS320F2812具有一个高速同步串行通信接口SPI，两个异步串行通信接口SCIA、SCIB，改进的局域网络eCAN，多通道缓冲串行口McBSP。其中McBSP口具有特色的FIFO单元使得通信操作变得更为可靠、快速、编程更加方便。

如图1、图2，具体实施可以用四种通信方式，RS232总线、RS485总线，CAN总线和以太网。图1中，以一个装置为主设备，其它装置为从设备，主从设备之间有两种互为备用的通信方式，分别为：RS485总线通信方式和CAN总线通信方式，通过主设备的以太网接口通过路由器接入广域网。图2中，各录波装置不分主从，通过各装置上的以太网接口直接由路由器接入广域网。F2812内部集成了两个异步串行通信接口SCIA，SCIB，目前已经实现了通用的RS232和RS485标准接口，可以按国家电力行业标准104规约或自定义规约与子站通信，可以通过CAN总线实现与多个就地监测装置通信，通过RS232总线通信方式与上位机通信。

如图3，本实施例中，对于需要监测的信号通过电压/电流互感器PT/CT变换、电阻取样和电容滤波变换为适合采集的交流信号，然后输入AD转换芯片内进行采样转换，带时标的采样值序列将存入RAM，同时对需要监测的信号做过零点检测，以获得其频率。

录波器没有启动时，采样率为8kHz，DSP采集到的数据在经过计算、判断后就用来更新RAM中的一段数据缓存区，该区域大小可由用户设定，录波器启动后这段数据作为录波记录的A段。以24个模拟输入量为例，记录故障前7个周波，则A段数据存储空间为：24×(8kHz/50Hz)×7×4＝105kB，通过AD级联最多可扩充为48个模拟输入量，这时A段数据存储空间为：48×(8kHz/50Hz)×7×4＝210kB，采用一片256kB的RAM很容易满足要求。

录波器启动后，利用数据记录的间隙完成数据传送的任务，同时采样率由8kHz提高到16kHz，录波器将这批数据存入紧随A段后的地址空间中，待上位机有空闲后作为B段数据存入SD卡中，并通过RS485(备用)或以太网上传至远方录波主站。在进入D、E时段后，采样率恢复到8kHz。在有多个分布式装置的情况下，接入故障信号的分布式装置被作为主录波装置，当故障条件被检出后由该装置控制其余分布式装置的采样频率。装置通过RS232接口与上位机通信，实现装置的就地维护；通过CAN总线，实现多个分布式故障检测录波装置的级联。

具体电路详细介绍如下：

1、装置的主控电路实现

对于丰富的录波启动方式和多种通信能力，需要大量快速的数字信号处理，而DSP芯片作为整个***的核心部分，必须要具有丰富的内部资源和易于扩展的外部硬件接口。本实施例选用TI公司的C2000系列中控制能力很强的DSP芯片TMS320F2812，其内部集成有128K×16的Flash和18K×16的单访问周期RAM，大量的通用或专用I/O，同时集成多通道缓冲串行口McBSP、UART通用异步串行口、SPI串行***接口、SCI串行通讯接口、CAN控制器区域网络和看门狗等常用的***接口电路。TMS320F2812内部集成了CAN总线模块，完全兼容CAN2.0B标准协议，速度可达1M。具有32个可编程消息邮箱，可运行于低功耗模式，可编程总线唤醒，对远程请求消息自动应答，仲裁丢失或传送出错后自动重发。本装置利用其自带的增强型CAN控制器ECAN设计CAN总线硬件与下位机通信。ECAN对外接口引脚CANTXA和CANRXA经过光电耦合器的隔离后，外接CAN总线接口芯片共同构成CAN总线通信单元。

2、装置的数据采集电路实现

为了提高录波精度及监测实时性，本实施例结合DSP的多通道缓冲串行口McBSP的特点，采用多通道、高分辨率16位、同步串口的AD采样芯片AD73360，实现数据采集。由于所选择的AD采样芯片和TMS320F2812型DSP都支持工业标准的六线同步串行接口，所以二者之间的接口电路非常简单。TMS320F2812的McBSP是一种同步串行接口，支持多种通信方式和SPI方式，可以比较灵活地进行配置，使用方便，尤其是用两个16级、32位的FIFO代替DMA直接存储器存储方式，可节省大量时间以用于内部数据处理。

3、数据存储模块实现

本实施例通过外扩SDRAM来存储数据。但由于模拟量的输入通道数较多、采样率高时，需要处理的数据就比较庞大，尤其在出现故障时，需要了解故障前后多个周波的数据，数据存储更为庞大，基于这种情况，本实施例中结合DSP的SPI接口，采用SD卡来存储数据，存储容量大，读取速度快。SD卡有两种总线模式，即SD总线模式和SPI总线模式。其中SD总线模式采用四条数据线并传输数据，数据传输速率高，但是传输协议杂，而用软件方法模拟SD总线又比较繁琐，并会降低SD卡数据传输速率；而SPI总线模式只有一条数据传输线，尽管数据传输速率较低，但是SPI总线模式的传输协议简单，易于实现，而且TMS320F2812具有一个高速SPI接口，为此本设计可采用SPI总线模式。SPI总线主要通过三根线进行数据传输：同步时钟线SCK，主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI，另外还有一条低电平有效从机片选线CS。SPI***的片选信号以及同步时钟脉冲由主机提供。

如图4，本实施例通过多片AD73360级联实现对多路模拟信号的高速同步采样，AD73360是6通道模拟输入的16位串行可编程A/D转换器，其内部有8个控制寄存器，分别为CRA、CRB、CRC、CRD、CRE、CRF、CRG、CRH。由于采用∑-ΔA/D转换原理，具有良好的内置抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器的要求不高，用一阶RC低通滤波器就能满足要求；AD73360能保证六路模拟信号同时采样，在变换过程中延迟很小，并且无须CPU干预，有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。每个通道可以允许从直流到4kHz的模拟信号通过，且能提供77dB的信噪比。由于其采样率和输入信号增益都是可编程的，当输入时钟为16.384MHz时，采样率可分别设置为8kHz、16kHz、32kHz、64kHz；增益可在0dB到38dB之间选择，因而它既适合于大信号的应用，也适合于小信号的应用。AD73360还可以多片级联使用，从而扩充模拟输入的通道数，最多可级联8片即48个通道。级联芯片数量与最高采样率关系如下：

级联芯片数	2	3	4	5	6	7	8
								公式计算采样率上限(KHz)	82.74	52.72	42.01	33.71	28.05	24.16	21.16
芯片可取采样率fs(KHz)	64/32/16/8	32/16/8	32/16/8	32/16/8	16/8	16/8	16/8
								工频信号每周波采样点数N	1280/640/320/160	640/320/160	640/320/160	640/320/160	320/160	320/160	320/160

对AD73360的控制简单，只需完成其内部8个控制寄存器的初始化后，即可进入采样状态，而无需CPU干涉，选用AD73360芯片很好地满足了多路故障录波的设计要求。AD73360与DSP TMS320F 2812之间通过串口连接，接口电路极其简单。在TMS320F2812依次写入各片AD73360各控制寄存器的控制字后，AD73360便可进入数据模式或混合模式开始对模拟信号进行同步采样，并采用时分多用技术将各通道采样数据依次送入TMS320F2812中进行数字信号处理。AD73360在这种方式下的级联方式相当于其内部各个ADC的一种延续，当四片级联时可以看成组成一片具有24个通道的AD73360，由于具有一致的DMCLK，且各通道之间的延时小，一般为(25*M)uS(M为AD芯片级联的数量)，所以级联的AD采样芯片之间具有很好的同步性。

图5为本实施例中测量电路原理图，多路电压、多路电流分别经过电压互感器PT、电流互感器CT变换、电阻取样和电容滤波变换为适合采集的交流信号，然后以差分方式输入AD转换芯片内进行采样转换。

图6为F2812与W5100硬件接口电路，通过网络芯片W5100实现与以太网之间的远程通信。W5100是WIZnet公司2006年最新推出的固件网络芯片，它是在W3150A+的基础上，集成了以太网物理层RTL8201CP核，因此W5100集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体。W5100支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoe、Ethernet等网络协议；支持4个独立的Socket通信，内部16K字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；支持直接并行总线接口、间接并行总路线接口以及SPI串行总线接口方式，可以很方便地与各种单片机或DSP连接。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口Socket编程。

Claims (6)

1.基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是以数字信号处理器DSP为核心控制单元，所述数字信号处理器DSP的***模块包括：交流采样模块、开关量输入模块、电压/电流信号调理电路、过零点检测电路、数据存储模块、CAN通讯模块、RS485通讯模块、RS232通讯模块、以太网控制模块、GPS同步时钟、实时时钟、开关量输出模块、电源模块、指示灯/按键模块和LCD显示模块；

所述交流采样模块通过设置有电流互感器CT和电压互感器PT的电压/电流信号调理电路与被测电网耦合，以所述电压/电流信号调理电路对被监测信号依次进行CT/PT变换、滤波和分压处理，处理后的信号以差分方式输入交流采样模块中的多片级联采样芯片AD73360进行采样，所述多片级联采样芯片AD73360的采样输出数据由数字信号处理器DSP存入数据存储模块；

以所述数字信号处理器DSP接受启动录波的控制信号，并启动录波；在启动录波后，通过数字信号处理器DSP的SPI接口将故障录波数据由数据存储模块中的外扩SDRAM转存入存储SD卡内，故障录波数据通过RS485总线或以太网上传至远方录波主站，各录波装置之间是以CAN接口相互级联。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是在未启动录波时，所述数字信号处理器DSP按照采样率s1将采集数据更新在所述外扩SDRAM中的A段数据缓存区；录波启动后，所述数字信号处理器DSP按照采样率s2将采样数据存入紧随A段数据缓存区后的地址空间中，并且有：s2＞s1；以接入故障信号的录波装置作为主录波装置，在故障条件被检出后由所述主录波装置控制其余各录波装置的采样频率。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是所述交流采样模块中的级联采样芯片AD73360与数字信号处理器DSP的高速同步缓冲接口McBSP连接，设置McBSP的FIFO有效，来自所述DSP接收通道的数据将被进行栈式缓存，缓存的数据在达到设置的值后，所述DSP以中断方式取走缓存的数据，完成采样数据接收。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是将所述数据信号处理器DSP的GPIOF输入/输出接口分别配置为用于RS232、RS485总线通信以及CAN总线通信的功能接口。

5.根据权利要求1所述的基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是所述以太网控制模块采用W5100网络芯片，所述W5100网络芯片的相应引脚分别与所述数字信号处理器DSP的地址线AB、数据线DB和控制线CB连接。

6.根据权利要求1所述的基于DSP的电力***分布式故障录波装置，其特征是在所述各录波装置之间采用基于GPS定位***的同步采样，在任一录波装置满足录波起动判据后，以起动脉冲信号同步起动各录波装置。

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