作者：趙敏華，謝志遠，李航

1 引言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，10 kV配電網絡越來越復雜，配電線路越來越多，怎樣監(jiān)測和控制配電線路，保證配電網供電安全和穩(wěn)定可靠運行成為配電自動化的關鍵。在配電自動化系統(tǒng)中，饋線自動化是配電自動化的基礎，而作為饋線自動化系統(tǒng)中核心設備的饋線終端裝置則成為配電自動化系統(tǒng)成功實施的關鍵。饋線終端裝置簡稱FTU（Feeder Terminal Unit），安裝在10 kV饋電線路上，對柱上開關進行監(jiān)控，完成遙測、遙控、遙信，故障檢測功能，并與配電自動化主站通信，提供配電系統(tǒng)運行情況和各種參數(shù)即監(jiān)測控制所需信息，包括開關狀態(tài)、電能參數(shù)、相間故障、接地故障以及故障時的參數(shù)，并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對配電設備進行調節(jié)和控制，實現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復供電功能。

本系統(tǒng)采用先進的DSP技術，以TI公司的TMS320LF2407為主控制器，完成饋線終端單元的研究與設計。

TMS320LF2407采用3.3 V電壓供電，減少了控制器的功耗，40 MI/s的執(zhí)行速度，32 K×16位的片內程序Flash。2.5 K×16位的程序/數(shù)據片內RAM，還具有PWM通道、捕獲單元、A/D轉換器、4級的流水線技術和專門的16位硬件乘法器，處理速度高。適用于處理大運算量的實時任務。TMS320LF2407內部集成了大量系統(tǒng)資源，降低了系統(tǒng)的設計成本。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計將FTU分為上、下兩層板。下層是信息采集和控制板，包括PT、CT、光電耦合器、控制繼電器、串口電平轉換器等組成的數(shù)據采集、數(shù)字信號控制和通信等模塊；上層是CPU板，包括DSP、鎖存器等組成的數(shù)據處理、開關量輸入、輸出等模塊。這樣FTU結構具有層次化、模塊化，抗干擾性強并且方便系統(tǒng)調試。

2.1 系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)主要分為模擬量數(shù)據采集和轉換模塊、開關量輸入輸出模塊、通信模塊、時鐘模塊、鍵盤顯示模塊、外擴存儲器模塊、電源模塊等。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.2 模擬信號采集與轉換電路

模擬量輸入采用交流采樣技術。電網中的電網電壓和電流首先經過現(xiàn)場一次大功率PT和CT變換成為0 V～100 V和0 A～5 A的交流電量，然后再經過二次PT和CT變換成為0 V～5 V的電壓信號，再經過濾波處理以消除高次諧波和噪聲信號再進行功率放大，然后送人MD轉換器。模擬信號調理電路如圖2所示。

為了實現(xiàn)對電流、電壓以及二者之間相位關系的準確測量，采用了同步采樣技術。采用兩片MAX125完成模擬量輸入的同步采樣，從MAX125輸出的數(shù)據直接輸入到DSP進行處理。MAX125是具有同步采樣功能的14位A/D轉換器，可以消除因非同時采樣引起的電流和電壓的相位差。兩片MAX125構成的采樣電路如圖3所示。

各相電壓的模擬量輸入連接到第一片MAX125的A組的前三個通道，各相電流的模擬量輸入連接到第二片MAX125的A組的前三個通道，剩余的通道上接MAXl25的輸出參考電壓+2.5 V，用于進行A/D自檢。兩片MAXl25的轉換啟動信號CONVST由TMS320LF2407的定時器3中斷實現(xiàn)，兩片MAX125的轉換完成信號INT通過與非門接到TMS320LF2407的XINT2。DSP在中斷程序中從MAXl25的RAM中讀取轉換結果，然后對結果進行實時處理。由于MAX125的數(shù)字信號為5 V電平，不能直接驅動TMS320LF2407的3.3 V電平，因此要通過74LVC4245進行電平轉換。

另外本系統(tǒng)擴展了兩片IS61LV6416 SRAM存儲器，由于TMS320LF2407是低壓器件，因此選用低電壓3.3 V供電的IS61LV6416，接線簡單。一片用作數(shù)據存儲器，另一片用作調試階段的程序存儲器。因為在研發(fā)調試階段，一般把程序裝載到RAM中運行，這樣編程速度和效率都會得到提高。外部存儲選通采用74HC32，每個或門的兩個輸入端接TMS320LF2407的STRB和RD、WE，如果兩者都為低電平，則讀寫選通。在調試階段IS61LV6416的片選信號CE與TMS320LF2407的PS連接，調試結束后，CE接高電平。

2.3 開關量信號輸入輸出電路

遙信輸入的信號和遙控輸出的信號都是開關量．開關量作為信號源時本身干擾比較大。本系統(tǒng)采用光電隔離去除干擾，設計8路開關量遙信輸入信號，主要對饋電線路柱上開關的當前位置以及通信是否正常和儲能完成情況等重要狀態(tài)進行采集，對饋電線路保護動作情況進行遙信。開關量經過光電隔離后，直接接到DSP的：I/O口。設計3路開關量輸出控制信號，控制繼電器實現(xiàn)保護功能。

2.4 時鐘電路

由于整個系統(tǒng)需要定時采集數(shù)據，記錄超過門限值的時間，統(tǒng)計總的掉電時間，因此必須具有在線系統(tǒng)實時時鐘。本系統(tǒng)采用了實時時鐘集成電路模塊DS12887，DS12887具有秒、分鐘、小時、日、星期、月和年等信息，并具有閏年補償功能。DS12887內部帶有128字節(jié)的非易失性RAM和鋰電池，即使外部掉電也可以保證內部RAM內容不會丟失和內部時鐘工作正常［2］，這樣就保證了FTU在停電時還能繼續(xù)計時。因為TMS320LF2407的讀寫時序與DS12887的讀寫時序完全不同，所以把DS12887作為DSP的I/O地址上的存儲器外設，利用DSP的通用。I/O端口產生DS12887的片選、讀、寫、使能信號。因為DS12887供電電壓是5 V，所以要在它和DSP之間加電壓轉換器74LVC4245。DSl2887與DSP接口電路如圖4所示。

2.5 電源電路

FTU電壓等級較多，CPU采用3.3 V電壓供電，而外圍器件大多采用5 V電壓供電。設計時要考慮到停電時如何工作，本設計采用了雙端電源切換電路．用蓄電池作為備用電源。正常工作時FTU電源由饋線變換提供，而故障情況時則由蓄電池供電［3］。配網高壓通過PT供給電源模塊220 V或100 V交流輸入，220 V/100 V交流電經過變壓器、整流塊和三端穩(wěn)壓器后轉換為24 V直流電，輸入到充電器為蓄電池充電。24 V直流電再經過DC-DC變換，輸出±5 V電壓供系統(tǒng)各模塊使用。另外通過AS1117器件將5 V TTL電平轉換為3.3 V電壓。作為DSP的供電電源。

2.6 鍵盤顯示

為了便于操作并具有友好的人機接口，還設計了鍵盤和液晶顯示，用于輸入各種參數(shù)以及顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)等。采用MG-12232液晶顯示模塊配合鍵盤操作，顯示相關信息，如電參量數(shù)據的顯示、參數(shù)整定、故障信息顯示等。采用DSP的數(shù)字I/O口模擬時序的硬件接口方案。通過軟件控制DSP的I/O口實現(xiàn)與慢速外設的時序匹配，硬件電路簡單。

2.7 通信接口

TMS320LF2407具有一個SCI模塊，可利用該模塊方便地實現(xiàn)CPU與RS232串口之間的通信［4］。采用MAX232作為驅動器件進行串行通信。由于TMS320LF2407采用+3.3 V電源電壓供電，所以TMS320LF2407與MAX232之間需要進行電平轉換，采用4N35低速光耦隔離器件進行光電隔離和電平轉換控制。RS232接口主要提供一個調試接口，調試人員只需將計算機與FTU相連，就可以通過計算機的COM口讀取數(shù)據或者設置工作參數(shù)。接口電路如圖5所示。

TMS320LF20407內部集成了CAN控制器模塊，可以方便地實現(xiàn)CAN總線通信翻，只需在DSP與CAN總線之間加上相應的驅動器和適當?shù)目垢蓴_電路即可。CAN總線的數(shù)據通信具有高可靠性、實時性和靈活性，在配電網通信中得到了越來越廣泛的使用。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件采用C語言編程，對實時性要求較高的部分采用匯編語言，提高運行速度。C語言開發(fā)速度快、可讀性、可移植性好，DSP匯編語言有適合FFT運算的反轉尋址、循環(huán)尋址等指令。

系統(tǒng)軟件完成的主要功能：6路電壓、電流模擬量采集。8路開關量信號采集，3路開關量輸出控制，系統(tǒng)初始化，故障判斷，串口通信等。

3.1 系統(tǒng)主程序流程

為了實現(xiàn)FTU的功能以及硬件要求。軟件設計主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后首先初始化設置，依次對片內的外設（事件管理器EVA、EVB、I/O端口、SCI模塊、看門狗等）進行初始化，從DS12887中讀取當前日歷時鐘數(shù)據。初始化完成后打開中斷，在中斷中進行MD數(shù)據采集，TMS320LF2407讀數(shù)據，然后進行FIR濾波，再對DSP已經采樣存入DSP的信號進行運算，對各路信號進行FFT運算，計算其幅度，并存入RAM。CPU對電流進行判斷。看是否超過預定值，判斷是否發(fā)生故障，然后運用故障定位算法，迅速定位故障，根據上方發(fā)出的命令進行分合閘操作。通過通信程序實現(xiàn)與主站的通信，主要包括數(shù)據上報、整定參數(shù)值下發(fā)等。

軟件采用模塊化設計，由主程序模塊、中斷服務程序模塊和功能子模塊三大部分組成。包括初始化模塊、數(shù)據存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、參數(shù)修改模塊等。

主程序：

3.2 基本量計算

采用14位A/D交流采樣，每個周期進行64點采樣，測量計算出電流、電壓、有功功率、無功功率功率因數(shù)等。

根據采樣得到的電壓u（n）、電流i（N），可以計算出電網的其他參數(shù)；功率的平均值（有功功率）、交流電壓有效值U、交流電流有效值，I、有功功率P、視在功率S、功率因數(shù)cosφ。計算公式如下：

電壓、電流有效值：

此外，由于采用了同步采樣技術，零序電流值可以由軟件求出。將每次采樣得到的三相電流數(shù)據求和即可。對于對稱電網來說，其值應該為零，但實際電網并不是完全對稱的，因此要判斷單相接地故障，不能簡單地將電流有效值和零相比較，應該根據實際電網運行設定一個整定值，這一整定值可以由FTU在正常情況下的零序電流有效值加一個裕量來得到。

3.3 頻率測量

交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個周波采樣N點的電量值．然后對這些數(shù)據進行處理。如果電網頻率恒定，則采樣間隔t=T/N（T為周期，N為采樣點），而電網的頻率一般都有一定的波動，所以要不斷調整采樣間隔。

輸入信號先濾波，然后再由過零比較器LM339整形成方波信號后作為計數(shù)器的門控信號。計數(shù)器在此門控信號有效時間內對輸入脈沖的個數(shù)進行累計。計數(shù)完成后，鎖存計數(shù)值并由TMS320-LF2407讀取，再由軟件將計數(shù)值乘以計數(shù)脈沖的周期，即可得到被測信號的周期。

4 結束語

本文針對配電自動化系統(tǒng)中的饋線終端裝置，結合數(shù)字信號處理技術，研究并設計了基于TMS320LF2407的FTU，實現(xiàn)了DSP的外圍電路，模擬量、開關量的采集電路，通信電路設計等。編寫了FTU硬件電路的軟件程序，實現(xiàn)了故障定位、隔離和供電恢復等重要功能。

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