摘要：針對目前電力系統(tǒng)故障錄波器功耗高和缺少RF無線通信的缺陷，設計一種基于DSP與MSP430系列單片機CC430F5137的電力系統(tǒng)故障錄波器。分析了系統(tǒng)運行原理，詳細介紹了數(shù)據(jù)采集分析模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的硬件電路設計方法。測試結果驗證了基于DSP和CC430F5137的RF無線通信模塊應用于電力系統(tǒng)故障錄波器的可行性。
關鍵詞：電力系統(tǒng)；故障錄波器；TMS320F2812；CC430F5137
引言
目前，電力系統(tǒng)錄波器已成為電力系統(tǒng)自動化及系統(tǒng)管理的重要組成部分。簡單地說，電力系統(tǒng)錄波器就是一種數(shù)據(jù)采集記錄裝置，它可以記錄系統(tǒng)非正常和正常狀況下系統(tǒng)電壓、電流、頻率的變化。在電力系統(tǒng)正常運行情況下記錄的數(shù)據(jù)，對于分析電力系統(tǒng)正常運行下電能的應用情況起著重要的作用；而故障階段記錄的數(shù)據(jù)，對于分析電力系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，以及幫助尋找故障發(fā)生點，從而迅速處理相關故障事故起著關鍵的作用。
參考文獻設計的電力系統(tǒng)故障錄波器，其數(shù)據(jù)傳輸采用計算機與局域網(wǎng)相結合的方法，必須以局域網(wǎng)方式連接才能傳輸數(shù)據(jù)，使得其應用有一定的局限性。參考文獻設計方案是基于DSP的電力系統(tǒng)故障錄波器，通過以太網(wǎng)方式來控制。這兩種設計方案必須架設局域網(wǎng)絡才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，針對以上缺點，現(xiàn)采用基于DSP(TMS320F2812)與CC430F5137的設計方案。該方案可以實現(xiàn)100～200 m之間的無線傳輸，而且每個CC430F5137中的RF無線模塊都可以作為一個小中繼器，當作一個中間節(jié)點，這樣就可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的架設，使得傳輸距離更遠。這些優(yōu)點彌補了目前電力系統(tǒng)錄波器的缺陷，達到了目標應用的要求。
1 裝置整體運行原理
電力系統(tǒng)故障錄波器需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理等功能。如圖1所示，本系統(tǒng)分為兩部分：一部分是以DSPTMS320F2812為控制核心的數(shù)據(jù)采集分析模塊，其作用是采集6路模擬信號并分析處理數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)傳輸給CC430F5137；另一部分是以CC430F5137為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，其作用是對分析后的數(shù)據(jù)進行顯示，并通過內(nèi)部集成的RF無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。首先，電力系統(tǒng)中的三相電壓和三相電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，然后由6路傳感器分別對電壓和電流進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路傳遞給A／D轉(zhuǎn)換器AD7656。DSP芯片(TMS320F2812)控制AD7656將6路模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過FFT算法對電壓和電流的數(shù)字量進行分析，并提取出基波和各次諧波分量，計算出功率因數(shù)、有功功率、無功功率和THD值等相關參數(shù)。最后，DSP通過串口將分析完的數(shù)據(jù)通過串口傳送給CC430F5137(簡稱F5137)，F(xiàn)5137將DSP傳送的數(shù)據(jù)通過觸摸屏進行顯示，包括波形和數(shù)值的顯示等。根據(jù)相關需要，F(xiàn)5137會利用內(nèi)部集成的RF無線電模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，如果需要顯示單相或者三相的電壓或者電流，可以通過鍵盤進行選擇。至此，系統(tǒng)運行完畢。
2 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)核心采用TMS320F2812和CC430F5137，采集來的數(shù)字信號經(jīng)過DSP處理后，利用串口將其發(fā)送給F5137。F5137將數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上，并通過RF無線電模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
2．1 數(shù)據(jù)采集分析模塊硬件電路設計
2．1．1 DSP最小應用系統(tǒng)
TMS320F2812是TI公司的高性能32位定點DSP芯片。主頻達150 MHz，具有低成本、低功耗和高性能的處理能力，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測控場合。
(1)TMS320F2812時鐘電路
出于資源利用和電路設計的簡單性考慮，TMS320-F2812的時鐘電路采用外接晶振的方法，即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一個晶振來啟動內(nèi)部振蕩器。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F2812內(nèi)部具有一個可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時鐘頻率對其編程設置。
(2)TMS320F2812供電電路
TMS320F2812的供電要求有兩種不同的電壓：一種是為其內(nèi)核供電的電壓，為1．9 V；另一種是為I／O口供電的電壓，為3．3 V。其中，Vdd供1．9 V電壓，VDDIO供3．3 V電壓，Vss接地。
2．1．2 TMS320F2812與AD7656的硬件電路
TMS320F2812與AD7656的硬件連接如圖2所示。TMS320F2812的ADCINA復用為I／O口與AD7656的D0～D15數(shù)據(jù)口相連，用來進行數(shù)據(jù)傳輸GPIOB59端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個端口相連，作為AD7656的6路A／D同時采樣啟動控制口；GPIOB62端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口，GPIOB61端口與AD7656的BUSY相連，GPIOB63端口與AD7656的RESET端口相連作為重啟控制端口，GPIOB60端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口，用來檢測轉(zhuǎn)換是否結束。
2．2 數(shù)據(jù)處理模塊硬件電路
2．2．1 CC430F5137單片機介紹
CC430F5137是TI公司MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發(fā)器相結合的產(chǎn)品，可實現(xiàn)極低的電流消耗；采用電池供電的無線網(wǎng)絡應用，無需維修即可工作長達10年以上；微型封裝所包含的高級功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡提供核心動力，以向中央采集點報告數(shù)據(jù)。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、AES-128、2KB RAM和CC1101，供電電壓為1．8～3．6V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LPM 3消耗電流為2．0μA。
2．2．2 CC430F5137與觸摸屏硬件電路
本系統(tǒng)選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏。其終端尺寸為3．5寸，背光模式為LED式，圖形點陣為320×240，輸入電壓范圍為3～10 V，內(nèi)置32MB、60個字庫容量，支持GBK(簡體)、BIG5(繁體)等。其提供RS232串口與PC等進行通信，通信方便，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到115 200 bps。DMT32240T03501WN型觸摸屏提供了豐富的指令集，通過輸入相關的指令即可實現(xiàn)特定的功能，包括當前調(diào)色板顏色設置、文本顯示、曲線波形動態(tài)顯示、頻譜顯示、點顯示、圖片顯示、字符間隔設置、光標顯示、屏幕當前顯示圖片保存、剪切圖片、時間顯示、蜂鳴器音量調(diào)節(jié)等。
CC430F5137與DMT32240T035_01WN型觸摸屏的硬件連接如圖3所示。本系統(tǒng)采用的是觸摸屏供電電壓為+5 V的供電方式，觸摸屏的UART串口輸出為+5 V的電平，由于CC430F5137的SCIA口輸出的是3 V電壓，因此需要將2個串口電壓進行匹配轉(zhuǎn)換。為此選用了SP3223E型RS232接口芯片，其工作電壓為+3 V，外部需要連接4個電容以維持系統(tǒng)運行。SP3223E的電源電壓為+3 V，需要并聯(lián)2個電容以便能夠獲得較好的標準
電壓。F5137的RX端口與SP3223E的R1OUT端口相連，TX端口與SP3223E的T1IN端口相連；SP3223E的R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連，T1OUT端口與觸摸屏的TX端口相連。／EN直接接地使SP3223E一直處于工作狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了F5137與觸摸屏的串口通信功能。
2．2．3 CC430F5137的RF無線電外圍電路
CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器，為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，本系統(tǒng)的RF頻率設為915MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為38．4 kbps，信道間隔為100 kHz，發(fā)送功率最大可以達到50 dBm，傳輸距離可以達到200m。還可以根據(jù)監(jiān)測點與監(jiān)測中心的距離來調(diào)節(jié)發(fā)射功率的大小，達到低功耗的目的。CC430F5137的RF無線電外圍電路如圖4所示。CC430F5137的供電電源采用蓄電池供電，其電壓為+3V，外接晶振為26MHz，其中RY、N和RF_P為RF無線電收發(fā)器的接收和發(fā)射引腳，兩引腳外接天線。
3 系統(tǒng)測試及結果分析
根據(jù)整個系統(tǒng)的設計流程以及模塊化的設計方案，應用相關的實驗設施以及相關的硬件，分步驟地搭建實驗系統(tǒng)。下面分別就單相和三相電壓、電流的檢測進行測試，并對結果進行分析。
3．1 單相電壓、電流檢測
測量A相電壓和A相電流的觸摸屏顯示界面分別如圖5和圖6所示。圖5中，電壓波形接近正弦波形，所測電壓的最大值為231 V，THD為0．1％，功率因數(shù)為91％。測試結果與實際電壓的波形以及數(shù)值基本符合，但是所計算出的幅值會有一些誤差。這部分誤差主要是由傳感器測量精度以及信號調(diào)理電路中電阻的精度所引起的。功率因數(shù)的測量值和實際值相差不大，但是結果會有一定的浮動，其原因是測量功率因數(shù)是以軟件方法來測量的，計算出來的數(shù)值會有一些誤差，進而導致功率因數(shù)的不穩(wěn)定。電流的測量結果與電壓測量結果相似，峰值以及THD計算符合實際測量標準，在功率因數(shù)的計算上有一定的誤差。
3．2 三相電壓、電流的檢測
測量三相電壓和三相電流，主要是將三相電壓或電流波形同時顯示出來，以便用戶觀察。三相電流顯示界面和三相電壓顯示界面分別如圖7和圖8所示。三相顯示功能只是顯示出了各相電流、電壓的最大值，并未標出THD、功率因數(shù)等參數(shù)。從圖中可以看出三相電流和三相電壓的波形顯示完好，波形連續(xù)，且三相之間的相位差滿足實際的測量要求。圖9為電能質(zhì)量分析儀測量出三相電壓顯示界面。其顯示的三相電壓波形與電力系統(tǒng)錄波器所顯示的三相波形基本符合，而且所測量的電壓最大值與電力系統(tǒng)錄波器所測的結果基本一致。測試結果表明，本系統(tǒng)的測量結果達到了設計的標準，各種功能均滿足設計的要求。
本系統(tǒng)界面中波形的刷新時間可以設置，初始設置的刷新時間間隔為1s，根據(jù)需要可以更改屏幕的刷新時間間隔，以滿足實時測量的要求。單擊界面中的“保存波形”按鈕，可以實現(xiàn)保存波形的功能；單擊“回放波形”按鈕，可以再次觀看已保存的波形，并且將保存的波形數(shù)據(jù)存儲到存儲卡里，根據(jù)需要可以隨時調(diào)用數(shù)據(jù)進行實時分析。
結語
本文設計出了一種基于DSP芯片TMS320F2812和CC430F5137單片機的電力系統(tǒng)故障錄波器。測試結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。該錄波器具有運算速度快、計算精確、設備移動方便、組網(wǎng)靈活等特點，具有較好的應用前景。