CN101576743A - 分布式环网柜监控终端 - Google Patents

Abstract

一种分布式环网柜监控终端，其特征是设置微处理器MCU为DSP数字信号处理器，其外围设置包括CAN通讯接口、RS232通讯接口、RS485通讯接口、数据存储电路、交流采样电路、直流采样电路、数字量输入电路、数字量输出电路和电源电路；其中交流采样电路是以与电网耦合的各电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器；由信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、电容分压电路以差分方式输入多片级联的AD采样芯片进行采样。本发明可以实现环网柜监控终端的多路实时监控。

Description

分布式环网柜监控终端

技术领域

本发明涉及供电系统环网柜监控终端。

背景技术

环网柜应用于环网供电单元，用于电能的分配与计量，并与智能化控制器一起完成配网故障隔离与恢复供电、网络优化等。随着环网供电技术日益成熟，环网柜以其体积小、结构紧凑、安装方便、维护简单、安全可靠、方便供电等诸多优点而被广泛应用。为满足不同用户的需要，环网柜的结构和功能趋于多样化，随着我国电力工业持续高速发展，尤其是城乡电网的现代化建设与改造，对电器产品的合理配置提出了更新的要求，用户也对供电质量和可靠性提出了更高的要求。不但要求环网柜小型化，而且要求智能化、网络化，使新一代的环网柜具有配网自动化的功能。

环网柜监控终端装置RMU是针对目前城市电网中应用越来越广泛的环网柜、小型开闭所而开发的监控终端产品，可与配电网自动化主站和子站系统相配合，实现多条线路的电量的采集和控制，检测故障、故障区域定位、隔离及非故障区域恢复供电，提高供电可靠性。

目前的环网柜监控终端主要有两种方案来实现交流采样，一种方案是直接利用MCU片内的AD采样芯片来对线路的电压、电流进行测量，另一种方案是采用片外AD采样芯片来对线路的电压、电流进行测量。前者采样精度低，采样路数少，无法做到同步采样，给计算功率、零序电压和电流带来更多的计算量；后者采样精度稍高，但目前一般采用的是并口的AD采样芯片，当测量路数较多，需要多片AD级联时，这一方案无法实现同步采样。

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，提供一种分布式环网柜监控终端，以实现环网柜监控终端的多路同步采样。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明分布式环网柜监控终端的结构特点是设置微处理器MCU为DSP数字信号处理器，其外围设置包括CAN通讯接口、RS232通讯接口、RS485通讯接口、数据存储电路、交流采样电路、直流采样电路、数字量输入电路、数字量输出电路和电源电路；所述交流采样电路是以与电网耦合的各电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器；由所述信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、电容分压电路以差分方式输入多片级联的AD采样芯片进行采样。

本发明分布式环网柜监控终端的结构特点也在于：

设置多台环网柜监控终端RMU通过CAN通讯接口进行连接，在所述多台环网柜监控终端RMU中，设置其中一台为主监控终端RMU，其余各台为子监控终端RMU；由所述各子监控终端RMU实时采集的电网线路电压、电流模拟数据和开关状态的数字量信号，是由主监控终端RMU收集，并经串口通讯向配电主站上报；所述配电主站根据主监控终端RMU的上报数据得出处理结果；所述配电主站对于各个监控终端的参数设置是经过主监控终端RMU下发给各子监控终端RMU。

所述数字信号处理器采用DSP芯片TMS320F2812，CAN通讯接口由数字信号处理器的片内自带CAN控制器ECAN对外接口引脚CANTX和CANRX经过光电耦合器的隔离后，外接CAN总线接口芯片TJA1050；RS232通讯接口通过两根串行线与数字信号处理器的SCIRXDA和SCITXDA相连；RS485通讯接口通过两根串行线与数字信号处理器的SCIRXDB和SCITXDB相连；交流采样电路通过AD采样芯片的串口与数字信号处理器的多通道缓冲串口McBSP相连；所述AD采样芯片选用16位多通道高速串行同步AD转换芯片AD73360；直流采样电路直接与数字信号处理器的片内AD相连；数字量输入电路用作开关量输入信号的处理，来自数字量输入电路的外部信号通过总线驱动器74HC245连接到数字信号处理器的数据总线；所述数字信号处理器的输出信号首先锁存在开关量输出信号锁存器74HC574中，再经光电耦合隔离器后输出到控制继电器；所述数据存储电路由SRAM存储器CY7C1021BV33和EEPROM存储器X5323组成，SRAM存储器与数字信号处理器的XINTF口相连，EEPROM存储器与数字信号处理器的SPI总线相连；电源电路由工作电源和后备电源组成，工作电源直接从馈线上获取并为蓄电池充电，蓄电池连接在RMU的后备电源接口上。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过在DSP芯片外围扩展四片六通道同步采样串口AD采样芯片进行交流采样，可以同时对环网柜内的二十四条线路进行实时监控；相应的设置最多可以采用八片级联，实现对四十八路信号进行实时监测；

2、本发明由于采用多片AD采样芯片级联并通过一个串口与DSP数字信号处理器连接，其接口线路简单、结构紧凑，且抗干扰性好，可以很容易地安装于其它系统中。

3、本发明所采用的AD采样芯片为多通道高速串行同步AD采样芯片，采用时分多用技术输出各通道的采样数据，很好地减小了同步误差带来的功率及电能计量误差。所采用的AD采样芯片由于采用∑-ΔA/D转换原理，具有良好的内置抗混叠性能。

4、本发明由于AD采样的同步性，通过计算A、B、C三相电流、电压相量之和来计算零序电流、零序电压和零序无功，使得零序电流、零序电压和零序无功的测量简单、精确。对中性点不接地系统，如安装有三相电压互感器则使用零序无功方向进行接地故障识别，否则使用零序电流幅值进行接地故障识别，其零序电流比较定值可由远方通过通讯口在线维护，从而能准确判断故障线路和故障区段。

5、本发明具有CAN总线通讯功能，可以将多台监控终端进行组网，其中一台为主RMU，其余的是子RMU。由主RMU收集子RMU的电压电流值、继电器开关状态、故障信息等，并向主站上报。主站根据主RMU上报来的数据得出的处理结果、主站对于各个RMU监控终端的参数设置等都经过主RMU下发给子RMU。

6、本发明的监控终端可实现40路遥信及12路遥控。遥信信号通过总线驱动器与数字信号处理器连接，遥信的路数扩展起来比较简单方便。

7、本发明的监控终端支持基于CANopen协议的CAN总线通讯方式，对于主站而言多个RMU终端级联可以抽象成一个设备，从而可以减轻主站的通信负担。采用的CAN总线是目前世界范围内应用最为广泛的现场总线技术之一，它具有着高速、可靠、抗干扰性强、成本低廉和传送报文简短、高效并带有优先级和非破坏仲裁等诸多优点。

8、本发明可以采用TMS320F2812芯片，其内部资源丰富，尤其是其高速同步缓冲口McBSP使其与AD采样芯片的接口电路极其简单，易于实现，缩短了终端的开发周期。

附图说明

图1为本发明所述监控终端的总体示意图；

图2为本发明所述监控终端的各接口电路示意图；

图3为本发明具体实施中多片级联的采样芯片与DSP的接口电路图；

图4为本发明具体实施中测量电路原理图，是以单片AD采样芯片的单通道为代表，其余通道结构相同；

图5为本发明具体实施中控制回路原理框图，图中所示为单路遥控，各路结构相同；

图6为本发明具体实施中RMU组网结构图；

图7为本发明具体实施中软件模块化框图；

图8为本发明具体实施中DSP数字信号处理器控制流程图。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明，

具体实施方式

参见图1，设置微处理器MCU为DSP数字信号处理器1，其外围设置包括CAN通讯接口2、RS232通讯接口3、RS485通讯接口4、数据存储电路9、交流采样电路5、直流采样电路6、数字量输入电路7、数字量输出电路8和电源电路10；交流采样电路5是以与电网耦合的各电流互感器和电压互感器为信号采集器；由信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、电容分压电路以差分方式输入多片级联的AD采样芯片进行采样。

参见图2，本实施例中，数字信号处理器1采用具有强大数据处理能力的DSP芯片TMS320F2812，以满足RMU遥测数据的计算量大、实时性高的要求；CAN通讯接口2由数字信号处理器1的片内自带增强型CAN控制器ECAN对外接口引脚CANTX和CANRX经过光电耦合器的隔离后，外接CAN总线接口芯片TJA1050来实现；RS232通讯接口3通过两根串行线与数字信号处理器1的SCIRXDA和SCITXDA相连；RS485通讯接口4通过两根串行线与数字信号处理器1的SCIRXDB和SCITXDB相连；交流采样电路5由电压、电流信号调理电路和AD采样芯片级联电路组成，它通过主AD芯片的串口与数字信号处理器1的多通道缓冲串口McBSP相连，AD采样芯片优选16位多通道高速串行同步AD转换芯片AD73360；直流采样电路6直接与数字信号处理器1的片内AD相连，完成对温度和蓄电池电压等直流量进行实时采样；数字量输入电路7用作开关量输入信号的处理，外部信号进入后，通过总线驱动器74HC245连到数字信号处理器1的数据总线上，每片74HC245可以连接8路遥信信号，并为每片的8路遥信信号在数字信号处理器1里开辟相应的内存空间，数字信号处理器1通过译码读取相应地址空间里的内容就可获得相应的遥信信号；所述的数字量输出电路8主要用作遥控量的处理，数字信号处理器1输出信号首先锁存在开关量输出信号锁存器74HC574中，经光电耦合隔离器后，再输出到控制继电器；数据存储电路9由SRAM存储器CY7C1021BV33和EEPROM存储器X5323组成，SRAM存储器与数字信号处理器1的XINTF口相连，EEPROM存储器与数字信号处理器1的SPI总线相连；电源电路10由工作电源和后备电源组成，工作电源直接从馈线上获取并为蓄电池充电，蓄电池接到RMU的后备电源接口上，以保证RMU的供电可靠性。

图3所示，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。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6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，从而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64K、32K、16K和8K；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。对AD73360的控制简单，只需完成其内部8个控制存在器的初始化后，即可进入采样状态，而无需CPU干涉，选用AD73360芯片很好地满足了环网柜的设计要求。

此外，在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，也可以看成组成了一片具有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4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5所示为本发明控制模块，DSP将控制信号传送到锁存器74HC574中，锁存器的输出驱动光电藕合器TLP181工作，TLP181的输出驱动三极管开关电路中的三极管导通，使+12V电压加在继电器两端，继电器动作。继电器内有两组动作机构，通过连接到不同输出端子可以实现常开触点、常闭触点。无控制动作时，光电藕合器不工作，三极管处于截止状态，使继电器保持原有状态防止误动。为了避免外部出现的高能量瞬时过压脉冲损坏内部器件，在继电器两端也并接了瞬态电压抑制二极管。

图6所示为发明的RMU组网结构图，将多台RMU监控终端组网，其中的一台RMU为主RMU，其余的是子RMU。RMU实时采集电网线路电压、电流等模拟数据和开关状态等数字量信号，同时主RMU经通讯设备将数据发送到配电子站、从RMU经CAN总线将数据发送给主RMU。由主RMU收集子RMU的电压电流值、继电器开关状态、故障信息等，并向主站上报。主站根据主RMU上报来的数据得出的处理结果、主站对于各个RMU监控终端的参数设置等都经过主RMU下发给子RMU。这样可以将多个通过CAN总线连接的多个RMU抽象成一个设备，从而减轻主站通信负担。

图7和图8所示，本实施例中，充分利用TI公司提供的IQmath Library以实现浮点运算与定点程序代码的无缝接口，从而简化程序的开发，并大大提高程序运行的实时性。采用模块化的设计思想，将整个流程划分为多个模块。具体包括初始化模块，自检测模块，数据采样和处理模块，数字信号检测模块，相间短路故障处理模块，单相接地故障处理模块，串口通讯模块，101协议模块，CANopen协议模块，参数维护和存储模块，时钟计时处理模块。而且各个模块可以由可维护参数动态使能或屏蔽，从而实现内核的动态增加和裁减。模拟操作系统的事件驱动思想，通过定时器等内部中断事件，采样、通信等外部中断事件来设置标志位，主程序在while大循环中检测到这些标志位，则调用相应的函数来执行具体任务。在数据采样和处理模块中，对于采样数据既采用了时域处理，又采用了频域处理。在时域处理时，DSP每获得一点的采样值时完成一次平方和累加运算以计算电压、电流的有效值，同时完成一次对相应电压、电流采样值乘积的累加以实现有功功率的时域计算，时域计算快捷且不需要保存采样点值，而且由于AD73360的采样率可在8kHz-64kHz选择，即使级联时采样率会受到限制，也至少能达到8kHz的采样率，电力参数的精度与一个周期的采样点数成正比，所以能很好地保证时域计算的精度，所以时域计算得到的电力参数满足了需要快速反应的保护场合。在频域处理时，对时域一个周期的采样点做适当抽取保存后做FFT，完成频域计算，从而实现谐波及相位分析。对于4片级联的AD73360，其最高采样率能达到32KHz，对工频信号而言，一个周波能采样640点，可每10点保存一点，即每周波抽取64点做FFT。为了提高计算速度，将电压、电流采样点构成复数序列，进行复数FFT，一次可完成两路交流信号的傅氏计算。

Claims (3)

1、一种分布式环网柜监控终端，其特征是设置微处理器MCU为DSP数字信号处理器(1)，其外围设置包括CAN通讯接口(2)、RS232通讯接口(3)、RS485通讯接口(4)、数据存储电路(9)、交流采样电路(5)、直流采样电路(6)、数字量输入电路(7)、数字量输出电路(8)和电源电路(10)；所述交流采样电路(5)是以与电网耦合的各电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器；由所述信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、电容分压电路以差分方式输入多片级联的AD采样芯片进行采样。

2、根据权利要求1所述的分布式环网柜监控终端，其特征是设置多台环网柜监控终端RMU通过CAN通讯接口(2)进行连接，在所述多台环网柜监控终端RMU中，设置其中一台为主监控终端RMU，其余各台为子监控终端RMU；由所述各子监控终端RMU实时采集的电网线路电压、电流模拟数据和开关状态的数字量信号是由主监控终端RMU收集，并经串口通讯向配电主站上报；所述配电主站根据主监控终端RMU的上报数据得出处理结果；所述配电主站对于各个监控终端的参数设置是经过主监控终端RMU下发给各子监控终端RMU。

3、根据权利要求1或2所述的分布式环网柜监控终端，其特征是所述数字信号处理器(1)采用DSP芯片TMS320F2812，CAN通讯接口(2)由数字信号处理器(1)的片内自带CAN控制器ECAN对外接口引脚CANTX和CANRX经过光电耦合器的隔离后，外接CAN总线接口芯片TJA1050；RS232通讯接口(3)通过两根串行线与数字信号处理器(1)的SCIRXDA和SCITXDA相连；RS485通讯接口(4)通过两根串行线与数字信号处理器(1)的SCIRXDB和SCITXDB相连；交流采样电路(5)通过AD采样芯片的串口与数字信号处理器(1)的多通道缓冲串口McBSP相连；所述AD采样芯片选用16位多通道高速串行同步AD转换芯片AD73360；直流采样电路(6)直接与数字信号处理器(1)的片内AD相连；数字量输入电路(7)用作开关量输入信号的处理，来自数字量输入电路(7)的外部信号通过总线驱动器74HC245连接到数字信号处理器(1)的数据总线；所述数字信号处理器(1)的输出信号首先锁存在开关量输出信号锁存器74HC574中，再经光电耦合隔离器后输出到控制继电器；所述数据存储电路(9)由SRAM存储器CY7C1021BV33和EEPROM存储器X5323组成，SRAM存储器与数字信号处理器(1)的XINTF口相连，EEPROM存储器与数字信号处理器(1)的SPI总线相连；电源电路(10)由工作电源和后备电源组成，工作电源直接从馈线上获取并为蓄电池充电，蓄电池连接在RMU的后备电源接口上。

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