CN101576743B - 分布式环网柜监控终端 - Google Patents

分布式环网柜监控终端 Download PDF

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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
[0001 ] 本发明涉及供电系统环网柜监控终端。 背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 本发明解决技术问题采用如下技术方案:
[0007] 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。
[0008] 本发明分布式环网柜监控终端的结构特点也在于:
[0009] 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。
[0010] 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SCMDB 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)(5323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。
[0011] 与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
[0012] 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;
[0013] 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。
[0014] 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Σ - Δ A/D转换原理,具有良好的内置抗混叠性能。
[0015] 4、本发明由于AD采样的同步性,通过计算Α、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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。[0019] 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
[0020] 图1为本发明所述监控终端的总体示意图;
[0021] 图2为本发明所述监控终端的各接口电路示意图;
[0022] 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;
[0023] 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;
[0024] 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;
[0025] 图6为本发明具体实施中RMU组网结构图;
[0026] 图7为本发明具体实施中软件模块化框图;
[0027] 图8为本发明具体实施中DSP数字信号处理器控制流程图。
[0028] 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
[0029] 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。
[0030] 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SCIT)(DB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。
[0031] 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Σ -ΔΑ/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64Κ、3Ι、16Κ和8Κ ;增益可在OdB 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。
[0032] 此外,在AD73360与DSP TMS320F观12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对个通道的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 (Μ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。
[0033] 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ΡΤ、 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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 (2)

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(》、RS232通讯接口(¾、RS485通讯接口 、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;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SCIT)(DB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)(5323 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,蓄电池连接在环网柜监控终端的后备电源接口上;以DSP的GPIOBO端口和GPIOBl端口分别接施密特触发器74HC74的DO端口和Dl端 口 ;以所述施密特触发器74HC74的QO端口分别接四片AD73360的SE引脚,并以所述施密 特触发器74HC74的Ql端口分别接四片AD73360的RESET引脚;对于采样数据既采用时域处理,又采用频域处理,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。
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。
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