CN102122139B

CN102122139B - 一种配电自动化终端及其交流采样通道扩展方法

Info

Publication number: CN102122139B
Application number: CN2010106005142A
Authority: CN
Inventors: 余南华; 陶维青; 陈炯聪; 张巧云; 朱学俊
Original assignee: Shanghai Csg Smart Sci&techco ltd; Hefei University of Technology; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Shanghai Csg Smart Sci&techco ltd; Hefei University of Technology; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102122139A

Abstract

本发明涉及一种配电自动化终端，包括DSP处理器，DSP处理器的信号输入端分别与电压互感器、电流互感器和开关量输入电路相连，DSP处理器的信号输出端与继电器相连，DSP处理器的信号输入输出端通过W5100芯片接入以太网，DSP处理器与存储卡相连。本发明还公开了一种配电自动化终端的交流采样通道扩展方法。本发明采用DSP处理器作为中央处理单元，结合模拟开关，能够完成对多通道的三相电压、三相电流的精确计量，对各种脉冲量和状态量的监测，具有处理速度快，测量精度高，体积小，维修、维护难度低，可靠性高，成本低，有效降低了整个系统的投资，有明显的经济效益。

Description

一种配电自动化终端及其交流采样通道扩展方法

技术领域

本发明涉及一种电力终端，尤其是一种配电自动化终端及其交流采样通道扩展方法。

背景技术

配电自动化是包括变电站、配电网和用户在内的运行、监控、维修及用户管理的自动化功能的综合系统。早期配电自动化的实施采用独立的、单项自动化系统来解决问题，即计量、监测、通信模块都是分开设计的，虽然可以集中放置，统一管理，但各设备之间仍需铺设繁多的通讯线路以保证相互的辅助工作和协调，并且每个设备都要配置专门的通讯接口电路与上行控制主站连接，造成资源重复，且其维修和维护难度大、成本高、可靠性低。随着配电自动化的发展，集成化、智能化、综合化是配电自动化终端的发展趋势，而早期的配电自动化终端结构所带来的性能上的不足则越来越明显，主要缺陷包括以下几个方面：

（1）大多数的配电自动化终端使用主处理器内部自带的模数转换器ADC，精度低，同时终端与主站的通讯功能不强，不支持以太网通讯；

（2）计量模块对交流信号的计量通道较少，如果对多通道交流信号进行计量，需要使用多片模数转换器芯片，增加了系统的成本；

（3）目前大多数的配电自动化终端，一般只把设备运行的重要参数存储在外部存储器中，由于现场干扰可能会改变外部存储器的数据，导致终端不能正常运行，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种集计量、监控、通信、数据存储功能于一体，具备较多计量采样通道的配电自动化终端。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种配电自动化终端，包括DSP处理器，DSP处理器的信号输入端分别与电压互感器、电流互感器和开关量输入电路相连，DSP处理器的信号输出端与继电器相连，DSP处理器的信号输入输出端通过W5100芯片接入以太网，DSP处理器与存储卡相连。

本发明还公开了一种配电自动化终端的交流采样通道扩展方法，该方法包括下列顺序的步骤：

该方法包括下列顺序的步骤：

（1）设定采样信号的采样速率；

（2）终端初始化时，TMS320F28335芯片驱动译码器依次发出三路片选信号至三组模拟开关，使得MAX11046芯片轮流采集每组模拟开关输出的交流信号；

（3）TMS320F28335芯片的通用目的输入输出口GPIO0控制MAX11046芯片的启动转换引脚CONVST，由MAX11046芯片对采样信号进行A/D转换。

由上述技术方案可知，本发明采用DSP处理器作为中央处理单元，结合模拟开关，能够完成对多通道的三相电压、三相电流的精确计量，对各种脉冲量和状态量的监测，具有处理速度快，测量精度高，体积小，维修、维护难度低，可靠性高，成本低，有效降低了整个系统的投资，有明显的经济效益。本发明使用DSP处理器的内部FLASH和存储卡来存储计量所需的参数，有效防止了外部存储器EEPROM由于数据丢失所带来的问题，进一步提高了终端的可靠性。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是图1中采样通道扩展的电路框图；

图3是本发明的工作流程图。

具体实施方式

一种配电自动化终端，包括DSP处理器，DSP处理器的信号输入端分别与电压互感器、电流互感器和开关量输入电路相连，DSP处理器的信号输出端与继电器相连，DSP处理器的信号输入输出端通过W5100芯片接入以太网，DSP处理器与存储卡相连，如图1所示。所述的DSP处理器外设电源管理模块、看门狗模块、有源晶振模块。

如图1所示，所述的DSP处理器采用TMS320F28335芯片1，它是一个32-bit的微处理器，其最高时钟可达到150MHz，具有32位的数据总线。电压互感器、电流互感器通过模拟开关与A/D转换器相连，A/D转换器与TMS320F28335芯片1相连，TMS320F28335芯片1的GPIO口与模拟开关相连；所述的开关量输入电路通过光电隔离电路与缓冲器相连，缓冲器接TMS320F28335芯片1的数据总线DB0至DB15，TMS320F28335芯片1的GPIO口通过光电隔离电路与继电器相连；直流量检测电路通过线性光耦接TMS320F28335芯片1的ADCIN0至ADCIN7口；TMS320F28335芯片1的SCIB串口为RS485通信口，TMS320F28335芯片1的SCIC串口为RS232通信口，TMS320F28335芯片1的串行外设接口SPI接SD存储卡。所述的TMS320F28335芯片1的I²C口接EEPROM存储器和时钟芯片。

4路电压经过电压互感器PT和18路电流经过电流互感器CT后，首先通过模拟开关结合TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO切换，进入MAX11046芯片2，然后将转换的结果送给TMS320F28335芯片1；8路直流量检测信号经过线性光耦连接至TMS320F28335芯片1的MAX11046芯片2；多路开关量经光电隔离后，然后经过缓冲器连接至TMS320F28335芯片1的数据总线；TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO经过光电隔离控制继电器的断开或者吸合；TMS320F28335芯片1经过网络芯片W5100芯片来完成以太网通讯；TMS320F28335芯片1的串行通讯接口SCIB和SCIC经过电平转换芯片来实现RS485和RS232通讯；TMS320F28335芯片1的串行外设接口SPI连接至大容量存储器SD存储卡；TMS320F28335芯片1的内部集成电路I²C总线分别与用于存储计算参数的外部存储芯片EEPROM和时钟芯片连接。

如图1、2所示，所述的TMS320F28335芯片1的数据总线DB0至DB15口接A/D转换器，所述的A/D转换器采用MAX11046芯片2，所述的模拟开关包括第一、二、三、四、五、六模拟开关，所述的MAX11046芯片2的启动转换引脚CONVST与TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO0，TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO2、 GPIO3、GPIO4与三八译码器3相连，三八译码器3分三路输出，一路与第一、二模拟开关相连，一路与第三、四模拟开关相连，另一路与第五、六模拟开关相连。

设定有24路模拟信号经过6个模拟开关，通过软件控制TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4来控制三八译码器3的输出，以控制每个模拟开关的逻辑控制引脚，从而完成从24路模拟信号切换为8路信号（ADC CH0—ADC CH7），然后将切换后的8路信号（ADC CH0—ADC CH7）进入8通道的MAX11046芯片2进行采样，MAX11046芯片2为8通道16位同步模拟数字转换器，与TMS320F28335芯片1之间采用并行总线相连，同时将TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO0配置为脉宽调功能ePWM，来控制MAX11046芯片2的启动转换引脚CONVST。

本发明还公开了配电自动化终端的交流采样通道扩展方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）设定采样信号的采样速率；（2）终端初始化时，TMS320F28335芯片1驱动译码器依次发出三路片选信号至三组模拟开关，使得MAX11046芯片2轮流采集每组模拟开关输出的交流信号；（3）TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO0控制MAX11046芯片2的启动转换引脚CONVST，由MAX11046芯片2对采样信号进行A/D转换。

也就是说，在终端初始化时，TMS320F28335芯片1通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器3的输出以控制第一、二模拟开关的逻辑控制引脚CS1，第一、二模拟开关采集模拟信号1至模拟信号8，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片2，待此组模拟信号采集完毕后，TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器3的输出以控制第三、四模拟开关的逻辑控制引脚CS2，第三、四模拟开关采集模拟信号9至模拟信号16，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片2，待此组模拟信号采集完毕后，TMS320F28335芯片1的通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器3的输出以控制第五、六模拟开关的逻辑控制引脚CS3，第五、六模拟开关采集模拟信号17至模拟信号24，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片2。

本发明设定采样信号的频率为50Hz，采样速率为1600Hz，即每个周波采样32个点，那么采样间隔为1/(50*32*3)，即一个周波内MAX11046芯片2完成96次采样。其中1、4、7、10……94这32次为第1组数据的采样，即模拟信号1至模拟信号8；2、5、8、11……95这32次为第2组数据的采样，即模拟信号9至模拟信号16；3、6、9、12……96这32次为第3组数据的采样，即模拟信号17至模拟信号24。当终端初始化时，模拟开关切换在第1组模拟信号上，即模拟信号1至模拟信号8，在MAX11046芯片2采集此组数据时，模拟开关已稳定（无暂态特性），以便进行下一组的数据采样，当此组模拟信号采集完毕后，模拟开关切换到第2组模拟信号，即模拟信号9至模拟信号16，当第2组模拟信号采集完毕后，模拟开关切换到第3组模拟信号，当第3组模拟信号采集完毕后，模拟开关切换到第一通道，即完成24路模拟信号第1点的采集，如此循环直至32点采集全部完成。在此过程中，每次MAX11046芯片2转换的结果存储至TMS320F28335 芯片1的缓存中，待96次采样全部完成后，对所采样的数据进行傅里叶变换等分析和处理。

此种交流采样通道扩展方法不仅节省了产品的成本，同时各组模拟信号之间的相位差是一致的，并且我们可以很方便的计算出各组数据之间的相位差，即为360/96=3.75°，第1组模拟信号滞后第2组模拟信号3.75°，第3组模拟信号滞后第1组模拟信号2*3.75°，在校准时与互感器的相位误差一起校准，从而提高了计算功率的精度。同时在软件中可根据模拟信号频率的改变来调整采样的时间间隔。

所述配电自动化终端的工作流程如图3所示。

（1）对配电自动化终端进行系统初始化；

（2）判断直流量采样是否结束，如果结束，计算、处理直流量，否则往下执行；

（3）近定时10ms时间是否到，如果定时10ms时间到，处理以太网通讯；

（4）数字信号处理器TMS320F28335 芯片1的串口接收数据是否完成，如果完成，则处理串口所接收的数据；

（5）判断有没有遥信变位，遥信量即各种状态量、脉冲量以及控制继电器组执行相应的动作，状态量采集主要是实时采集位置状态和其他状态信息，如断路器位置、手动合闸、手动分闸，既要记录当前遥信状态，又要记录遥信变位信息；脉冲量采集主要是采集电能表输出的脉冲，并根据电能表脉冲常数和互感器变比计算电能量，如果有遥信变位，则读取遥信变位信息，并生成遥信变位信息；

（6）定时100ms时间是否到，如果定时100ms时间到，判断遥控时间是否到，如果时间到，则执行相应的遥控操作；

（7）MAX11046芯片2是否完成交流信号一个周期的采样，如果完成，则分析处理采样数据，并完成参数校准；

（8）测量电网频率，调整MAX11046芯片2的采样频率。

为了得到校准参数，首先通过上位机控制三相程控源产生一组标准的电压、电流、有功功率、无功功率以及相位等数据，然后上位机将标准表所测得的值发送给被校的配电自动化终端，该被校的配电自动化终端根据本身的测量值与标准表所测得值之间的偏差来获得校准参数，最后将校准参数写入TMS320F28335芯片1的内部FLASH和外部存储芯片EEPROM。对于相位校准，应根据电流大小的不同划分档位分别对其进行相位校准，获得不同电流大小档位所对应的相位校准参数。

所述TMS320F28335芯片1的内部集成电路I²C总线与用于存储设备运行重要参数的外部存储芯片EEPROM，为防止外部存储芯片EEPROM由于受到干扰而造成数据改变，将所需要的设备运行的重要参数写入TMS320F28335芯片1的内部FLASH和外部存储芯片EEPROM时，当存储至外部存储芯片EEPROM时，加入一个参数校验和字节。当从EEPROM读取参数时，首先对读取的参数进行校验，然后与存储时的校验比较，如果相等，则表示EEPROM正常，否则，表示EEPROM的数据发生改变，此时从TMS320F28335芯片1的内部FLASH读取数据，同时将这些数据重新写入外部存储芯片EEPROM。

Claims

1.一种配电自动化终端，其特征在于：包括DSP处理器，DSP处理器的信号输入端分别与电压互感器、电流互感器和开关量输入电路相连，DSP处理器的信号输出端与继电器相连，DSP处理器的信号输入输出端通过W5100芯片接入以太网，DSP处理器与存储卡相连，所述的DSP处理器采用TMS320F28335芯片，电压互感器、电流互感器通过模拟开关与A/D转换器相连，TMS320F28335芯片的串行外设接口SPI接SD存储卡，所述的TMS320F28335芯片的数据总线DB0至DB15口接A/D转换器，所述的A/D转换器采用MAX11046芯片。

2.根据权利要求1所述的配电自动化终端，其特征在于：A/D转换器与TMS320F28335芯片相连，TMS320F28335芯片的GPIO口与模拟开关相连；所述的开关量输入电路通过光电隔离电路与缓冲器相连，缓冲器接TMS320F28335芯片的数据总线DB0至DB15，TMS320F28335芯片的GPIO口通过光电隔离电路与继电器相连；直流量检测电路通过线性光耦接TMS320F28335芯片ADCIN0至ADCIN7口；TMS320F28335芯片的SCIB串口为RS485通信口，TMS320F28335芯片的SCIC串口为RS232通信口。

3.根据权利要求1所述的配电自动化终端，其特征在于：所述的DSP处理器外设电源管理模块、看门狗模块、有源晶振模块。

4.根据权利要求2所述的配电自动化终端，其特征在于：所述的TMS320F28335芯片的I²C口接EEPROM存储器和时钟芯片。

5.根据权利要求2所述的配电自动化终端，其特征在于：所述的模拟开关包括第一、二、三、四、五、六模拟开关，所述的MAX11046芯片的启动转换引脚CONVST与TMS320F28335芯片的通用目的输入输出口GPIO0，TMS320F28335芯片的通用目的输入输出口GPIO2、 GPIO3、GPIO4口与三八译码器相连，三八译码器分三路输出，一路与第一、二模拟开关相连，一路与第三、四模拟开关相连，另一路与第五、六模拟开关相连。

6.根据权利要求5所述的配电自动化终端的交流采样通道扩展方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）设定采样信号的采样速率；

7.根据权利要求6所述的配电自动化终端的交流采样通道扩展方法，其特征在于：终端初始化时，TMS320F28335芯片通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器的输出以控制第一、二模拟开关的逻辑控制引脚CS1，第一、二模拟开关采集模拟信号1至模拟信号8，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片，待此组模拟信号采集完毕后，TMS320F28335芯片的通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器的输出以控制第三、四模拟开关的逻辑控制引脚CS2，第三、四模拟开关采集模拟信号9至模拟信号16，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片，待此组模拟信号采集完毕后，TMS320F28335芯片的通用目的输入输出口GPIO2至GPIO4通过控制三八译码器的输出以控制第五、六模拟开关的逻辑控制引脚CS3，第五、六模拟开关采集模拟信号17至模拟信号24，并输出ADC CH0至ADC CH7信号至MAX11046芯片。