CN102299564A - 一种基于dsp的高压电源快速投切系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的高压电源快速投切系统，它包括电源单元、A/D采样及转换模块、开关量输出单元、母线单元、DSP主控制单元、通讯模块、上位机和人机接口模块；其控制方法为：信号采集、信号处理、信号传送、断路器动作；其优越性在于：①硬件设计简单，软件编程易懂；②转换速度快，快速投切精度更高，危害更小；③提高了该控制系统的可靠性；④提高了快速投切的成功率。

Description

一种基于DSP的高压电源快速投切系统及其控制方法

(一)技术领域：

本发明涉及高压电源快速投切领域，尤其是一种基于DSP的高压电源快速投切系统及其控制方法。

(二)背景技术：

发电厂中，厂用电系统的安全可靠关系到机组、电厂乃至整个系统的安全运行。厂用电系统的任何故障都会影响电能的正常生产，严重的还会导致电厂出力的下降，甚至会迫使全厂停电。厂用电的可靠性在很大程度上决定着整个电厂的安全发电。而厂用电切换则是厂用电安全可靠的重要部分，发电厂中，厂用辅机通常都同时具有工作电源和备用电源，在启动、停机、解列及工作电源故障等情况下，必须进行厂用电切换。目前许多电厂广泛采用了备用电源自动投入装置。

随着机组向大型化发展，一方面厂用高压电动机的容量增大了很多，电动机在断电后电压衰减缓慢，残余电压的幅值也很大。若此时重新接通电源，备用变压器和电动机将有可能受到严重冲击而损坏；若待残压衰减到一定幅值后再投入备用电源，则由于断电时间过长，母线电压和电动机的转速都下降很大，将严重影响锅炉运行工况，甚至被迫停机停炉。另一方面多数机组采用了机、炉、电单元集控方式，厂用电切换的安全性、可靠性对整个机组乃至整个电厂运行的安全、可靠性有着相当重要的影响。

目前正在运行使用的高压电源快速切换装置普遍存在硬件系统功能简单；软件系统开发平台不完善；通信的标准性、多样性、高速性、可靠性得不到保障等问题，从而导致了在实际中高压电源切换事故的发生，危害了设备的安全运行，严重影响了正常生产。因此，研究一种对高压电源快速投切系统精确可靠控制的方法已经变得至关重要。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于DSP的高压电源快速投切系统及其控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种控制精度高、稳定性和可靠性强、切换产生损失小的快速投切系统及其工作方法。

本发明的技术方案：一种基于DSP的高压电源快速投切系统，包括含有断路器的外部电网，其特征在于它包括电源单元、A/D采样及转换模块、开关量输出单元、母线单元、DSP主控制单元、通讯模块、上位机和人机接口模块；其中，所述A/D采样及转换模块的输入端采集外部电网的电压、电流信号以及断路器开关信号，其输出端与母线单元程双向连接；所述电源单元、开关量输出单元分别与母线单元呈双向连接；所述母线单元、人机接口模块、通讯模块分别于DSP主控制单元呈双向连接；所述上位机与通讯模块呈双向连接；所述母线单元和人机接口模块分别与通讯模块呈双向连接。

所述A/D采样及转换模块由AD转换芯片、运算放大器、模拟量输入单元和开关量输入单元构成；所述模拟量输入单元的输入端采集外部电网的电压、电流信号，其输出端与运算放大器的输入端连接；所述AD转换芯片的输入端与运算放大器的输出端连接，其输出端与母线单元；所述开关量输入单元的输入端采集断路器开关信号，其输出端与母线单元呈双向连接。

所述A/D采样及转换模块采用的是AD7656BSTZ的AD转换芯片，它是一种逐次逼近型转换器，具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入，是支持高速串行QSPI方式传输的芯片。

所述通讯模块是由2路RS-485串行通讯总线、2路以太网通讯总线以及1路CAN现场总线组成；其中所述2路RS-485通信接口都是由DSP主控制单元对应的并行输入、串行输出接口、3片光耦芯片和1片RS-485总线接口芯片MAX1487组成的；所述2路以太网通讯总线是采用标准的TCP/IP协议栈，应用层支持IEC60870-5-103协议的总线；所述CAN现场总线采用DSP中的FlexCAN模块作为CAN控制器；所述上位机与DSP主控单元通过以太网总线呈双向连接；所述上位机分别依RS485总线和CAN总线与母线单元和人机接口模块呈双向连接。

所述人机接口模块主要是由主控芯片LPC2134、LCD显示模块、LED单元、键盘和ZLG7290驱动单元组成；所述LCD显示模块与ZLG7290驱动单元呈双向连接；所述主控芯片LPC2134分别与ZLG7290驱动单元和DSP主控单元呈双向连接；所述键盘的输出端与ZLG7290驱动单元的输入端连接；所述LED单元的输入端与ZLG7290驱动单元的输出端连接。

一种基于DSP的高压电源快速投切系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)A/D采样及转换模块通过电流或电压互感器将外部电网输入的电压或电流信号转换为15～24V电压信号，而断路器开关状态信号通过A/D采样及转换模块中的开关量输入单元采集；

(2)采集到的15～24V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，并通过RS485总线经母线单元输入DSP；由开关量输入单元采集到的断路器开关状态信号也通过RS485总线经母线单元输入DSP；

(3)上述信号经DSP处理后通过RS485总线输出到开关量输出单元控制相应断路器动作，并将结果通过CAN总线由人机接口显示出来；

(4)复位等信号可由键盘输入，经ZLG7290驱动和主控芯片LPC2134输入DSP进行处理后由DSP输出至开关量输出单元控制相应的断路器动作。

本发明的工作原理：通过起隔离和强/弱电转换作用的模拟量输入单元，将电网输入的电压或电流信号经互感器转换为15～24V的电压信号，此电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，通过RS485总线经母线单元输入DSP。开关量输入单元将断路器开关状态信号采集至装置中，采用光耦隔离通过RS485总线也经母线单元输入DSP。开关量输出单元是为DSP发出命令来控制相应的断路器动作，从而实现快速投切。而人机接口板主要实现人机交互功能，通过CAN通讯来与DSP实现信息交流，可实现液晶显示控制、按键读取、指示灯控制等。这样的设计将原有的弱电信号和强电信号实现隔离，避免相互间的干扰，提高了装置的抗干扰能力，从而提高了高压电源快速投切的稳定性和可靠性。

A/D数据采样及转换采用的是逐次逼近型转换芯片AD7656，该芯片为6通道16位ADC同步采样芯片，双极性模拟输入，具有很高的转换速度，低功耗，支持高速串行QSPI方式传输，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A/D转换输出。通过互感器从电网采集到的15～24V电压信号经运算放大器输入至AD7656进行数据处理。最后通过AD7656的输出引脚QSPIDI以高速串行QSPI方式输入DSP进行数据处理。

AD7656数据采样处理要通过软件的A/D采样中断程序来实现，其过程如下：①先调用函数void同时启动3片A/D采样芯片；②然后调用函数ini判断A/D采样是否完成，如果采样完成，则调用函数uintl6将A/D采样来的数据通过QSPI总线读入到DSP的QSPI缓冲区；③调用函数ini判断QSPI总线上的数据是否已经读完，若读完，则进行一些通道的整理和数据计算；④调用串口查询接收函数来判断数据是否接受完成，若完成就启动串口通信任务，申请中断，结束转换；否则继续转换。

DSP数据处理主要涉及到DSP串行口的初始化和芯片内部信号的转换过程。初始化McBSP后，打开接收及外部中断，DSP的控制引脚经一译码器将的位置低电平，脉冲调制CONVSTx为上升沿，被选中的ADC的跟踪保持电路会被置为保持模式，转换开始。在CONVSTx信号为上升沿后，BUSY信号会变化，转换正在进行中。在CONVSTx信号上升沿开始的3μS，BUSY信号会变为低电平，由低变高，表示转换结束，这时的跟踪保持电路回到跟踪模式。转换结束后，进入外部中断处理程序，接收转换输出的数字信号，存入相应的数据空间以待进一步处理。全部的程序可以采用C语言编程来实现。

另外，对人机界面模块的控制，也可以通过软件来实现。主要完成人机界面各个菜单显示、与DSP处理器的通信以及对按键和指示灯的控制。其中与DSP的通信在主程序进入每个菜单显示子程序后通过调用接收和发送函数实现，从而达到实时显示的要求。主要内容为初始化SED1335和CAN模块；调用显示界面处理子程序和CAN通信处理子程序。该程序的实现，可以通过汇编语言来实现，程序简单，占用存储空间小，运行速度快。

本发明的优越性在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件设计简单，软件编程易懂；②通过A/D采样转换模块与其他模块的配合，转换速度快，功耗低使高压电源快速投切精度更高，危害更小；③利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，提高了该控制系统的可靠性；④采用这种基于DSP的高压电源快速投切系统及其控制方法，避免了其在传统切换方式下的误动作，大大提高了快速投切的成功率。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统中A/D采样及转换模块的结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统中A/D采样及转换模块的电路示意图。

图4为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统中通信模块的结构示意图。

图5为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统中人机接口模块的结构示意图。

图6为本发明所涉一种基于DSP的高压电源快速投切系统高压电源事故串联切换流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的高压电源快速投切系统(见图1)，包括含有断路器的外部电网，其特征在于它包括电源单元、A/D采样及转换模块、开关量输出单元、母线单元、DSP主控制单元、通讯模块、上位机和人机接口模块；其中，所述A/D采样及转换模块的输入端采集外部电网的电压、电流信号以及断路器开关信号，其输出端与母线单元程双向连接；所述电源单元、开关量输出单元分别与母线单元呈双向连接；所述母线单元、人机接口模块、通讯模块分别于DSP主控制单元呈双向连接；所述上位机与通讯模块呈双向连接；所述母线单元和人机接口模块分别与通讯模块呈双向连接。

所述A/D采样及转换模块(见图2、图3)由AD转换芯片、运算放大器、模拟量输入单元和开关量输入单元构成；所述模拟量输入单元的输入端采集外部电网的电压、电流信号，其输出端与运算放大器的输入端连接；所述AD转换芯片的输入端与运算放大器的输出端连接，其输出端与母线单元；所述开关量输入单元的输入端采集断路器开关信号，其输出端与母线单元呈双向连接。

所述A/D采样及转换模块(见图2、图3)采用的是AD7656BSTZ的AD转换芯片，它是一种逐次逼近型转换器，具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入，是支持高速串行QSPI方式传输的芯片。

所述通讯模块是(见图4)由2路RS-485串行通讯总线、2路以太网通讯总线以及1路CAN现场总线组成；其中所述2路RS-485通信接口都是由DSP主控制单元对应的并行输入、串行输出接口、3片光耦芯片和1片RS-485总线接口芯片MAX1487组成的；所述2路以太网通讯总线是采用标准的TCP/IP协议栈，应用层支持IEC60870-5-103协议的总线；所述CAN现场总线采用DSP中的FlexCAN模块作为CAN控制器；所述上位机与DSP主控单元通过以太网总线呈双向连接；所述上位机分别依RS485总线和CAN总线与母线单元和人机接口模块呈双向连接。

所述人机接口模块(见图5)主要是由主控芯片LPC2134、LCD显示模块、LED单元、键盘和ZLG7290驱动单元组成；所述LCD显示模块与ZLG7290驱动单元呈双向连接；所述主控芯片LPC2134分别与ZLG7290驱动单元和DSP主控单元呈双向连接；所述键盘的输出端与ZLG7290驱动单元的输入端连接；所述LED单元的输入端与ZLG7290驱动单元的输出端连接。

一种基于DSP的高压电源快速投切系统的控制方法(见图6)，其特征在于它包括以下步骤：

(1)A/D采样及转换模块通过电流或电压互感器将外部电网输入的电压或电流信号转换为15～24V电压信号，而断路器开关状态信号通过A/D采样及转换模块中的开关量输入单元采集；

(2)采集到的15～24V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，并通过RS485总线经母线单元输入DSP；由开关量输入单元采集到的断路器开关状态信号也通过RS485总线经母线单元输入DSP；

(3)上述信号经DSP处理后通过RS485总线输出到开关量输出单元控制相应断路器动作，并将结果通过CAN总线由人机接口显示出来；

(4)复位等信号可由键盘输入，经ZLG7290驱动和主控芯片LPC2134输入DSP进行处理后由DSP输出至开关量输出单元控制相应的断路器动作。

Claims (6)

1.一种基于DSP的高压电源快速投切系统，包括含有断路器的外部电网，其特征在于它包括电源单元、A/D采样及转换模块、开关量输出单元、母线单元、DSP主控制单元、通讯模块、上位机和人机接口模块；其中，所述A/D采样及转换模块的输入端采集外部电网的电压、电流信号以及断路器开关信号，其输出端与母线单元程双向连接；所述电源单元、开关量输出单元分别与母线单元呈双向连接；所述母线单元、人机接口模块、通讯模块分别于DSP主控制单元呈双向连接；所述上位机与通讯模块呈双向连接；所述母线单元和人机接口模块分别与通讯模块呈双向连接。

2.根据权利要求1中所述一种基于DSP的高压电源快速投切系统，其特征在于所述A/D采样及转换模块由AD转换芯片、运算放大器、模拟量输入单元和开关量输入单元构成；所述模拟量输入单元的输入端采集外部电网的电压、电流信号，其输出端与运算放大器的输入端连接；所述AD转换芯片的输入端与运算放大器的输出端连接，其输出端与母线单元；所述开关量输入单元的输入端采集断路器开关信号，其输出端与母线单元呈双向连接。

3.所述A/D采样及转换模块采用的是AD7656BSTZ的AD转换芯片，它是一种逐次逼近型转换器，具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入，是支持高速串行QSPI方式传输的芯片。

4.根据权利要求1中所述一种基于DSP的高压电源快速投切系统，其特征在于所述通讯模块是由2路RS-485串行通讯总线、2路以太网通讯总线以及1路CAN现场总线组成；其中所述2路RS-485通信接口都是由DSP主控制单元对应的并行输入、串行输出接口、3片光耦芯片和1片RS-485总线接口芯片MAX1487组成的；所述2路以太网通讯总线是采用标准的TCP/IP协议栈，应用层支持IEC60870-5-103协议的总线；所述CAN现场总线采用DSP中的FlexCAN模块作为CAN控制器；所述上位机与DSP主控单元通过以太网总线呈双向连接；所述上位机分别依RS485总线和CAN总线与母线单元和人机接口模块呈双向连接。

5.根据权利要求1中所述一种基于DSP的高压电源快速投切系统，其特征在于所述人机接口模块主要是由主控芯片LPC2134、LCD显示模块、LED单元、键盘和ZLG7290驱动单元组成；所述LCD显示模块与ZLG7290驱动单元呈双向连接；所述主控芯片LPC2134分别与ZLG7290驱动单元和DSP主控单元呈双向连接；所述键盘的输出端与ZLG7290驱动单元的输入端连接；所述LED单元的输入端与ZLG7290驱动单元的输出端连接。

6.一种基于DSP的高压电源快速投切系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)A/D采样及转换模块通过电流或电压互感器将外部电网输入的电压或电流信号转换为15～24V电压信号，而断路器开关状态信号通过A/D采样及转换模块中的开关量输入单元采集；

(2)采集到的15～24V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，并通过RS485总线经母线单元输入DSP；由开关量输入单元采集到的断路器开关状态信号也通过RS485总线经母线单元输入DSP；

(3)上述信号经DSP处理后通过RS485总线输出到开关量输出单元控制相应断路器动作，并将结果通过CAN总线由人机接口显示出来；

(4)复位等信号可由键盘输入，经ZLG7290驱动和主控芯片LPC2134输入DSP进行处理后由DSP输出至开关量输出单元控制相应的断路器动作。

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