|
1 概 述 輸電線(xiàn)路的狀態(tài)直接決定著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩定運行，輸電線(xiàn)路微氣象參數的實(shí)時(shí)監測能夠為電網(wǎng)正常調度、以及自然災害預測和控制提供必要的現場(chǎng)信息。輸電線(xiàn)路是電力系統的關(guān)鍵元件之一。為了安全、穩定地運行，調度系統往往會(huì )收集輸電線(xiàn)路的電氣參數和運行工況參數(如輸電線(xiàn)的型號、排列方式，以及其上的潮流分布信息等)，并進(jìn)行適當的控制。在電力系統的研究成果中，更多的是關(guān)注潮流優(yōu)化、系統故障和系統穩定性問(wèn)題，而在氣象條件對輸電線(xiàn)路的影響方面的研究相對不足。 我國是輸電線(xiàn)路自然災害嚴重的國家之一，雨雪冰凍天氣造成的線(xiàn)路覆冰問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決，而線(xiàn)路覆冰對電網(wǎng)的破壞很大。要預測和控制這些自然災害，只有輸電線(xiàn)路的電氣運行參數是不夠的。例如，要研究輸電線(xiàn)路的覆冰問(wèn)題，就必須收集與成結冰機理直接相關(guān)的線(xiàn)路周?chē)木植繗庀髤怠?nbsp; 為了實(shí)現輸電線(xiàn)路的局部氣象參數采集，必須設計局部氣象參數在線(xiàn)監測裝置，以便為更高層次的應用決策提供基礎數據。本文設計了一種能夠實(shí)現輸電線(xiàn)路局部氣象監測、基于“DSP+CPLD”的實(shí)時(shí)數據采集和監測裝置，可以實(shí)現環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向等參數的測量。 2 系統硬件設計 該裝置包括數據采集裝置以及外圍的測量傳感器和變送器。數據采集裝置選用TI公司的DSP芯片TMS320VC33(簡(jiǎn)稱(chēng)VC33)。它具有豐富的指令系統、哈佛總線(xiàn)結構、高速數據處理能力。 地址譯碼和時(shí)序控制電路由CPLD實(shí)現，用于協(xié)調硬件各部分之間的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系統可編程能力和在系統診斷能力，可以實(shí)現硬件功能的軟件在線(xiàn)修改，簡(jiǎn)化硬件設計，提高硬件系統的穩定性。由它實(shí)現所有擴展設備的地址譯碼功能、外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)等待狀態(tài)信號，以及其他DSP與外設的訪(fǎng)問(wèn)定時(shí)信號的產(chǎn)生，并擴展出幾個(gè)數字I／O口。采用CPLD實(shí)現VC33與外設之間的控制信號，具有時(shí)序嚴格、穩定可靠的特點(diǎn)。在本設計中，ispLS12032A的仿真掃描接口為JTAG接口；其軟件采用ABEL語(yǔ)言編寫(xiě)，在Synario開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成設計輸入、設計文件處理、布線(xiàn)前仿真、設計適配、布線(xiàn)后仿真、程序下載等過(guò)程。 2．1 外部存儲器 存儲器的選取原則是：存取速度和總線(xiàn)電平必須和VC33相匹配。設定VC33的工作模式為Microcomputer／Bootloader，存儲器空間分配如下： ①程序SRAM。起始地址810000h，長(cháng)度64K字，運行時(shí)存放VC33的程序代碼，由2片Cypress公司的64K×16位高速CY7C1021V33-12VI組成。 ②數據SRAM。起始地址820000h，長(cháng)度64K字，VC33的運行變量空間同樣由2片CY7C1021V33-12Ⅵ組成。 ③Flash ROM。起始地址400000h，長(cháng)度3FFFFh字節，存放VC33的BOOT TABLE，采用1片ISSI公司的快速Flash芯片IS28F020。 ④NVRAM。起始地址C00000h，長(cháng)度3FFh字節，存放重要的運行參數，可在線(xiàn)修改且掉電后數據不丟失，采用1片Dallas公司的非易失性RAM。 2．2 DSP與外部通信接口電路和人機界面 通信功能包括兩部分：與PC機的通信，實(shí)現水源熱泵運行數據的上傳，這些數據可用于進(jìn)一步的分析；與LCD(液晶顯示器)的通信，并與鍵盤(pán)接口電路構成人機界面。VC33與LCD芯片SC16C750B的串口通信接口電路如圖1所示。 VC33與PC機、LCD之間的通信符合串口通信規約RS232，其物理接口皆由。EXAR公司的UART芯片ST16C550加上一片Maxim公司的RS232接口驅動(dòng)芯片MAX3232擴展而來(lái)，工作模式為查詢(xún)式。 實(shí)時(shí)數據采集系統在運行時(shí)總要進(jìn)行人機交互(包括在LCD上顯示運行狀態(tài)、設置運行參數等)，因此還必須設計鍵盤(pán)接口。本文選用1片東芝公司的82C79芯片完成4×4鍵盤(pán)矩陣的掃描。82C79的工作模式設置為譯碼掃描鍵盤(pán)工作方式，并占有VC33的INT2中斷。當有按鍵動(dòng)作時(shí)，82C79產(chǎn)生中斷信號給VC33，VC33調用鍵盤(pán)掃描程序讀取所按鍵的編碼。 2．3 電源和時(shí)鐘電路 VC33的電源電路采用TI公司的雙電源應用芯片TPS767D318。其外圍I／O工作電壓DVDD為3．3 V，而其核心的工作電壓CVDD為1．8 V。電源電路如圖2所示。 除了在正常運行時(shí)工作電壓要穩定外，VC33還要求上電過(guò)程中保證CVDD端電壓不能超過(guò)DVDD端電壓0．6 V，采用肖特基限位整流器DL5817來(lái)提供此安全保證。二極管D1和D2起到鉗位CVDD、DVDD兩個(gè)工作電壓的作用。在TPS767D318的電壓輸出端均接有較大容量的電容，用于處理電壓輸出起始階段非常大的暫態(tài)電流，以免燒壞VC33。VC33強化了時(shí)鐘配置功能，可提供多種時(shí)鐘工作方式。設計中用外部有源時(shí)鐘、內部時(shí)鐘電路不啟振、內部倍頻系數為1的時(shí)鐘工作方式。 2．4 數據采集系統 系統應該監測的基本參數包括：環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向等參數。除了風(fēng)向外，其余都是模擬量。為了把連續的模擬量轉換為能被VC33處理的離散的數字量，必須設計A／D轉換電路。 ADI公司的AD7874為自帶采樣／保持、4通道同時(shí)采樣、高精度的12位數據采集A／D芯片，適合水源熱泵工質(zhì)某點(diǎn)的溫度和壓力的同相位采集。其輸入信號范圍為±10 V，單通道采樣頻率可達29 kHz。AD7874輸入通道的多路復用通過(guò)選用Phillips公司的16選1多路模擬轉換開(kāi)關(guān)HEF4067來(lái)實(shí)現。由于水源熱泵節能最優(yōu)控制為動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測控，且水源熱泵熱工動(dòng)態(tài)過(guò)程相對緩慢的特點(diǎn)，對各個(gè)模擬量采集頻率設定為24 Hz，即每秒24個(gè)點(diǎn)。 2．4．1 大氣壓力測量 大氣壓力測量泵的工質(zhì)壓力、水壓力到電壓信號的轉換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實(shí)現。QBE620-P16既適用于氣體，也適用于液體，溫度工作范圍寬，適合輸電線(xiàn)路的惡劣運行現場(chǎng)。外加工作電壓范圍為DC 18～33 V，測量壓力范圍為0～232 psi。測量信號輸出DC 0～10 V，經(jīng)有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A／D轉換。 一般認為，壓力變送器的測量壓力與輸出直流信號之間的關(guān)系為線(xiàn)性變換，但實(shí)際上線(xiàn)性度并不為零。在壓力測量范圍較大時(shí)，由線(xiàn)性度引起的測量系統誤差不能忽略，應根據試驗數據進(jìn)行校準。 2．4．2 環(huán)境溫度測量 輸電線(xiàn)路覆冰與溫度緊密相關(guān)，溫度的測量精度直接決定著(zhù)覆冰預測的精度。本設計中溫度傳感器選三線(xiàn)制Pt100鉑電阻溫度傳感器，按照國際溫度標準ITS-90： 其中，RPt為Pt100的電阻值，T為溫度。電阻信號必須轉換為直流電壓信號后才能進(jìn)行A／D轉換。采用三線(xiàn)制熱電阻，是因為三線(xiàn)制可消除長(cháng)線(xiàn)引起的附加電阻帶來(lái)的測量誤差。 圖3為高精度溫度測量電路。熱電阻阻值必須轉換成電壓或電流信號才能輸入A／D電路。XTR103為BURR-BROWN公司生產(chǎn)的以Pt100熱敏電阻(或其他類(lèi)型)為激勵、輸出4～20 mA直流電流的高靈敏度變送器。其內部集成的二階校正線(xiàn)性化電路能夠實(shí)現Pt100阻值到直流電流的線(xiàn)性轉換，廣泛應用于工業(yè)過(guò)程控制、工廠(chǎng)自動(dòng)化、SCADA等領(lǐng)域。精密電流／電壓轉換器RCV420實(shí)現直流電流到直流電壓的轉換。 XTR103輸出電流信號IO與Pt100阻值RPt的函數關(guān)系為： 其中，IO為輸出電流信號，在4～20 mA范圍內；RG為XTR103的量程電阻；Rz為基準電阻�？紤]熱泵運行工況，要選擇合適的量程電阻和基準電阻，以設定合適的溫度測量范圍。選擇RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以確定溫度測量范圍為-50．77～132．55℃，能夠滿(mǎn)足我國輸電線(xiàn)路環(huán)境溫度測量范圍的要求。 為了提高溫度測量精度，除了采用圖3所示的高精度信號轉換電路外，還必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題： ①鉑電阻的阻值一溫度特性校準。式(1)給出的是額定特性，實(shí)際的鉑電阻存在統計學(xué)意義上的分散性，因此必須校準每個(gè)鉑電阻的阻值-溫度特性。 ②鉑電阻元件的熱滯后(thermal lag)問(wèn)題。熱滯后問(wèn)題由元件與環(huán)境的換熱熱阻以及元件自身的熱容共同引起。鉑電阻元件由鉑電阻絲和不銹鋼封裝外殼組成，在高溫應用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細、質(zhì)量小，可忽略其熱惰性。 2．4．3 風(fēng)速和風(fēng)向測量 風(fēng)速的測量關(guān)鍵是要把風(fēng)速參數轉換成能被A／D電路處理的電信號，由風(fēng)速／風(fēng)向傳感器來(lái)完成。本文選用風(fēng)速／風(fēng)向傳感器EA-V200，其風(fēng)速測量范圍為0～50 m／s，輸出信號為抗干擾能力強的直流電流4～20 mA。此直流信號由A／D電路轉換為數字信號后再由VC33處理。 風(fēng)向測量由EA-V200給出8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入來(lái)表示不同的風(fēng)向。 3 系統軟件設計 設定Microcomputer／Bootloader為VC33的運行模式。運行前程序存放在存取速度較低的Flash中，系統復位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速運行。本文只簡(jiǎn)單介紹軟件的功能。程序從結構上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。 主程序包括： ①系統初始化程序。設置外部存儲器接口、串口、定時(shí)器、中斷、中斷向量表、鍵盤(pán)接口等參數，確定系統的運行模式。 ②數據處理程序。把A／D轉換后的離散化數據轉化成實(shí)際的溫度、壓力、工質(zhì)質(zhì)量流量，剔除不良數據，采集數據的高頻噪聲濾波，最終得到反應系統實(shí)際工況的狀態(tài)量等。 中斷服務(wù)程序包括： ①A／D采集程序。完成所有模擬量的12位采集。根據熱力傳感器的特點(diǎn)，采樣頻率每路均設為24 Hz。A／D采集程序占用VC33的INT0中斷。 ②鍵盤(pán)掃描程序。當有按鍵動(dòng)作時(shí)，讀取按鍵編碼。占用VC33的INT2中斷。 ③控制量驅動(dòng)程序。驅動(dòng)數字輸出或模擬量輸出。由VC33的TIMER0的定時(shí)器中斷來(lái)提供這些控制驅動(dòng)的周期。具體控制策略要根據具體的應用來(lái)確定。 ④通信程序。實(shí)現LCD顯示、與PC通信的功能。占用VC33的定時(shí)器中斷。 4 總 結 基于DSP的輸電線(xiàn)路局部氣象在線(xiàn)監測裝置能夠分散安裝在輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)桿塔上，實(shí)時(shí)測量氣象參數，包括環(huán)境溫度和濕度、大氣壓力、風(fēng)速等。這些參數皆與輸電線(xiàn)路覆冰預測、脫冰跳躍、風(fēng)舞及控制等緊密相關(guān)，可以向調度中心提供線(xiàn)路現場(chǎng)的詳細信息。本裝置的設計涉及多學(xué)科內容，現總結設計中的一些經(jīng)驗： ①根據輸電線(xiàn)路的實(shí)際運行工況選擇合適的傳感器或變送器。注意與數據采集系統配合，合理布置傳感器或變送器的數量和測點(diǎn)。 ②VC33與外設的時(shí)序控制問(wèn)題。對慢速的外部擴展設備，僅僅設計合適的訪(fǎng)問(wèn)等待狀態(tài)是不夠的(如A／D芯片，其片選信號無(wú)效后數據總線(xiàn)的封鎖仍需相對較長(cháng)一段時(shí)間)，還必須仔細研究外設的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序，設計相應的封鎖電路，以免造成總線(xiàn)沖突使得系統無(wú)法工作。 ③系統的抗電磁干擾問(wèn)題�；赩C33的系統是高速系統，電磁干擾問(wèn)題尤其嚴重，特別對時(shí)鐘線(xiàn)要進(jìn)行良好的屏蔽。對高頻信號線(xiàn)要注意傳輸線(xiàn)距離、匹配電阻設計、印制電路板布線(xiàn)形狀等問(wèn)題。采用多層布線(xiàn)板對抗電磁干擾有益處，但成本會(huì )增加。 基于DSP的輸電線(xiàn)路局部氣象在線(xiàn)監測裝置充分發(fā)揮了“DSP+CPLD”體系的優(yōu)點(diǎn)，能夠實(shí)現環(huán)境溫度、大氣壓力、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等參數的多通道采集、數據處理、自然災害預警等功能，對提高輸電線(xiàn)路乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠性具有重要的現實(shí)意義。 |
