摘 要： 研究并设计了电力线路馈线监控系统，选用数字信号处理器作为CPU系统，以TMS320LF2407 DSP为中心，对各硬件部分进行分模块设计。重点设计了开关量输出模块、模拟量输入模块和通信模块，给出了相应的硬件接口图。最后设计了系统软件部分，完成整个系统的研究与设计。
关键词： 数字信号处理器；TMS320LF2407；模块设计
我国发电机装机容量已经排名世界第二，但是在配电方面仍旧存在许多问题，特别是在10 kV及其以下的配电网中，一旦发生电力线路故障，往往会造成长时间的停电，直接导致供电可靠性降低，电能质量不高。作为配电自动化的关键，电力线路馈线监控系统的性能优劣直接影响到电力供应可靠性的高低，也关系到能否实现配电自动化。本文研究与设计的电力线路馈线监控系统，可以提高配电网供电可靠性，达到为电力用户提供优质、稳定、可靠的电力资源的目的。
1 系统工作原理
当电力线路突然发生了某种故障问题时，会导致系统此时此刻采集得到的线路电压、电流或者频率等信号数据参数发生改变。监控系统将对变化的信号进行数据处理，然后进一步判断线路故障发生的位置和线路故障的所属类型。在对这个线路故障问题进行清晰准确的定位后，系统将控制相应的电力线路中的开关进行分闸或者合闸动作，对存在问题的电力线路区域予以快速的隔离，同时恢复没有发生故障的线路区域的正常稳定的供电（这些没有故障的线路上的电压、电流、频率和功率等电力线路运行参数值基本恢复到正常范围内）。在系统进行上述监控操作的同时，系统还通过一定的通信方式，与远方主站时刻保持联系，记录并上报该线路故障的发生及处理情况，随时接收并执行来自远方主站的各种控制命令。系统工作原理如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件总体框架设计
系统硬件主要由以下几部分组成，如图2所示。（1）数字信号处理器DSP，负责执行相关程序，对系统采集数据进行相关的分析处理；（2）开关量输入模块和开关量输出模块，负责反馈开关状态，并执行DSP发出的指令，对各开关进行分闸或者合闸操作；（3）模拟量输入模块、A/D采样模块和频率检测模块，采集电力线路中的实时运行参数值，并对这些模拟信号值进行转换，使系统能够进行识别处理；（4）日历时钟模块、数据存储模块、通信模块和电源模块。
本文选用的DSP是美国德州仪器公司的TMS320LF2407 DSP。
2.2 开关量输出模块
当DSP经过一系列数据处理后，输出模块输出8个开关量信号，控制4路继电器输出，实现跳闸或者合闸操作。开关量输出电路示意图如图3所示，以一路继电器控制为例，DSP输出两个开关信号，经过74HC273芯片锁存，这两个开关信号变为Q0和Q1，经过光电隔离后，通过这两个信号高低电平的组合，实现对继电器的开关控制。当且仅当Q0是高电平，Q1是低电平时，继电器合闸；其他任何组合，继电器都是分闸。
2.3 模拟量输入模块
在模拟量输入模块中，系统通过一级互感器测得电压信号和电流信号，电压有效值在0~100 V内，电流有效值在0~5 A内，然后分别经过电压变换器和电流变换器的转换后，变为5 V以内的交流电压量，随后传输给A/D采样模块。这里选用的电流变换器是10 A/3.53 V，电压变换器是120 V/3.53 V。这两种规格的变换器，既符合测量要求，同时线性好、精度高，可以保证模块电路达到较高的线性度，从而能够灵敏地反映出电力线路的运行状况。当模拟信号输入到电流电压变换器后，输出最大幅值为5 V的交流信号，再将此信号输入到双极性运算放大器，进行电平提升，IN+信号成为数值范围为0~5 V的交流信号，随后信号将被传输到A/D采样模块进行后期处理。如此设计模拟量输入电路使得变换器带负载能力得到了一定提升。模拟量输入模块的电路原理图如图4所示。
2.4 通信模块
通信模块为多路通信设计，由1路CAN通信和5路RS-232C通信组成。
CAN总线结构简洁、操作简单、实时性强、可靠性高、抗干扰能力强，当系统需要的时候，可以随时就近选择合适的节点传输信息，只要信息出现在了总线中，那么随意的一个节点都可以选择接收这些信息，进行使用。
DSP芯片TMS320LF2407中包含有一个SCI模块，它的运行方式是串行通信，该模块的存在，保证了DSP能够跟其他异步外部设备进行通信联系。通常情况下，每个SCI模块控制1路RS-232C通信，因此需要进行通信扩展，这里选用的是高速串口通信芯片TL16C754B。图5给出了TL16C754B与TMS320LF2407的接口电路图。其实现4个通道的异步通信扩展。两个芯片供电电压均为3.3 V，通过数据总线D0~D7相连；DSP地址线A0、A1、A2和TL16C754B的地址线A0、A1、A2进行连接，TL16C754B的内部寄存器通过这些连接进行相关选择；DSP的地址线A13、A14、A15，I/O空间选通线经过74LV138译码，作为TL16C754B的片选信号，对4路通道进行选择；4路通道的终端信号经过或门后，由TMS320LF2407通过外部中断引脚XINT1接收，由此判断TL16C754B是否完成数据的接收或者发送；片选信号和DSP地址信号A0、A1、A2读取芯片4路通道中断识别寄存器的数据，判断哪路通道发生中断并断定其中断类型，由CPU进行后期处理。TL16C754B的CLKSEL和INTSEL引脚均接高电平，并将波特率预分频值设置为1，允许产生中断。接口电路图中，仅以A通道与MAX232的连接电路，其他3路通道连接电路可以同理画出。
3 系统软件设计
软件设计力求达到以下目标：总体上，所设计的软件要周密、完善、可靠，对系统运行中的各种正常与非正常状态，可能发生的意外都有所考虑，并能够合理应对；在宏观上，所设计的软件可读性强，便于维护、修改完善，力求通过不断的调试，使软件设计臻于完美；在进行程序设计时，分层次，采取总分结构，分模块设计，简单明了；程序语言采用可读性强的C语言与汇编语言相结合，便于后期维护调试。
按照以上原则，对系统进行程序总体框架设计，软件总体流程图如图6所示。当系统上电（复位）后，系统按顺序对片内外设、外围通信模块等进行初始化操作（DSP系统初始化、I/O端口初始化、事件管理器初始化和通信初始化等），并从日历时钟模块中调取当前时间数据参数，从数据存储模块中调取系统运行所需的整定值、参数量、先前故障记录。上述操作后，开启中断进行A/D数据采集，采集完成后输入到DSP中，通过故障判断定位算法计算，得出线路是否发生故障。无故障，则返回，进入下一个循环；有故障，则根据算法计算结果，控制开关量，进行分合闸操作，完成对线路故障的隔离，恢复非故障线路的供电。整个系统动作过程都通过通信模块与远方配电主站保持通信，上报故障，并随时接收来自远方的命令，进行相关操作。系统运行过程中的数据记录都保存在数据存储模块中。
参考文献
[1] 刘健，倪建立，陈源，等.银川城区配电网自动化系统[J].电力系统自动化，2001，22（8）：56-60.
[2] 王兴念，赵奕，苏宏勋，等.配电自动化系统的实用设计[J].电工技术杂志，2004（7）：30-33.
[3] 曲延滨，王建平，周庆明，等．基于CAN总线和DSP的变电站监控系统[J]．电力系统自动化，2005，27（12），86-89.
[4] 刘和平，王维俊，江渝.TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．