一种基于DSP技术的配电网实时监测与故障诊断装置
日期：2008-11-9 23:04:02 来源：中国自动化网
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Abstract： The paper designs a new real-time monitoring and fault diagnosis device based on TMS320VC33, which is made by Texas Instruments and has strongly float-point calculation and flexible interface technique. On the one hand, the device can measure some elementary power parameters, such as the three-phase voltages, current, power, frequency etc. on the other hand, it can really monitor system status and reliably record the fault process and accurately select fault line. The device can be applied in the distribution automation as RTU device.
Keywords： fault waveform recorder, DSP, distribution automation
摘 要：本文基于TI公司生产的TMS320VC33数字信号处理芯片，利用其强大的浮点运算能力和灵活的接口技术，研制出新型配电网实时监测与故障诊断装置；该装置一方面可实时地测量配电网中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波等基本电参数，另一方面可实时监测系统状况，当系统发生故障时，可靠地记录故障动态过程，并准确地计算出故障线路(故障选线)。此外本装置可作为配电自动化系统中的RTU装置。
关键词：故障录波；数字信号处理器；配电自动化；
1 引言
配电网实时监测与故障诊断对于确保配电网的可靠安全运行、了解配电网实时运行的状况具有十分重要的意义。但是，目前在我国，配电网的实时监测和故障诊断装置功能还不够完善，直接影响着配电网系统的安全可靠运行。
随着DSP技术的不断发展，其在电力系统中得到了广泛的推广运用。本文将TI公司的TMS320VC33用于配电网的实时监测与故障诊断装置中，充分利用DSP强大的浮点运算能力和灵活的接口技术,采用成熟先进的软件编程技术，成功地研制出了配电网实时监测与故障诊断装置。该装置一方面可以实时监测配电网系统中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率(THD)等基本电量参数，另一方面实时分析配电网系统的运行状态，当系统发生故障时，迅速可靠地保存故障前后的电压电流数据，并能正确及时地选出故障线路。此外，由于该装置集电量实时监测、系统故障诊断、数据通信等功能于一体，满足了配电网综合性的微机化自动装置对配电自动化远方终端的新要求[1>，可作为配电自动化系统中的RTU装置，替代常规的RTU装置。
2 装置的硬件设计
配电网实时监测与故障诊断装置硬件构成如图1所示，主要由数据处理单元(DSP)、数据采集单元（A/D转换器）、人机接口单元（MMI模块）、输入输出开关量单元以及上层监控单元(工业控制机)等部件组成。
2.1 数据处理单元
数据处理单元采用了TMS320VC33芯片，外围扩展了128K的8位EPROM、 64K的32位高速RAM、1M的8位NVRAM及16K的8位E2PROM。TMS320VC33芯片工作频率为60MHz，指令周期为17ns，可以在单周期内对数据进行并行的乘法和ALU操作，具有120-150MFLOPS，60-75MIPS超高速的浮点运算能力，片内有34K×32位RAM存贮器；程序固化在片外的EPROM中，上电后自动引导装载到快速片内RAM中；故障录波数据存贮在片外NVRAM中，可连续记录故障前四个周波，故障后20个周波。
2.2 数据采集单元
数据采集A/D芯片采用了LTC1608芯片，其片内自带采样/保持器、分辨率为16位、转换率为500KSPS。数据采样时，模拟信号首先经过一阶RC低通滤波器及采样保持器，再经多路模拟开关和运放比例衰减，传送到数据缓存区。数据转换采用同时采样分时转换的方式，用定时器定时触发信号启动多路同时采样，由软件以最高速率对设定回路数进行扫描分时段进行转换(即查询方式)或采用中断方式在AD转换结束时响应中断，通过设定通道选择寄存器逐次采样多路模拟量值。
2.3 人机接口(MMI模块)单元
人机接口单元是配电网实时监测与故障诊断装置和操作者进行信息交流的重要环节。本装置的MMI单元是基于RCM2000芯片开发的。RCM2000是Rabbit半导体公司所生产的8位微处理器，工作频率为22.1MHz，有40个并行I/O口，四个CMOS兼容串行端口，13个地址通道, 8个数据通道，片内具有256K Flash和512KSRAM，内建日历、时钟、看门狗、定时器、多级中断、双DMA通道。MMI单元主要功能有液晶显示、键盘响应和通信处理，其硬件组成如图2所示。
3. 装置的软件设计
系统软件设计由DSP软件、MMI软件和上层监控软件三部分组成。各部分的软件设计相对独立，彼此间通过数据通信进行联系。
3.1 DSP软件设计
DSP软件设计采用标准C语言编程，其软件流程图如图3所示。软件设计采用模块化结构化的编程思想，使整个装置可以根据用户的需求方便地添加或删除一定功能。
3.2MMI软件设计
Rabbit2000微处理器的软件设计使用了Dynamic C语言。Dynamic C集成C 编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器；包含大量标准C函数库和特定板外围驱动及芯片外围设备源代码；支持简单高效易于使用的MicroC/OS-II实时操作系统，支持以太网芯片的TCP/IP协议栈。人机交换嵌入了MicroC/OS-II实时操作系统，使液晶显示、数据通信、键盘响应等功能独立安全运行。
3.3上层监控软件设计
上层监控机采用工业控制机，软件设计基于Windows 2000操作平台和面向对象的集成开发系统Visual Basic 编程语言。VB编程语言融入了面向对象、设计过程可视化、事件驱动、动态数据驱动等先进的软件开发技术。
上层监控软件分为三部分：数据通信、用户界面、数据库；通信程序主要处理与MMI单元的数据交换，装置调试或测试时通过RS232通信口进行数据交换，正常运行时监控中心或远方数据中心可通过以太网或RS232加Modem 拔号进行数据通信。
4.装置主要功能
4.1 常规“四遥”功能
装置基于DSP强大的浮点运算能力，在系统正常运行时，实时监测电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数及频率等基本电量，实现调度自动化RTU的遥测、遥信、遥控、遥调功能。
4.1.1电压电流计算
装置中电压电流均采用交流采样，离散傅立叶计算。
4.1.2 功率计算
4.1.3 频率计算
装置采用基于正、余弦FIR滤波器的输出来测量电力系统频率的方法。该方法首先从滤波结果获得sin(2πTs)，然后从sin(2πTs)的泰勒级数展开式中计算频率。
根据文献[3>，滤波器的系数为：
4.2 故障录波
故障发生后及时记录故障的动态过程以及继电保护装置和其它自动化设备的动作行为，有利于分析故障的原因，减少故障发生的概率，确保配电网安全可靠运行。
4.2.1 故障记录时间
本装置一般自动记录故障前四个周波，故障后20个周波数据。装置正常运行时，数据贮存在片内的快速RAM中，故障后，故障数据直接存贮在片外NVRAM中。
4.2.2 故障启动方式
a. 正序电压越限启动
系统母线电压主要是用来监视系统电压的波动情况，当正序电压大于高电压越限定值或小于低电压越限定值，且越限持续时间大于设定的屏蔽时间，启动录波。
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Keywords： fault waveform recorder, DSP, distribution automation
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摘 要：本文基于TI公司生产的TMS320VC33数字信号处理芯片，利用其强大的浮点运算能力和灵活的接口技术，研制出新型配电网实时监测与故障诊断装置；该装置一方面可实时地测量配电网中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波等基本电参数，另一方面可实时监测系统状况，当系统发生故障时，可靠地记录故障动态过程，并准确地计算出故障线路(故障选线)。此外本装置可作为配电自动化系统中的RTU装置。
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关键词：故障录波；数字信号处理器；配电自动化；
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1 引言
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配电网实时监测与故障诊断对于确保配电网的可靠安全运行、了解配电网实时运行的状况具有十分重要的意义。但是，目前在我国，配电网的实时监测和故障诊断装置功能还不够完善，直接影响着配电网系统的安全可靠运行。
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随着DSP技术的不断发展，其在电力系统中得到了广泛的推广运用。本文将TI公司的TMS320VC33用于配电网的实时监测与故障诊断装置中，充分利用DSP强大的浮点运算能力和灵活的接口技术,采用成熟先进的软件编程技术，成功地研制出了配电网实时监测与故障诊断装置。该装置一方面可以实时监测配电网系统中的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率(THD)等基本电量参数，另一方面实时分析配电网系统的运行状态，当系统发生故障时，迅速可靠地保存故障前后的电压电流数据，并能正确及时地选出故障线路。此外，由于该装置集电量实时监测、系统故障诊断、数据通信等功能于一体，满足了配电网综合性的微机化自动装置对配电自动化远方终端的新要求[1>，可作为配电自动化系统中的RTU装置，替代常规的RTU装置。
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2 装置的硬件设计
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配电网实时监测与故障诊断装置硬件构成如图1所示，主要由数据处理单元(DSP)、数据采集单元（A/D转换器）、人机接口单元（MMI模块）、输入输出开关量单元以及上层监控单元(工业控制机)等部件组成。
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2.1 数据处理单元
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数据处理单元采用了TMS320VC33芯片，外围扩展了128K的8位EPROM、 64K的32位高速RAM、1M的8位NVRAM及16K的8位E2PROM。TMS320VC33芯片工作频率为60MHz，指令周期为17ns，可以在单周期内对数据进行并行的乘法和ALU操作，具有120-150MFLOPS，60-75MIPS超高速的浮点运算能力，片内有34K×32位RAM存贮器；程序固化在片外的EPROM中，上电后自动引导装载到快速片内RAM中；故障录波数据存贮在片外NVRAM中，可连续记录故障前四个周波，故障后20个周波。
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2.2 数据采集单元
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数据采集A/D芯片采用了LTC1608芯片，其片内自带采样/保持器、分辨率为16位、转换率为500KSPS。数据采样时，模拟信号首先经过一阶RC低通滤波器及采样保持器，再经多路模拟开关和运放比例衰减，传送到数据缓存区。数据转换采用同时采样分时转换的方式，用定时器定时触发信号启动多路同时采样，由软件以最高速率对设定回路数进行扫描分时段进行转换(即查询方式)或采用中断方式在AD转换结束时响应中断，通过设定通道选择寄存器逐次采样多路模拟量值。
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2.3 人机接口(MMI模块)单元
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3. 装置的软件设计
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3.1 DSP软件设计
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DSP软件设计采用标准C语言编程，其软件流程图如图3所示。软件设计采用模块化结构化的编程思想，使整个装置可以根据用户的需求方便地添加或删除一定功能。
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3.3上层监控软件设计
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4.装置主要功能
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4.1 常规“四遥”功能
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4.1.1电压电流计算
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4.1.2 功率计算
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4.1.3 频率计算
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装置采用基于正、余弦FIR滤波器的输出来测量电力系统频率的方法。该方法首先从滤波结果获得sin(2πTs)，然后从sin(2πTs)的泰勒级数展开式中计算频率。
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根据文献[3>，滤波器的系数为：
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4.2 故障录波
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故障发生后及时记录故障的动态过程以及继电保护装置和其它自动化设备的动作行为，有利于分析故障的原因，减少故障发生的概率，确保配电网安全可靠运行。
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4.2.1 故障记录时间
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4.2.2 故障启动方式
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a. 正序电压越限启动
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