DSP与无线通信的电力系统故障录波器设计

摘要：针对目前电力系统故障录波器中缺少无线通信的缺陷，设计出一种结合DSP与无线通信模块的电力系统故障录波器。分析了系统运行原理以及无线通信模块在电力系统故障录波器中的应用方法，介绍了电力系统故障录波器的硬件设计和软件流程，并验证了无线通信模块应用在电力系统故障录波器的可行性。
关键词：电力系统；故障录波器；TMS320F2812；SZ05；无线通信模块

引言
    电力系统录波器是一种长期应用在电力系统中，用来监视电力系统运行状况的一种自动记录装置。它可以记录系统正常和非正常状况下系统电压、系统电流的变化，以及电力系统故障情况下系统频率、有功功率、无功功率的全过程变化。其所记录的各种参数对于分析电力系统正常运行下电能的应用情况起着重要的作用，而且故障阶段记录的数据对于分析电力系统事故发生原因，帮助寻找故障发生点，迅速处理相关故障事故，特别是分析继电保护运作行为起着关键的作用。目前电力系统录波器已成为电力系统自动化及系统管理的重要组成部分。
    参考文献设计的是一种基于DSP的电力系统故障录波器，采用以太网方式来控制。参考文献设计的电力系统故障录波器采用计算机与局域网相结合的方法，其缺点是只能以局域网方式来连接，使得产品应用有一定的局限性。以上两种设计方案均须架设局域网络，才能实现其传输功能。本文采用基于DSP与无线通信模块的设计方案，可以实现1000～2000 m之间的传输，而且每个无线通信模块都可以作为一个小中继器，可以实现间接传输，进而使传输距离更远。

1 系统运行原理
    简单来说，电力系统故障录波器是一个测量装置，其运行原理如图1所示。首先，电网的各项电压、电流通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号。之后，由检测部分的电压、电流传感器对电网三相电压、电流等基本参数进行实时检测，所测的6路模拟量传递给16位A／D转换芯片AD7656。DSP芯片TMS320F2812控制AD7656将6路模拟量转换成数字量，利用FFT算法对电压、电流的数字量进行分析，提取出基波和各次谐波分量，并算出有功功率、无功功率和THD值等相关参数。最后，通过串口传送给无线通信模块，进行无线通信传输。

    电力系统故障录波器借助无线通信模块，将分析处理后的数据通过无线网络传输至远端主机，以便主机对整个区域的电力系统运行情况进行分析。远端主机也可以发送控制命令到各个子站的传输模块，由传输模块再传送到主处理器，用于控制电力系统录波器的运行，包括要采集的某相电压或电流的数据、显示的刷新频率、其他参数设置和工作模式等。整个系统的控制由一个中央主机进行控制，这里以10个站点为例进行说明。如图2所示，主机通过无线通信模块发送指令给各个站点，各个站点通过无线通信模块接收主机的指令，然后根据指令的要求完成相应的工作任务。DSP通过无线通信模块将所测数据传输给主机，以供主机进行数据分析。

2 系统硬件设计
    本系统核心采用TMS320F2812和SZ05系列无线通信模块。采集来的数字信号经过DSP进行处理，并利用RS232串口将处理后的数据通过无线通信模块发到主机。
2．1 TMS320F2812及外围电路
    TMS320F2812作为高性能的32位定点DSP芯片，具有如下特点：主频达150 MHz，低成本、低功耗，具有高性能的处理能力，可用C／C++语言实现复杂的数学算法，特别适用于有大量数据处理的测控场合；具有2个事件管理器(EVA和EVB)、3个外部中断、外设中断允许(PIE)模块，支持45个外设中断。
2．1．1 TMS320F12812的时钟电路
    有2种方法提供时钟：一种是将外部时钟源直接输入X2／CLKIN引脚，X1悬空，采用已封装晶体振荡器；另一种是利用TMS320F2812内部所提供的晶体振荡器电路，即在TMS320F2812的X1和X2引脚之间连接一晶体来启动内部振荡器。考虑到资源利用和电路设计的简单性，最小应用系统的时钟电路采用TMS320F2812内部晶体振荡器电路，具体电路如图3所示。外部晶体的工作频率为30 MHz，TMS320F、2812内部具有一个可编程的锁相环，用户可根据所需系统时钟频率对其编程设置。

2．1．2 TMS320F2812的复位电路
    TMS320F2812的复位电路采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期；上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100～200 ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD301一旦加电，其输出电压紧随输入电压。当输出电压达到启动RESET的最小电压(25℃时，为1．5 V)时，引脚RESET输出低电平，并且至少保持200 ms，从而满足复位要求。
2．1．3 TMS320F2812的供电电路
    DSP的供电要求为其内核和I／O分别进行供电，现采用电源器件TPS73HD301为DSP供电，内核供电电压为1．9 V，I／O口供电电压为3．3 V。其中，Vdd供1．9 V电压，VDDIO供3．3 V电压，Vss接地。

2．2 供电电路
2．2．1 +3．3 V电源电路
    考虑到简化电路和节约成本等因素，选择LDO型的电源芯片。LDO为低压差线性稳压器，与传统的线性稳压器相比，LDO所需输入、输出的压差较低，但输出效率较高，发热较少。这里选用AMS1117—3．3。+3．3 V电源电路如图4所示。用前面产生的+5 V电压作为电压输入，输出的固定电压为+3．3 V。该电源系统的输入、输出均需要加电容进行滤波，以便提供质量较好的+3．3 V电源电压。

2．2．2 +5 V电源
    +5 V电源选型时应考虑器件的带负载能力，也就是能提供的功率。根据估算，系统中要求+5 V电源输出电流在1～2 A左右，由输入+15 V降至+5 V，故选用电源管理中的DC—DC芯片。这种芯片的最大优点是输出电流强劲，输出功率大，输入、输出压差变化范围广，效率较高。LM2596—5是一款高效率的DC—DC电源管理芯片，开关频率高达150 kHz，输出最大电流达3 A，能够满足检测系统的要求。但是应该注意的是，此电源芯片输出的电源纹波较大，在应用中需对输出电压进行LC滤波处理。+5 V电源电路如图5所示。
2．3 无线通信模块与DSP的连接电路
    本系统采用的是北京顺舟科技SZ05系列嵌入式无线通信模块。其集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。
    SZ05系列无线通信模块数据接口包括TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通信。SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点。这3类设备具备不同的网络功能：中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理；路由器负责数据的路由中继转发；终端节点只进行本节点数据的发送和接收。无线通信模块传输距离为1000～2000 m，串口速率范围为1 200～115 200bps，频率范围为2．405～2．480GHz，供电压为+5V。
    电源电路提供给无线通信模块+5 V电压，SZ05ZBEE无线通信模块提供标准RS232和TTL收发两种接口标准。RS232串口为TX、RX、GND三线工作模式；TTL为TX2、RX2两线工作模式，TTL电平为3．3 V。这里选用RS232串口。无线通信模块与TMS320F2812的接口电路如图6所示。无线通信模块的RX、TX端口与TMS320F2812的串口相连。4个输出端口用来接指示灯，分别为DATA串口数据收发指示灯、RUN系统运行指示灯、NET网络指示灯、ALARM系统告警指示灯，这4个端口都外接指示灯以便用户观察系统运行情况。CENTER为中心节点端口，若此端口接低电平，则此无线模块具有中心节点功能。DEVICE为终端节点端口，若此端口接低电平，则此无线模块具有终端节点的功能(也就是点对点的传输)，无中心节点的功能。CONFIG为配置接口，其接低电平为配置无线通信模块状态，在这个状态下可以配置无线通信模块的参数。这3个端口在硬件电路设计中均留有跳帽以便功能的选择。

3 系统软件设计
    软件设计包括无线通信模块的配置程序、DSP的串口配置和串口发送接收程序，以及系统整体程序等。
3．1 无线通信模块的配置程序
    根据系统的功能要求，需要配置无线通信模块的参数。SZ05-ZBEE无线通信模块有3种节点类型：中心节点、中继路由、终端节点。本系统中选择终端节点的功能，通过跳线短接DEVICE端口使其变为低电平，从而将无线通信模块设置为终端节点类型。
    配置无线模块内置参数的方法如下：首先打开计算机的超级终端，将其设置为波特率38400bps、数据位8、校验NONE、停止位1、流控无；然后将CONFIG跳线短接，设备上电，进入设备配置模式，这样就可以配置无线通信模块的参数了。参数配置如下：通信信道CHANNEL的频率范围为2．405～2．480 GHz或者是AUTO模式，这里设置为AUTO模式，即自动选择最佳信道；网络类型NET_TYPE设置为PEER对等网，其为非主从网，无中心节点；网络号NET_ID号设置为01；数据发送模式TX_TYPE设置为点对点式；数据类型DATA_TYPE设置为HEX(十六)进制的发送模式；数据位DATA_BIT(即串口传输数据)设置为8位数据+1位校验+1位停止；串口波特率BAUD_RATE设置为115 200 bps。
3．2 DSP的串口配置和串口发送接收程序
    配置TMS320F2812，只需配置系统的I／O口和串口波特率。TMS320F2812有两个串口，这里选择SCIB串口与无线通信模块进行通信。

3．3 系统整体程序
    系统整体程序流程如图7所示。主机通过无线通信模块发送相关的指令(包括三相电压、三相电流、频率、谐波分析等)；DSP通过无线模块接收主机的指令，接收完成后对指令进行判断，并根据指令的要求进行数据采集、分析处理等；然后，将所测数据通过无线通信模块传送给主机，以便主机进行整体分析。

结语
    本文设计了一种基于DSP和无线通信模块的新型电力系统故障录波器。该系统稳定可靠，运算速度快，计算精确，设备移动方便，组网灵活，能够将多个小站点的电力应用情况即时传输给主站以供实时分析。不过，在各种恶劣场合的应用状况还有待进一步测试。