基于DSP与CPLD的输电线路局部气象监测装置设计

1 概 述
     输电线路的状态直接决定着整个电网的安全稳定运行，输电线路微气象参数的实时监测能够为电网正常调度、以及自然灾害预测和控制提供必要的现场信息。输电线路是电力系统的关键元件之一。为了安全、稳定地运行，调度系统往往会收集输电线路的电气参数和运行工况参数(如输电线的型号、排列方式，以及其上的潮流分布信息等)，并进行适当的控制。在电力系统的研究成果中，更多的是关注潮流优化、系统故障和系统稳定性问题，而在气象条件对输电线路的影响方面的研究相对不足。
     我国是输电线路自然灾害严重的国家之一，雨雪冰冻天气造成的线路覆冰问题一直没有得到很好的解决，而线路覆冰对电网的破坏很大。要预测和控制这些自然灾害，只有输电线路的电气运行参数是不够的。例如，要研究输电线路的覆冰问题，就必须收集与成结冰机理直接相关的线路周围的局部气象参数。
     为了实现输电线路的局部气象参数采集，必须设计局部气象参数在线监测装置，以便为更高层次的应用决策提供基础数据。本文设计了一种能够实现输电线路局部气象监测、基于“DSP+CPLD”的实时数据采集和监测装置，可以实现环境温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数的测量。
   2 系统硬件设计
     该装置包括数据采集装置以及外围的测量传感器和变送器。数据采集装置选用TI公司的DSP芯片TMS320VC33(简称VC33)。它具有丰富的指令系统、哈佛总线结构、高速数据处理能力。
     地址译码和时序控制电路由CPLD实现，用于协调硬件各部分之间的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系统可编程能力和在系统诊断能力，可以实现硬件功能的软件在线修改，简化硬件设计，提高硬件系统的稳定性。由它实现所有扩展设备的地址译码功能、外部存储器访问等待状态信号，以及其他DSP与外设的访问定时信号的产生，并扩展出几个数字I／O口。采用CPLD实现VC33与外设之间的控制信号，具有时序严格、稳定可靠的特点。在本设计中，ispLS12032A的仿真扫描接口为JTAG接口；其软件采用ABEL语言编写，在Synario开发环境下完成设计输入、设计文件处理、布线前仿真、设计适配、布线后仿真、程序下载等过程。
2．1 外部存储器
     存储器的选取原则是：存取速度和总线电平必须和VC33相匹配。设定VC33的工作模式为Microcomputer／Bootloader，存储器空间分配如下：
     ①程序SRAM。起始地址810000h，长度64K字，运行时存放VC33的程序代码，由2片Cypress公司的64K×16位高速CY7C1021V33-12VI组成。
     ②数据SRAM。起始地址820000h，长度64K字，VC33的运行变量空间同样由2片CY7C1021V33-12Ⅵ组成。
     ③Flash ROM。起始地址400000h，长度3FFFFh字节，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，长度3FFh字节，存放重要的运行参数，可在线修改且掉电后数据不丢失，采用1片Dallas公司的非易失性RAM。
2．2 DSP与外部通信接口电路和人机界面
     通信功能包括两部分：与PC机的通信，实现水源热泵运行数据的上传，这些数据可用于进一步的分析；与LCD(液晶显示器)的通信，并与键盘接口电路构成人机界面。VC33与LCD芯片SC16C750B的串口通信接口电路如图1所示。
   
       VC33与PC机、LCD之间的通信符合串口通信规约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接口驱动芯片MAX3232扩展而来，工作模式为查询式。
     实时数据采集系统在运行时总要进行人机交互(包括在LCD上显示运行状态、设置运行参数等)，因此还必须设计键盘接口。本文选用1片东芝公司的82C79芯片完成4×4键盘矩阵的扫描。82C79的工作模式设置为译码扫描键盘工作方式，并占有VC33的INT2中断。当有按键动作时，82C79产生中断信号给VC33，VC33调用键盘扫描程序读取所按键的编码。
2．3 电源和时钟电路
    VC33的电源电路采用TI公司的双电源应用芯片TPS767D318。其外围I／O工作电压DVDD为3．3 V，而其核心的工作电压CVDD为1．8 V。电源电路如图2所示。
   
       除了在正常运行时工作电压要稳定外，VC33还要求上电过程中保证CVDD端电压不能超过DVDD端电压0．6 V，采用肖特基限位整流器DL5817来提供此安全保证。二极管D1和D2起到钳位CVDD、DVDD两个工作电压的作用。在TPS767D318的电压输出端均接有较大容量的电容，用于处理电压输出起始阶段非常大的暂态电流，以免烧坏VC33。VC33强化了时钟配置功能，可提供多种时钟工作方式。设计中用外部有源时钟、内部时钟电路不启振、内部倍频系数为1的时钟工作方式。
2．4 数据采集系统
     系统应该监测的基本参数包括：环境温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数。除了风向外，其余都是模拟量。为了把连续的模拟量转换为能被VC33处理的离散的数字量，必须设计A／D转换电路。
     ADI公司的AD7874为自带采样／保持、4通道同时采样、高精度的12位数据采集A／D芯片，适合水源热泵工质某点的温度和压力的同相位采集。其输入信号范围为±10 V，单通道采样频率可达29 kHz。AD7874输入通道的多路复用通过选用Phillips公司的16选1多路模拟转换开关HEF4067来实现。由于水源热泵节能最优控制为动态实时测控，且水源热泵热工动态过程相对缓慢的特点，对各个模拟量采集频率设定为24 Hz，即每秒24个点。
2．4．1 大气压力测量
     大气压力测量泵的工质压力、水压力到电压信号的转换由Siemens公司的QBE620-P16压力变送器实现。QBE620-P16既适用于气体，也适用于液体，温度工作范围宽，适合输电线路的恶劣运行现场。外加工作电压范围为DC 18～33 V，测量压力范围为0～232 psi。测量信号输出DC 0～10 V，经有源滤波和抗混叠电路后输入AD7874，由AD7874完成A／D转换。
     一般认为，压力变送器的测量压力与输出直流信号之间的关系为线性变换，但实际上线性度并不为零。在压力测量范围较大时，由线性度引起的测量系统误差不能忽略，应根据试验数据进行校准。
2．4．2 环境温度测量
     输电线路覆冰与温度紧密相关，温度的测量精度直接决定着覆冰预测的精度。本设计中温度传感器选三线制Pt100铂电阻温度传感器，按照国际温度标准ITS-90：
      
     其中，RPt为Pt100的电阻值，T为温度。电阻信号必须转换为直流电压信号后才能进行A／D转换。采用三线制热电阻，是因为三线制可消除长线引起的附加电阻带来的测量误差。
     图3为高精度温度测量电路。热电阻阻值必须转换成电压或电流信号才能输入A／D电路。XTR103为BURR-BROWN公司生产的以Pt100热敏电阻(或其他类型)为激励、输出4～20 mA直流电流的高灵敏度变送器。其内部集成的二阶校正线性化电路能够实现Pt100阻值到直流电流的线性转换，广泛应用于工业过程控制、工厂自动化、SCADA等领域。精密电流／电压转换器RCV420实现直流电流到直流电压的转换。
   
       XTR103输出电流信号IO与Pt100阻值RPt的函数关系为：
      
     其中，IO为输出电流信号，在4～20 mA范围内；RG为XTR103的量程电阻；Rz为基准电阻。考虑热泵运行工况，要选择合适的量程电阻和基准电阻，以设定合适的温度测量范围。选择RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以确定温度测量范围为-50．77～132．55℃，能够满足我国输电线路环境温度测量范围的要求。
     为了提高温度测量精度，除了采用图3所示的高精度信号转换电路外，还必须解决以下两个问题：
     ①铂电阻的阻值一温度特性校准。式(1)给出的是额定特性，实际的铂电阻存在统计学意义上的分散性，因此必须校准每个铂电阻的阻值-温度特性。
     ②铂电阻元件的热滞后(thermal lag)问题。热滞后问题由元件与环境的换热热阻以及元件自身的热容共同引起。铂电阻元件由铂电阻丝和不锈钢封装外壳组成，在高温应用中采用陶瓷封装。由于铂电阻丝非常细、质量小，可忽略其热惰性。
2．4．3 风速和风向测量
     风速的测量关键是要把风速参数转换成能被A／D电路处理的电信号，由风速／风向传感器来完成。本文选用风速／风向传感器EA-V200，其风速测量范围为0～50 m／s，输出信号为抗干扰能力强的直流电流4～20 mA。此直流信号由A／D电路转换为数字信号后再由VC33处理。
     风向测量由EA-V200给出8个开关量输入来表示不同的风向。

   3 系统软件设计
     设定Microcomputer／Bootloader为VC33的运行模式。运行前程序存放在存取速度较低的Flash中，系统复位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速运行。本文只简单介绍软件的功能。程序从结构上分为主程序和中断服务程序两部分。
     主程序包括：
     ①系统初始化程序。设置外部存储器接口、串口、定时器、中断、中断向量表、键盘接口等参数，确定系统的运行模式。
     ②数据处理程序。把A／D转换后的离散化数据转化成实际的温度、压力、工质质量流量，剔除不良数据，采集数据的高频噪声滤波，最终得到反应系统实际工况的状态量等。
     中断服务程序包括：
     ①A／D采集程序。完成所有模拟量的12位采集。根据热力传感器的特点，采样频率每路均设为24 Hz。A／D采集程序占用VC33的INT0中断。
     ②键盘扫描程序。当有按键动作时，读取按键编码。占用VC33的INT2中断。
     ③控制量驱动程序。驱动数字输出或模拟量输出。由VC33的TIMER0的定时器中断来提供这些控制驱动的周期。具体控制策略要根据具体的应用来确定。
     ④通信程序。实现LCD显示、与PC通信的功能。占用VC33的定时器中断。

   4 总 结
     基于DSP的输电线路局部气象在线监测装置能够分散安装在输电线路沿线杆塔上，实时测量气象参数，包括环境温度和湿度、大气压力、风速等。这些参数皆与输电线路覆冰预测、脱冰跳跃、风舞及控制等紧密相关，可以向调度中心提供线路现场的详细信息。本装置的设计涉及多学科内容，现总结设计中的一些经验：
     ①根据输电线路的实际运行工况选择合适的传感器或变送器。注意与数据采集系统配合，合理布置传感器或变送器的数量和测点。
     ②VC33与外设的时序控制问题。对慢速的外部扩展设备，仅仅设计合适的访问等待状态是不够的(如A／D芯片，其片选信号无效后数据总线的封锁仍需相对较长一段时间)，还必须仔细研究外设的访问时序，设计相应的封锁电路，以免造成总线冲突使得系统无法工作。
     ③系统的抗电磁干扰问题。基于VC33的系统是高速系统，电磁干扰问题尤其严重，特别对时钟线要进行良好的屏蔽。对高频信号线要注意传输线距离、匹配电阻设计、印制电路板布线形状等问题。采用多层布线板对抗电磁干扰有益处，但成本会增加。
     基于DSP的输电线路局部气象在线监测装置充分发挥了“DSP+CPLD”体系的优点，能够实现环境温度、大气压力、湿度、风速和风向等参数的多通道采集、数据处理、自然灾害预警等功能，对提高输电线路乃至整个电网的安全可靠性具有重要的现实意义。