DSP与MSP430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功耗高和缺少RF无线通信的缺陷，设计一种基于DSP与MSP430系列单片机CC430F5137的电力系统故障录波器。分析了系统运行原理，详细介绍了数据采集分析模块和数据处理模块的硬件电路设计方法。测试结果验证了基于DSP和CC430F5137的RF无线通信模块应用于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；CC430F5137

引言
     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。简单地说，电力系统录波器就是一种数据采集记录装置，它可以记录系统非正常和正常状况下系统电压、电流、频率的变化。在电力系统正常运行情况下记录的数据，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；而故障阶段记录的数据，对于分析电力系统故障发生的原因，以及帮助寻找故障发生点，从而迅速处理相关故障事故起着关键的作用。
     参考文献设计的电力系统故障录波器，其数据传输采用计算机与局域网相结合的方法，必须以局域网方式连接才能传输数据，使得其应用有一定的局限性。参考文献设计方案是基于DSP的电力系统故障录波器，通过以太网方式来控制。这两种设计方案必须架设局域网络才能实现数据传输，针对以上缺点，现采用基于DSP(TMS320F2812)与CC430F5137的设计方案。该方案可以实现100～200 m之间的无线传输，而且每个CC430F5137中的RF无线模块都可以作为一个小中继器，当作一个中间节点，这样就可以实现无线网络的架设，使得传输距离更远。这些优点弥补了目前电力系统录波器的缺陷，达到了目标应用的要求。

1 装置整体运行原理
     电力系统故障录波器需要实现数据采集、分析处理等功能。如图1所示，本系统分为两部分：一部分是以DSPTMS320F2812为控制核心的数据采集分析模块，其作用是采集6路模拟信号并分析处理数据，然后将此数据传输给CC430F5137；另一部分是以CC430F5137为核心的数据处理模块，其作用是对分析后的数据进行显示，并通过内部集成的RF无线模块将数据发送给监控中心。首先，电力系统中的三相电压和三相电流通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，然后由6路传感器分别对电压和电流进行数值转换，转换后的模拟信号经过信号调理电路传递给A／D转换器AD7656。DSP芯片(TMS320F2812)控制AD7656将6路模拟信号转换成数字信号，通过FFT算法对电压和电流的数字量进行分析，并提取出基波和各次谐波分量，计算出功率因数、有功功率、无功功率和THD值等相关参数。最后，DSP通过串口将分析完的数据通过串口传送给CC430F5137(简称F5137)，F5137将DSP传送的数据通过触摸屏进行显示，包括波形和数值的显示等。根据相关需要，F5137会利用内部集成的RF无线电模块将数据传输给监控中心，如果需要显示单相或者三相的电压或者电流，可以通过键盘进行选择。至此，系统运行完毕。
   
   

2 系统硬件设计
     本系统核心采用TMS320F2812和CC430F5137，采集来的数字信号经过DSP处理后，利用串口将其发送给F5137。F5137将数据显示在触摸屏上，并通过RF无线电模块将数据发送给监控中心。
2．1 数据采集分析模块硬件电路设计
2．1．1 DSP最小应用系统
     TMS320F2812是TI公司的高性能32位定点DSP芯片。主频达150 MHz，具有低成本、低功耗和高性能的处理能力，特别适用于有大量数据处理的测控场合。
     (1)TMS320F2812时钟电路
     出于资源利用和电路设计的简单性考虑，TMS320-F2812的时钟电路采用外接晶振的方法，即在TMS320F2812的X1和X2引脚之间连接一个晶振来启动内部振荡器。外部晶振的工作频率为30 MHz，TMS320F2812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)TMS320F2812供电电路
     TMS320F2812的供电要求有两种不同的电压：一种是为其内核供电的电压，为1．9 V；另一种是为I／O口供电的电压，为3．3 V。其中，Vdd供1．9 V电压，VDDIO供3．3 V电压，Vss接地。
2．1．2 TMS320F2812与AD7656的硬件电路
     TMS320F2812与AD7656的硬件连接如图2所示。TMS320F2812的ADCINA复用为I／O口与AD7656的D0～D15数据口相连，用来进行数据传输GPIOB59端口与CONVST A、CONVST B和CONVST C三个端口相连，作为AD7656的6路A／D同时采样启动控制口；GPIOB62端口与AD7656的读信号／RD相连作为读取数据控制口，GPIOB61端口与AD7656的BUSY相连，GPIOB63端口与AD7656的RESET端口相连作为重启控制端口，GPIOB60端口与AD7656的／CS端相连作为片选控制口，用来检测转换是否结束。
   
   
2．2 数据处理模块硬件电路
2．2．1 CC430F5137单片机介绍
     CC430F5137是TI公司MSP430F5xx系列的MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可实现极低的电流消耗；采用电池供电的无线网络应用，无需维修即可工作长达10年以上；微型封装所包含的高级功能性还可为创新型RF传感器网络提供核心动力，以向中央采集点报告数据。CC430 F5137为16位超低功耗MCU，具有16 KB闪存、AES-128、2KB RAM和CC1101，供电电压为1．8～3．6V，正常工作模式消耗电流为160μA／MHz，LPM 3消耗电流为2．0μA。
2．2．2 CC430F5137与触摸屏硬件电路
     本系统选用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型触摸屏。其终端尺寸为3．5寸，背光模式为LED式，图形点阵为320×240，输入电压范围为3～10 V，内置32MB、60个字库容量，支持GBK(简体)、BIG5(繁体)等。其提供RS232串口与PC等进行通信，通信方便，最高数据传输速率可以达到115 200 bps。DMT32240T03501WN型触摸屏提供了丰富的指令集，通过输入相关的指令即可实现特定的功能，包括当前调色板颜色设置、文本显示、曲线波形动态显示、频谱显示、点显示、图片显示、字符间隔设置、光标显示、屏幕当前显示图片保存、剪切图片、时间显示、蜂鸣器音量调节等。
     CC430F5137与DMT32240T035_01WN型触摸屏的硬件连接如图3所示。本系统采用的是触摸屏供电电压为+5 V的供电方式，触摸屏的UART串口输出为+5 V的电平，由于CC430F5137的SCIA口输出的是3 V电压，因此需要将2个串口电压进行匹配转换。为此选用了SP3223E型RS232接口芯片，其工作电压为+3 V，外部需要连接4个电容以维持系统运行。SP3223E的电源电压为+3 V，需要并联2个电容以便能够获得较好的标准
电压。F5137的RX端口与SP3223E的R1OUT端口相连，TX端口与SP3223E的T1IN端口相连；SP3223E的R1IN端口与触摸屏的RX端口相连，T1OUT端口与触摸屏的TX端口相连。／EN直接接地使SP3223E一直处于工作状态，这样就实现了F5137与触摸屏的串口通信功能。
   
   
2．2．3 CC430F5137的RF无线电外围电路
     CC430F5137内部集成了CC1101无线电收发器，为了提高数据的传输速度，本系统的RF频率设为915MHz，数据传输速率为38．4 kbps，信道间隔为100 kHz，发送功率最大可以达到50 dBm，传输距离可以达到200m。还可以根据监测点与监测中心的距离来调节发射功率的大小，达到低功耗的目的。CC430F5137的RF无线电外围电路如图4所示。CC430F5137的供电电源采用蓄电池供电，其电压为+3V，外接晶振为26MHz，其中RY、N和RF_P为RF无线电收发器的接收和发射引脚，两引脚外接天线。
   
   

3 系统测试及结果分析
     根据整个系统的设计流程以及模块化的设计方案，应用相关的实验设施以及相关的硬件，分步骤地搭建实验系统。下面分别就单相和三相电压、电流的检测进行测试，并对结果进行分析。
3．1 单相电压、电流检测
     测量A相电压和A相电流的触摸屏显示界面分别如图5和图6所示。图5中，电压波形接近正弦波形，所测电压的最大值为231 V，THD为0．1％，功率因数为91％。测试结果与实际电压的波形以及数值基本符合，但是所计算出的幅值会有一些误差。这部分误差主要是由传感器测量精度以及信号调理电路中电阻的精度所引起的。功率因数的测量值和实际值相差不大，但是结果会有一定的浮动，其原因是测量功率因数是以软件方法来测量的，计算出来的数值会有一些误差，进而导致功率因数的不稳定。电流的测量结果与电压测量结果相似，峰值以及THD计算符合实际测量标准，在功率因数的计算上有一定的误差。
   
   
3．2 三相电压、电流的检测
     测量三相电压和三相电流，主要是将三相电压或电流波形同时显示出来，以便用户观察。三相电流显示界面和三相电压显示界面分别如图7和图8所示。三相显示功能只是显示出了各相电流、电压的最大值，并未标出THD、功率因数等参数。从图中可以看出三相电流和三相电压的波形显示完好，波形连续，且三相之间的相位差满足实际的测量要求。图9为电能质量分析仪测量出三相电压显示界面。其显示的三相电压波形与电力系统录波器所显示的三相波形基本符合，而且所测量的电压最大值与电力系统录波器所测的结果基本一致。测试结果表明，本系统的测量结果达到了设计的标准，各种功能均满足设计的要求。
   
   
   
     本系统界面中波形的刷新时间可以设置，初始设置的刷新时间间隔为1s，根据需要可以更改屏幕的刷新时间间隔，以满足实时测量的要求。单击界面中的“保存波形”按钮，可以实现保存波形的功能；单击“回放波形”按钮，可以再次观看已保存的波形，并且将保存的波形数据存储到存储卡里，根据需要可以随时调用数据进行实时分析。

结语
     本文设计出了一种基于DSP芯片TMS320F2812和CC430F5137单片机的电力系统故障录波器。测试结果表明，系统运行稳定可靠。该录波器具有运算速度快、计算精确、设备移动方便、组网灵活等特点，具有较好的应用前景。