DSP與CPLD的輸電線路局部氣象監測裝置設計

1 概 述

??? 輸電線路的狀態直接決定著整個電網的安全穩定運行，輸電線路微氣象參數的實時監測能夠為電網正常調度、以及自然災害預測和控制提供必要的現場信息。輸電線路是電力系統的關鍵元件之一。為了安全、穩定地運行，調度系統往往會收集輸電線路的電氣參數和運行工況參數(如輸電線的型號、排列方式，以及其上的潮流分布信息等)，并進行適當的控制。在電力系統的研究成果中，更多的是關注潮流優化、系統故障和系統穩定性問題，而在氣象條件對輸電線路的影響方面的研究相對不足。

??? 我國是輸電線路自然災害嚴重的國家之一，雨雪冰凍天氣造成的線路覆冰問題一直沒有得到很好的解決，而線路覆冰對電網的破壞很大。要預測和控制這些自然災害，只有輸電線路的電氣運行參數是不夠的。例如，要研究輸電線路的覆冰問題，就必須收集與成結冰機理直接相關的線路周圍的局部氣象參數。

??? 為了實現輸電線路的局部氣象參數采集，必須設計局部氣象參數在線監測裝置，以便為更高層次的應用決策提供基礎數據。本文設計了一種能夠實現輸電線路局部氣象監測、基于“DSP+CPLD”的實時數據采集和監測裝置，可以實現環境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數的測量。

2 系統硬件設計

??? 該裝置包括數據采集裝置以及外圍的測量傳感器和變送器。數據采集裝置選用TI公司的DSP芯片TMS320VC33(簡稱VC33)。它具有豐富的指令系統、哈佛總線結構、高速數據處理能力。

??? 地址譯碼和時序控制電路由CPLD實現，用于協調硬件各部分之間的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系統可編程能力和在系統診斷能力，可以實現硬件功能的軟件在線修改，簡化硬件設計，提高硬件系統的穩定性。由它實現所有擴展設備的地址譯碼功能、外部存儲器訪問等待狀態信號，以及其他DSP與外設的訪問定時信號的產生，并擴展出幾個數字I／O口。采用CPLD實現VC33與外設之間的控制信號，具有時序嚴格、穩定可靠的特點。在本設計中，ispLS12032A的仿真掃描接口為JTAG接口；其軟件采用ABEL語言編寫，在Synario開發環境下完成設計輸入、設計文件處理、布線前仿真、設計適配、布線后仿真、程序下載等過程。

2．1 外部存儲器

??? 存儲器的選取原則是：存取速度和總線電平必須和VC33相匹配。設定VC33的工作模式為Microcomputer／Bootloader，存儲器空間分配如下：

??? ①程序SRAM。起始地址810000h，長度64K字，運行時存放VC33的程序代碼，由2片Cypress公司的64K×16位高速CY7C1021V33-12VI組成。

??? ②數據SRAM。起始地址820000h，長度64K字，VC33的運行變量空間同樣由2片CY7C1021V33-12Ⅵ組成。

??? ③Flash ROM。起始地址400000h，長度3FFFFh字節，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，長度3FFh字節，存放重要的運行參數，可在線修改且掉電后數據不丟失，采用1片Dallas公司的非易失性RAM。

2．2 DSP與外部通信接口電路和人機界面

??? 通信功能包括兩部分：與PC機的通信，實現水源熱泵運行數據的上傳，這些數據可用于進一步的分析；與LCD(液晶顯示器)的通信，并與鍵盤接口電路構成人機界面。VC33與LCD芯片SC16C750B的串口通信接口電路如圖1所示。

??? VC33與PC機、LCD之間的通信符合串口通信規約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接口驅動芯片MAX3232擴展而來，工作模式為查詢式。

??? 實時數據采集系統在運行時總要進行人機交互(包括在LCD上顯示運行狀態、設置運行參數等)，因此還必須設計鍵盤接口。本文選用1片東芝公司的82C79芯片完成4×4鍵盤矩陣的掃描。82C79的工作模式設置為譯碼掃描鍵盤工作方式，并占有VC33的INT2中斷。當有按鍵動作時，82C79產生中斷信號給VC33，VC33調用鍵盤掃描程序讀取所按鍵的編碼。

2．3 電源和時鐘電路

??? VC33的電源電路采用TI公司的雙電源應用芯片TPS767D318。其外圍I／O工作電壓DVDD為3．3 V，而其核心的工作電壓CVDD為1．8 V。電源電路如圖2所示。

??? 除了在正常運行時工作電壓要穩定外，VC33還要求上電過程中保證CVDD端電壓不能超過DVDD端電壓0．6 V，采用肖特基限位整流器DL5817來提供此安全保證。二極管D1和D2起到鉗位CVDD、DVDD兩個工作電壓的作用。在TPS767D318的電壓輸出端均接有較大容量的電容，用于處理電壓輸出起始階段非常大的暫態電流，以免燒壞VC33。VC33強化了時鐘配置功能，可提供多種時鐘工作方式。設計中用外部有源時鐘、內部時鐘電路不啟振、內部倍頻系數為1的時鐘工作方式。

2．4 數據采集系統

??? 系統應該監測的基本參數包括：環境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數。除了風向外，其余都是模擬量。為了把連續的模擬量轉換為能被VC33處理的離散的數字量，必須設計A／D轉換電路。

??? ADI公司的AD7874為自帶采樣／保持、4通道同時采樣、高精度的12位數據采集A／D芯片，適合水源熱泵工質某點的溫度和壓力的同相位采集。其輸入信號范圍為±10 V，單通道采樣頻率可達29 kHz。AD7874輸入通道的多路復用通過選用Phillips公司的16選1多路模擬轉換開關HEF4067來實現。由于水源熱泵節能最優控制為動態實時測控，且水源熱泵熱工動態過程相對緩慢的特點，對各個模擬量采集頻率設定為24 Hz，即每秒24個點。

2．4．1 大氣壓力測量

??? 大氣壓力測量泵的工質壓力、水壓力到電壓信號的轉換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實現。QBE620-P16既適用于氣體，也適用于液體，溫度工作范圍寬，適合輸電線路的惡劣運行現場。外加工作電壓范圍為DC 18～33 V，測量壓力范圍為0～232 psi。測量信號輸出DC 0～10 V，經有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A／D轉換。

??? 一般認為，壓力變送器的測量壓力與輸出直流信號之間的關系為線性變換，但實際上線性度并不為零。在壓力測量范圍較大時，由線性度引起的測量系統誤差不能忽略，應根據試驗數據進行校準。

2．4．2 環境溫度測量

??? 輸電線路覆冰與溫度緊密相關，溫度的測量精度直接決定著覆冰預測的精度。本設計中溫度傳感器選三線制Pt100鉑電阻溫度傳感器，按照國際溫度標準ITS-90：

????
??? 其中，RPt為Pt100的電阻值，T為溫度。電阻信號必須轉換為直流電壓信號后才能進行A／D轉換。采用三線制熱電阻，是因為三線制可消除長線引起的附加電阻帶來的測量誤差。

??? 圖3為高精度溫度測量電路。熱電阻阻值必須轉換成電壓或電流信號才能輸入A／D電路。XTR103為BURR-BROWN公司生產的以Pt100熱敏電阻(或其他類型)為激勵、輸出4～20 mA直流電流的高靈敏度變送器。其內部集成的二階校正線性化電路能夠實現Pt100阻值到直流電流的線性轉換，廣泛應用于工業過程控制、工廠自動化、SCADA等領域。精密電流／電壓轉換器RCV420實現直流電流到直流電壓的轉換。

??? XTR103輸出電流信號IO與Pt100阻值RPt的函數關系為：

????

??? 其中，IO為輸出電流信號，在4～20 mA范圍內；RG為XTR103的量程電阻；Rz為基準電阻?？紤]熱泵運行工況，要選擇合適的量程電阻和基準電阻，以設定合適的溫度測量范圍。選擇RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以確定溫度測量范圍為-50．77～132．55℃，能夠滿足我國輸電線路環境溫度測量范圍的要求。

??? 為了提高溫度測量精度，除了采用圖3所示的高精度信號轉換電路外，還必須解決以下兩個問題：

??? ①鉑電阻的阻值一溫度特性校準。式(1)給出的是額定特性，實際的鉑電阻存在統計學意義上的分散性，因此必須校準每個鉑電阻的阻值-溫度特性。

??? ②鉑電阻元件的熱滯后(thermal lag)問題。熱滯后問題由元件與環境的換熱熱阻以及元件自身的熱容共同引起。鉑電阻元件由鉑電阻絲和不銹鋼封裝外殼組成，在高溫應用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細、質量小，可忽略其熱惰性。

2．4．3 風速和風向測量

??? 風速的測量關鍵是要把風速參數轉換成能被A／D電路處理的電信號，由風速／風向傳感器來完成。本文選用風速／風向傳感器EA-V200，其風速測量范圍為0～50 m／s，輸出信號為抗干擾能力強的直流電流4～20 mA。此直流信號由A／D電路轉換為數字信號后再由VC33處理。

??? 風向測量由EA-V200給出8個開關量輸入來表示不同的風向。

3 系統軟件設計

??? 設定Microcomputer／Bootloader為VC33的運行模式。運行前程序存放在存取速度較低的Flash中，系統復位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速運行。本文只簡單介紹軟件的功能。程序從結構上分為主程序和中斷服務程序兩部分。

??? 主程序包括：

??? ①系統初始化程序。設置外部存儲器接口、串口、定時器、中斷、中斷向量表、鍵盤接口等參數，確定系統的運行模式。

??? ②數據處理程序。把A／D轉換后的離散化數據轉化成實際的溫度、壓力、工質質量流量，剔除不良數據，采集數據的高頻噪聲濾波，最終得到反應系統實際工況的狀態量等。

??? 中斷服務程序包括：

??? ①A／D采集程序。完成所有模擬量的12位采集。根據熱力傳感器的特點，采樣頻率每路均設為24 Hz。A／D采集程序占用VC33的INT0中斷。

??? ②鍵盤掃描程序。當有按鍵動作時，讀取按鍵編碼。占用VC33的INT2中斷。

??? ③控制量驅動程序。驅動數字輸出或模擬量輸出。由VC33的TIMER0的定時器中斷來提供這些控制驅動的周期。具體控制策略要根據具體的應用來確定。

??? ④通信程序。實現LCD顯示、與PC通信的功能。占用VC33的定時器中斷。

4 總 結

??? 基于DSP的輸電線路局部氣象在線監測裝置能夠分散安裝在輸電線路沿線桿塔上，實時測量氣象參數，包括環境溫度和濕度、大氣壓力、風速等。這些參數皆與輸電線路覆冰預測、脫冰跳躍、風舞及控制等緊密相關，可以向調度中心提供線路現場的詳細信息。本裝置的設計涉及多學科內容，現總結設計中的一些經驗：

??? ①根據輸電線路的實際運行工況選擇合適的傳感器或變送器。注意與數據采集系統配合，合理布置傳感器或變送器的數量和測點。

??? ②VC33與外設的時序控制問題。對慢速的外部擴展設備，僅僅設計合適的訪問等待狀態是不夠的(如A／D芯片，其片選信號無效后數據總線的封鎖仍需相對較長一段時間)，還必須仔細研究外設的訪問時序，設計相應的封鎖電路，以免造成總線沖突使得系統無法工作。

??? ③系統的抗電磁干擾問題?；赩C33的系統是高速系統，電磁干擾問題尤其嚴重，特別對時鐘線要進行良好的屏蔽。對高頻信號線要注意傳輸線距離、匹配電阻設計、印制電路板布線形狀等問題。采用多層布線板對抗電磁干擾有益處，但成本會增加。

??? 基于DSP的輸電線路局部氣象在線監測裝置充分發揮了“DSP+CPLD”體系的優點，能夠實現環境溫度、大氣壓力、濕度、風速和風向等參數的多通道采集、數據處理、自然災害預警等功能，對提高輸電線路乃至整個電網的安全可靠性具有重要的現實意義。