输电线路局部气象监测的设计实现方法

2012-02-27 15:49:51来源: 互联网

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。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

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关键字:输电线路  气象监测

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0227/article_14615.html
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