基于DSP與CPLD的輸電線路局部氣象監(jiān)測裝置系統(tǒng)設(shè)計

1 概 述
輸電線路的狀態(tài)直接決定著整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，輸電線路微氣象參數(shù)的實時監(jiān)測能夠為電網(wǎng)正常調(diào)度、以及自然災(zāi)害預測和控制提供必要的現(xiàn)場信息。輸電線路是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一。為了安全、穩(wěn)定地運行，調(diào)度系統(tǒng)往往會收集輸電線路的電氣參數(shù)和運行工況參數(shù)(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?shù)目刂?。在電力系統(tǒng)的研究成果中，更多的是關(guān)注潮流優(yōu)化、系統(tǒng)故障和系統(tǒng)穩(wěn)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(zāi)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(wǎng)的破壞很大。要預測和控制這些自然災(zāi)害，只有輸電線路的電氣運行參數(shù)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(jié)冰機理直接相關(guān)的線路周圍的局部氣象參數(shù)。
為了實現(xiàn)輸電線路的局部氣象參數(shù)采集，必須設(shè)計局部氣象參數(shù)在線監(jiān)測裝置，以便為更高層次的應(yīng)用決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路局部氣象監(jiān)測、基于“DSP+CPLD”的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測裝置，可以實現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數(shù)的測量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置以及外圍的測量傳感器和變送器。數(shù)據(jù)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(tǒng)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力。
地址譯碼和時序控制電路由CPLD實現(xiàn)，用于協(xié)調(diào)硬件各部分之間的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系統(tǒng)可編程能力和在系統(tǒng)診斷能力，可以實現(xiàn)硬件功能的軟件在線修改，簡化硬件設(shè)計，提高硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由它實現(xiàn)所有擴展設(shè)備的地址譯碼功能、外部存儲器訪問等待狀態(tài)信號，以及其他DSP與外設(shè)的訪問定時信號的產(chǎn)生，并擴展出幾個數(shù)字I／O口。采用CPLD實現(xiàn)VC33與外設(shè)之間的控制信號，具有時序嚴格、穩(wěn)定可靠的特點。在本設(shè)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(fā)環(huán)境下完成設(shè)計輸入、設(shè)計文件處理、布線前仿真、設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)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(jié)，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(jié)，存放重要的運行參數(shù)，可在線修改且掉電后數(shù)據(jù)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(xiàn)水源熱泵運行數(shù)據(jù)的上傳，這些數(shù)據(jù)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(gòu)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(guī)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(qū)動芯片MAX3232擴展而來，工作模式為查詢式。
實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在運行時總要進行人機交互(包括在LCD上顯示運行狀態(tài)、設(shè)置運行參數(shù)等)，因此還必須設(shè)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(shè)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(chǎn)生中斷信號給VC33，VC33調(diào)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(yīng)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(wěn)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(tài)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(shè)計中用外部有源時鐘、內(nèi)部時鐘電路不啟振、內(nèi)部倍頻系數(shù)為1的時鐘工作方式。
2．4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
系統(tǒng)應(yīng)該監(jiān)測的基本參數(shù)包括：環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數(shù)。除了風向外，其余都是模擬量。為了把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為能被VC33處理的離散的數(shù)字量，必須設(shè)計A／D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集A／D芯片，適合水源熱泵工質(zhì)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(zhuǎn)換開關(guān)HEF4067來實現(xiàn)。由于水源熱泵節(jié)能最優(yōu)控制為動態(tài)實時測控，且水源熱泵熱工動態(tài)過程相對緩慢的特點，對各個模擬量采集頻率設(shè)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(zhì)壓力、水壓力到電壓信號的轉(zhuǎn)換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實現(xiàn)。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(xiàn)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(jīng)有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A／D轉(zhuǎn)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(guān)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(tǒng)誤差不能忽略，應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行校準。
2．4．2 環(huán)境溫度測量
輸電線路覆冰與溫度緊密相關(guān)，溫度的測量精度直接決定著覆冰預測的精度。本設(shè)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(zhuǎn)換為直流電壓信號后才能進行A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)部集成的二階校正線性化電路能夠?qū)崿F(xiàn)Pt100阻值到直流電流的線性轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、工廠自動化、SCADA等領(lǐng)域。精密電流／電壓轉(zhuǎn)換器RCV420實現(xiàn)直流電流到直流電壓的轉(zhuǎn)換。

XTR103輸出電流信號IO與Pt100阻值RPt的函數(shù)關(guān)系為：

其中，IO為輸出電流信號，在4～20 mA范圍內(nèi)；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(shè)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(huán)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(zhuǎn)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(tǒng)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(huán)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(yīng)用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細、質(zhì)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(guān)鍵是要把風速參數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再由VC33處理。
風向測量由EA-V200給出8個開關(guān)量輸入來表示不同的風向。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
設(shè)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(tǒng)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(jié)構(gòu)上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。
主程序包括：
①系統(tǒng)初始化程序。設(shè)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(shù)，確定系統(tǒng)的運行模式。
②數(shù)據(jù)處理程序。把A／D轉(zhuǎn)換后的離散化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實際的溫度、壓力、工質(zhì)質(zhì)量流量，剔除不良數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的高頻噪聲濾波，最終得到反應(yīng)系統(tǒng)實際工況的狀態(tài)量等。
中斷服務(wù)程序包括：
①A／D采集程序。完成所有模擬量的12位采集。根據(jù)熱力傳感器的特點，采樣頻率每路均設(shè)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(qū)動程序。驅(qū)動數(shù)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(qū)動的周期。具體控制策略要根據(jù)具體的應(yīng)用來確定。
④通信程序。實現(xiàn)LCD顯示、與PC通信的功能。占用VC33的定時器中斷。

4 總 結(jié)
基于DSP的輸電線路局部氣象在線監(jiān)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(shù)，包括環(huán)境溫度和濕度、大氣壓力、風速等。這些參數(shù)皆與輸電線路覆冰預測、脫冰跳躍、風舞及控制等緊密相關(guān)，可以向調(diào)度中心提供線路現(xiàn)場的詳細信息。本裝置的設(shè)計涉及多學科內(nèi)容，現(xiàn)總結(jié)設(shè)計中的一些經(jīng)驗：
①根據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合，合理布置傳感器或變送器的數(shù)量和測點。
②VC33與外設(shè)的時序控制問題。對慢速的外部擴展設(shè)備，僅僅設(shè)計合適的訪問等待狀態(tài)是不夠的(如A／D芯片，其片選信號無效后數(shù)據(jù)總線的封鎖仍需相對較長一段時間)，還必須仔細研究外設(shè)的訪問時序，設(shè)計相應(yīng)的封鎖電路，以免造成總線沖突使得系統(tǒng)無法工作。
③系統(tǒng)的抗電磁干擾問題?；赩C33的系統(tǒng)是高速系統(tǒng)，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(shè)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(jiān)測裝置充分發(fā)揮了“DSP+CPLD”體系的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫度、大氣壓力、濕度、風速和風向等參數(shù)的多通道采集、數(shù)據(jù)處理、自然災(zāi)害預警等功能，對提高輸電線路乃至整個電網(wǎng)的安全可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。