王洪坤,馬玉榮,聶晶

(1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2石河子天富水利水電工程公司,石河子832000)

基于ADSP-21992的電力系統(tǒng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)

王洪坤1,馬玉榮2,聶晶1

(1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2石河子天富水利水電工程公司,石河子832000)

為保證電力系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須依靠先進(jìn)的自動(dòng)裝置。本文以ADSP-21992為核心,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)準(zhǔn)同期裝置的硬件電路及準(zhǔn)同期軟件系統(tǒng)。首先以實(shí)現(xiàn)同期功能為目的,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)同期裝置的硬件電路,包括數(shù)據(jù)采集模塊、外部接口模塊,然后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝置的同期主程序及中斷服務(wù)子程序。經(jīng)功能試驗(yàn)測(cè)試,能夠滿足準(zhǔn)同期裝置性能要求。

準(zhǔn)同期;ADSP;數(shù)據(jù)采集;接口電路

隨著我國智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展,研制電力系統(tǒng)自動(dòng)控制裝置越顯必要和急迫,并成為電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn)。

由于社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的要求也隨之不斷提高。最早簡(jiǎn)單的手動(dòng)同期指示裝置及采用分立晶體管元件搭建硬件電路模擬式準(zhǔn)同期裝置現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰[1-3]。

目前的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置,一般采用單片機(jī)作為主控器件,但普通單片機(jī)包括16位單片機(jī)不能快速地完成復(fù)雜算法。DSP處理器的價(jià)格與普通單片機(jī)相近,但其性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通單片機(jī)[4-6]。DSP處理器的突出特點(diǎn)就是采用多總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了并行機(jī)制,有獨(dú)立的加法器和乘法器,有靈活的尋址方式,有更高的運(yùn)行速度和更方便靈活的指令系統(tǒng)[7-9],從而能夠以非?？斓乃俣忍幚韽?fù)雜算法,為完成準(zhǔn)同期裝置的功能提供了極大的方便。

1 準(zhǔn)同期裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在硬件上以ADI公司ADSP-21992數(shù)字信號(hào)處理器為核心,具有運(yùn)算速度快、內(nèi)存容量大、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)同期裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ADSP-21992是準(zhǔn)同期裝置的核心,裝置的軟件存放在BOOT ROM內(nèi),定值存放在 E2PROM內(nèi)。交流量經(jīng)過高精度互感器,經(jīng)過信號(hào)調(diào)理,由14位AD 8路同步采樣。交流信號(hào)波形變?yōu)榉讲ê?采用硬件抗干擾機(jī)制后送入80 MHz為計(jì)數(shù)頻率的DSP時(shí)鐘口,由DSP計(jì)算出方波的頻率及頻率變化率[10]。

圖1 準(zhǔn)同期裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Hardware Structure of Synchronizing Device

1.1 A/D轉(zhuǎn)換輸入配置電路

模擬量采集電路的設(shè)計(jì)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)采集[11-12],電壓、電流互感器將較高的電壓信號(hào)和較大的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5 V～+5 V的低電壓信號(hào),送入 ADSP-21992ADC模塊的接收端進(jìn)行采樣。ADSP-21992集成了1個(gè)快速精確的多通道A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)中的電壓和電流模擬量采集及A/D轉(zhuǎn)換輸入配置設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 模擬量采集及A/D轉(zhuǎn)換接口配置電路Fig.2 Analog Acquisition and A/D Conversion Interface

1.2 頻率測(cè)量采集電路

圖3 為頻率測(cè)量電路。該電路輸入0～5 V電壓信號(hào),電路中由LM311組成電壓比較器用于檢測(cè)交流信號(hào)的過零點(diǎn),采用觸發(fā)器SN74H211改善方波質(zhì)量,一方面穩(wěn)定方波幅度使方波上下沿變陡,另一方面使方波占空比可調(diào),有利于可靠計(jì)數(shù)。

圖3 頻率測(cè)量電路Fig.3 Frequency Measuring Circuit

2 ADSP-21992外部存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 SPI外設(shè)接口

ADSP-21992有一個(gè)獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口SPI,可以廣泛的與SPI兼容外設(shè)器件進(jìn)行I/O接口。本裝置SPI外設(shè)為定值存儲(chǔ)芯片X5043,首先對(duì)X5043進(jìn)行片選,將 SPIFL G寄存器的 FLS4位設(shè)置為“1”,使能 PF4;設(shè)置 SPI波特率寄存器,寫入0x50,則SCK頻率為0.5 MHz;設(shè)置SPI控制寄存器SPICTL為“0x5c08”,分別設(shè)置 SPI從選引腳使能,以及SPICL K低有效,SPI模塊為主機(jī)。相關(guān)程序如下:

sysreg_write(sysreg_IOPG,SPI0_Controller_Page);//選擇IO頁

io_space_write(SPIFL G0,0xff10);//使能 PF4

io_space_write(SPIBAUD0,0x50);//設(shè)置波特率

io_space_write(SPICTL0,0x5c08);//SPI為主機(jī),設(shè)置SPI控制寄存器

2.2 外部RAM擴(kuò)展

外部存儲(chǔ)器接口EMI提供了DSP內(nèi)核與DSP外圍之間或DSP內(nèi)核與片外存儲(chǔ)器之間進(jìn)行8位、16位或24位數(shù)據(jù)傳送功能。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求其外部存儲(chǔ)器接口寄存器的設(shè)置如下:

1)控制寄存器EMICTL?？刂萍拇嫫?EMICTL是一個(gè)7位寄存器,其賦值為1111000,總線請(qǐng)求延遲未使能,外部總線寬度選擇16位,讀寫邏輯為負(fù)邏輯,DSP能讀/寫MSxCTL、BMSCTL和IOMSCTL寄存器。

2)引導(dǎo)存儲(chǔ)器選擇控制寄存器BMSCTL,其賦值為100001101101,完成一次外部數(shù)據(jù)傳送所需要等待的I/O時(shí)鐘周期數(shù)為5;只用內(nèi)部等待狀態(tài);EMICL K與 HCL K時(shí)鐘分頻比率為1∶1。

3)I/O存儲(chǔ)器選擇控制寄存器 IOMSCTL,存儲(chǔ)器選擇控制寄存器MSxCTL與BMSCTL設(shè)置相同,其賦值為100001101101。

4)外部接口狀態(tài)寄存器EMISTAT。外部接口狀態(tài)寄存器是一個(gè)只讀寄存器,它保存著外部接口的狀態(tài)。

3 準(zhǔn)同期裝置的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,構(gòu)成裝置的軟件系統(tǒng)分為主循環(huán)程序和中斷處理子程序兩大部分。中斷處理子程序主要有確2個(gè):一個(gè)是1 ms定時(shí)中斷,主要負(fù)責(zé)時(shí)間的刷新、遙信掃描及 COS、SOE記錄、遙控信號(hào)時(shí)間的控制、同期信號(hào)的有關(guān)時(shí)間的控制等;另一個(gè)是AD采樣中斷,負(fù)責(zé)交流采樣和錄波。

設(shè)計(jì)同期主循環(huán)程序流程如圖4所示。

圖4 同期主程序流程圖Fig.4 The Main Program of Same Period

3.1 1 ms定時(shí)中斷

1 ms中斷服務(wù)程序是一個(gè)底層程序,它由均頻、均壓、合閘和顯示等處理模塊組成,實(shí)現(xiàn)1 ms的定時(shí)服務(wù)程序接收其它中斷服務(wù)程序和主程序給它發(fā)送的各種控制命令和顯示代碼,完成各種控制作用,并根據(jù)各自軟件定時(shí)器的狀態(tài)輸出控制脈沖。

1 ms定時(shí)中斷程序流程如圖5所示。

圖5 1 ms中斷服務(wù)程序流程圖Fig.5 1 ms Interrupt Service Program

3.2 AD采樣中斷

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和相關(guān)的處理任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行后,初始化定時(shí)器,配置A/D轉(zhuǎn)化器控制寄存器 TRIGSRC=000,確定AD的采樣啟動(dòng)方式為PWM同步信號(hào)的上升沿。通過設(shè)置A/D轉(zhuǎn)化器控制寄存器MODSEL=000,確定ADSP-21992的2個(gè)模擬量被同時(shí)采樣的采樣模式,在每一對(duì)模擬輸入轉(zhuǎn)化結(jié)束后,ADCSTA T寄存器中相應(yīng)的位被置1,所有8個(gè)A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)寄存器都存儲(chǔ)有效的轉(zhuǎn)化結(jié)果。當(dāng)所有數(shù)據(jù)被寫到ADC0-ADC7中時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)專用的ADC中斷。AD完成一次轉(zhuǎn)換后,觸發(fā)中斷,進(jìn)入中斷程序讀取AD的8通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),分別存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖器中,同時(shí)判斷數(shù)據(jù)緩沖器是否溢出。如果數(shù)據(jù)緩沖器溢出,則停止A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后,清空數(shù)據(jù)緩沖器,然后重新啟動(dòng)定時(shí)器,開始新一輪的數(shù)據(jù)采集。

4 準(zhǔn)同期裝置的測(cè)試

為達(dá)到電力系統(tǒng)同期裝置的要求,裝置具有一條線路的完備測(cè)控功能,能夠測(cè)量三相電壓、電流、相位;2路獨(dú)立遙控,8路外部遙信。裝置除具有準(zhǔn)同期功能外,還具備檢無壓(一側(cè)無壓或兩側(cè)無壓)快速合閘功能。設(shè)計(jì)要求的電壓電流測(cè)量精度為±0.2%;頻率測(cè)量精度為±0.001 Hz;相角差測(cè)量精度為 ±0.1°。

4.1 遙測(cè)功能測(cè)試

遙測(cè)功能測(cè)試通過準(zhǔn)同期裝置的485口進(jìn)行。裝置與計(jì)算機(jī)通訊連接后,運(yùn)行同期測(cè)試工具軟件,出現(xiàn)測(cè)試工具軟件界面(圖6),然后可對(duì)遙測(cè)的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)逐項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。

準(zhǔn)同期裝置有同期電壓和同期頻率,界面中的角差、壓差、頻差和待并側(cè)頻率就是與同期電壓有關(guān)的幾個(gè)測(cè)量值,其電壓電流的測(cè)量精度為±0.15%;頻率的測(cè)量精度為±0.001 Hz;相角差的測(cè)量精度為±0.05°,滿足精度要求。

圖6 測(cè)試工具軟件界面Fig.6 Interface of Software Testing Tools

4.2 準(zhǔn)同期遙信及遙控功能測(cè)試

根據(jù)同期遙控功能的合閘條件,進(jìn)行同期檢無壓功能、同期閉鎖功能、同期環(huán)并網(wǎng)功能3項(xiàng)測(cè)試。同期檢無壓功能和同期閉鎖功能的測(cè)試結(jié)果分別見表 1、表 2。

表1、表2結(jié)果表明:該裝置動(dòng)作正確,滿足同期遙控功能,測(cè)量數(shù)據(jù)精度高,遙控合閘動(dòng)作可靠、實(shí)現(xiàn)了同期閉鎖功能及檢無壓功能,具備自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的基本功能,測(cè)試結(jié)果達(dá)到了測(cè)試要求與設(shè)計(jì)要求。

表1 同期檢無壓功能測(cè)試Tab.1 voltage-check Function test

表2 同期閉鎖功能測(cè)試Tab.2 Blocking Function Tests

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)源于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,從準(zhǔn)同期的原理出發(fā),結(jié)合目前系統(tǒng)運(yùn)行的各種新狀況,利用新型32位微處理器ADSP-21992,對(duì)傳統(tǒng)的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置進(jìn)行了改善,完成了基于ADSP-21992嵌入式系統(tǒng)的新型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)。但由于裝置還在開發(fā)過程中,其抗干擾性和迅速反映能力還需經(jīng)實(shí)際的電力系統(tǒng)進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

[1]葉念國.由我國同期裝置的現(xiàn)狀所引發(fā)的思考[J].電網(wǎng)技術(shù),1998(2):74-77.

[2]劉佩芬,朱雅清,李宏.大型同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)準(zhǔn)同期[J].西北電力技術(shù),2004(1):52-54.

[3]楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理[M].上海:上海交通大學(xué),2005:10-50.

[4]李繼晟,鄭蔚,葉艷軍.一種新型的綜合測(cè)控裝置中同期功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].繼電器,2005(5):56-62.

[5]王偉.基于DSP的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的研制[D].國電自動(dòng)化研究院,2006:12-25.

[6]薛玉峰.基于DSP的中小型同步發(fā)電機(jī)綜合測(cè)控裝置研究與開發(fā)[D].西安:西安理工大學(xué),2007,3-7.

[7]楊小銘,趙祥,蔡月明.基于DSP的智能準(zhǔn)同期測(cè)控裝置[J].農(nóng)村電氣化,2007(10):35-36.

[8]駱武,寧海濤.80C196KC單片機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置的研究[J].繼電器,1998(7):42-44.

[9]趙麗,劉昭.嵌入式 Internet監(jiān)控系統(tǒng)在變電站通信中的應(yīng)用[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,25(3):394-396.

[10]王曉明,莊喜潤(rùn),等.高性能工業(yè)控制控制DSP[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:50-75.

[11]王洪坤,馬玉榮,謝江.基于GSM技術(shù)的配電變壓器防盜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,24(3):329-331.

[12]張曉海,任杰,張寧等.單片微型計(jì)算機(jī)與 PC機(jī)串行通信的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,20(2):147-149.

[13]戴維德 F斯圖特.運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2005:30-85.

[14]李濤,田敏.基于模糊自適應(yīng) PIO控制的水電站自功功率調(diào)節(jié)[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,27(5):651-653.

Design and Implementation of Power System Automatic Quai-Synchronization Device Based on ADSP 21992

WANG Hongkun1,MA Yurong2,NIE Jing1
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Shihezi Tianfu Water Conservancy Engineering Company,Shihezi 832000,China)

Advanced automatic control technology and equipment can ensure power system’s safety,economic operation and power quality.This paper designs interface circuits of synchronization device in power systems based on a core of ADSP-21992,which contains data collecting unit and external interfaces of ADSP-21992.Finally,the software system of device is developed,which includes main procedure and interrupt service routine.Though testing,the device can meet the requirements of engineering design.

quasi-synchronization;ADSP;data acquisition;interface circuit

TP368.1

A

1007-7383(2011)02-0260-05

2010-11-29

王洪坤(1975-),男,講師,西安交通大學(xué),從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究;e-mail:wanghongkun@shzu.edu.cn。