电站故障录波系统设计

王勇+王晓渝

摘 要：故障录波器是一种在电力系统发生故障或振荡时（例如继电保护动作等），自动记录故障信息的装置。本文讨论的基于DSP的故障录波系统是为了满足监测电力系统故障，提高电能质量而设计的一套大容量数据高速采集处理系统。本文主要从硬件电路的组成方面介绍了数据采集卡以及其与上位机通信的基本原理。本数据采集卡具有采集路数多，采样速率高，处理能力强，智能控制灵活，在线改变采样速率的优点。

关键词：故障录波；数据采集；TMS320C6713；ADS7864

中图分类号： TM935.39 文献标识码： B 文章编号： 1673-1069（2016）32-180-2

0 引言

本文主要介绍了基于DSP芯片的故障录波器数据采集卡的硬件开发、数据传输原理，并对其主要性能指标作了介绍。

1 基于DSP的数据采集系统概述

数据采集系统的基本原理是把接收到的模拟信号转换为数字信号，然后再将数字信号传送给计算机进行处理、显示和存储。基于DSP的数据采集系统能进行高精度、高速度采样与实时分析，实现从强背景噪声中拾取微弱信号以及在一定的频带内对被测信号进行采样等。由于本采集卡将要应用到电力系统精确故障定位这样实时性很高的场合，因此我们要设计专门的硬件方案：①A/D采集单元；②DSP处理单元；③高速输出单元。为了获得高速的采集速度，那么就应该注重提高每一部分的速度。

2 数据采集卡的设计要求及性能指标

2.1 主要技术指标

①模拟量通道：采样率100kps，36路5V差动输入（交流量），12bitAD，可选信号隔离，36路同步采样，128点RMS计算累积误差小于50mV（1%）；

②开关量通道：8路继电器输出，64路开关量输入，带光电隔离；

③采用GPS时钟同步；

④通过PCI总线与工控机进行数据交换；

⑤满足36路模拟量及相应的开关量的数据的存储要求。

2.2 该数据采集卡的优点

①采集路数较多，包含36路模拟量输入和64路开关量输入；

②采集速率高，通道数多。采集速率100kHZ；

③采用了高速DSP芯片；

④智能控制，能够在线改变采样速率。

3 数据采集卡的硬件设计

本数据采集卡采用型号为TMS320C6713的DSP芯片，具有速度高、可靠性强、具备良好的扩展能力，其采样率可自动调节。

数据采集卡的总体框图如下。包含信号调理与模数转换（A/D）部分、中央处理单元（DSP）、数据存储部分、与工控机的通信部分等。（图1）

硬件说明如下。

3.1 DSP芯片

TI的高性能32位浮点数DSP芯片TMS320C6713（PYP），提供16位外部数据总线，片内集成256kB SRAM，可灵活地外扩SDRAM，SRAM，Flash ROM等多种类型的存储器芯片。在150M Hz的时钟频率下，能够实现1200MIPS/900MFLOPS的定点和浮点运算。其HPI接口可灵活地同PCI控制器进行连接。集成2个32位定时器，其时钟和PLL单元提供4路不同频率的时钟输出，3路可由管脚引出，便于全系统使用统一的时钟同步运行。

3.2 SDRAM

采用128Mbit的同步DRAM芯片，MT48LC8M16A2-75，使用一块芯片即可实现8M×16的存储器配置，有效地节省了电路板的面积。

3.3 Flash ROM

使用一片Am29LV160D实现1M×16的存储器配置，可使用DSP开发系统在线对该芯片进行编程操作。

3.4 PCI橋接控制器

使用PCI2040作为主机和数据采集卡DSP局部总线的桥接控制器，它允许DSP局部总线以50MHz的频率高速运行。

3.5 模拟量通道

使用TLC4502对输入模拟量进行调理放大后，采用12bit，500kps的A/D转换芯片ADS7864进行同步数据采集。ADS7864进行一次AD变换所需时间为2μs，一次转换2路通道，完成6路模拟量的采集需6μs。在采用6芯片并行同步采样的条件下，进行一次36路模拟量采集的时间不大于10 μs，系统可以100kps的速率进行采样。在最大采样速率下，每周波可采2048点。单次采样采集精度为1LSB，在对128点RMS运算的累积误差小于50mV（1%）。

3.6 开关量通道

提供64路开关量通道，4路开关量动作可触发DSP中断。系统每100 μs或每采集一次模拟量对开关量扫描一次。提供8路继电器输出，通过信号隔离板驱动外部220V继电器。

3.7 GPS时钟同步

采用GARMIN GPS25 LVS接收GPS卫星信号，其秒脉冲输出触发DSP NMI中断同步DSP内部定时器TIMER0，控制模拟量的同步采集。GPS报文通过异步串行口TL16C550BN传送到DSP数据采集卡，DSP提取时间后作为所采数据的时标。

3.8 地址译码及系统控制

由3-4片G22V10完成。亦可选用CPLD器件，这样一片即可实现全部译码和控制工作，但需要一套开发系统。

3.9 电源及复位电路

使用LTC3413芯片由3.3V降压提供TMS320C6713（PYP）核心所需的1.2V电压，3.3V电源由PC机主板提供，采集卡所需的5V逻辑电源由另外的开关电源提供，采用12V电源经线性稳压电源芯片7805降压后输出5V电源供给模拟量采集部分。采用TPS3110E12芯片对DSP核心和I/O电源进行监测。

3.10 36路模拟量经过信号调理TLC4502

将+5V或-5V的电压转换为0～5V；起到调幅，电平移位的作用。

3.11 总线驱动

①增强驱动能力。

②电平转换：5V与3.3V之间的转换。

3.12 74164245

将持续的电平转换为脉冲，避免一路信号长期占用总线，DSP一次只能读取16位的信号，64路信号需要分4次读取，可以说这64路开关量是通过这个芯片控制分时占用总线。

3.13 中断逻辑生成

有些时候开关量发生了变化或者其他原因，我们可以由此生成中断，要求DSP停止读写操作。实际上由于要求是每1ms 采一次数据，所以我们的这部分的功能可能用不上。

3.14 74573锁存器

将脉冲转换为持续电平，因为信号在总线上出现的时间极短，而进行继电器输出及其驱动或者使二极管亮灯等这是需要一定时间的，所以必须利用74573将这一时刻的信号锁存。

采集卡还可以实现8路继电器输出及其驱动，以及状态指示输出。

4 数据的传输

该数据采集卡本身并不能保存采样数据，它通过通信接口（PCI总线）将需要保存的数据发送给工控机，工控机将数据存储在其大容量硬盘上。

利用TMS320C6713上的并行端口（HPI）可以很方便地和上位机进行无缝接口，其接口的主控权由上位机掌管。

PCI2040负责为TMS320C6713与PCI之间提供无缝接口（兼容PCI局部总线规范2.2版本）。PCI2040提供了到DSP芯片HPI接口的无缝连接，因此减少了同PCI9054连接所需要的一些逻辑转换环节，这就简化了后续的编程工作。

PCI2040与TMS320C6713之间的接口电路如下图：

参 考 文 献

[1] 锁小军，孙超图.故障录波器简析[J].陕西水力发电，2000，6（1）：32-35.

[2] 孙淑东.电力系统故障录波装置使用中的几个问题[J].继电器，2000，28（8）：59-61.

[3] 王哲，焦彥军.高性能故障录波器的设计方案[J].电力自动化设备，23（3）

[4] 王念旭，等.DSP基础与应用系统设计[M].北京航天航空大学出版社，2001，8.

[5] “TMS320C6713 FLOATING一POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR，.TexasInstrument，2003.

[6] “PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller data manual”，Texas Instrument，1999 J.Degens

[7] “TMS320C6000 EMIF to External Flash Memory”，Texas Instrument，2002.

[8] 李连昌.微机型故障录波器综述[J]. 电力情报，1996，1.

[9] 由欣，张振华，刘万顺，等.实用微机保护数据采集系统的分析与研究[J].继电器，2000，28（3）：12-14.