1、概述
    目前，在我國低壓配電系統(tǒng)中大多實(shí)行“盲目”的無人值守方式，即設(shè)備投入運(yùn)行后現(xiàn)場沒有人員值守，采用定期巡檢或故障用戶主動(dòng)反映的方式對運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和維護(hù)。但是近幾年來，隨著配電網(wǎng)綜合自動(dòng)化技術(shù)的日益成熟以及城市軌道交通對供電質(zhì)量的嚴(yán)格要求，廣大技術(shù)人員開始將智能低壓微機(jī)監(jiān)控裝置引入到低壓配電監(jiān)控中，以期實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)方集中運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高低壓供電安全性，減輕巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
    筆者在分析現(xiàn)有的低壓監(jiān)控模式基礎(chǔ)上，提出新型的低壓配電監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)思想，并基于TI公司的TM320VC33芯片，研制開發(fā)出一種新型低壓監(jiān)控裝置。該裝置充分利用了DSP強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，采用了先進(jìn)的軟件編程技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)視低壓設(shè)備的運(yùn)行工況，快速控制低壓開關(guān)，有效隔離故障區(qū)域，這樣大大提高了低壓配電網(wǎng)的供電可靠性。
2、現(xiàn)有的低壓監(jiān)控模式
    由于低壓配電系統(tǒng)中送電終端比較繁多，監(jiān)控點(diǎn)布置比較復(fù)雜，因此，許多技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究工作，現(xiàn)己形成多種比較成熟的監(jiān)控模式。
    (1)基于PLC與普通斷路器的監(jiān)控模式
    此監(jiān)控模式主要利用PLC的I/O接口將各低壓配電系統(tǒng)中的開關(guān)量狀態(tài)及模擬電量參數(shù)直接采集傳送到PLC，然后PLC上傳至遠(yuǎn)方監(jiān)控中心并接受遠(yuǎn)方操作命令，控制相應(yīng)的斷路器。
    主要特點(diǎn)：PLC的開關(guān)量輸入／輸出接口抗干擾性能好，邏輯控制靈活；但裝置接線復(fù)雜，故障率高；模擬量采集比較麻煩，成本較高。
    (2)基于數(shù)字智能儀表與普通斷路器的監(jiān)控模式
    此監(jiān)控模式下，數(shù)字智能儀表主要用于模擬數(shù)據(jù)采樣及SOE事件記錄，并經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)一方面將各種數(shù)據(jù)上傳給當(dāng)?shù)兀�遠(yuǎn)方通信處理機(jī)，形成完善的數(shù)據(jù)庫以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理，另一方面接受當(dāng)?shù)兀�遠(yuǎn)方的遙控操作命令，開／合相應(yīng)的斷路器；斷路器接受數(shù)字智能儀表傳送過來的遙控操作命令，并將操作結(jié)果通過輔助無源接點(diǎn)返送給數(shù)字智能儀表。
    主要特點(diǎn)：靈活地將儀表與監(jiān)控結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了分散式監(jiān)控；但由于模塊比較多且比較分散，重復(fù)數(shù)據(jù)采樣率高，故障數(shù)據(jù)可分析性差，成本比較高。
    (3)基于智能斷路器的監(jiān)控模式
    智能型斷路器就是把智能型脫扣器與斷路器集成在一起，實(shí)現(xiàn)長延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)過流保護(hù)以及接地和欠壓保護(hù)。智能型斷路器實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)以及故障信息，并通過通信接口一方面上傳數(shù)據(jù)給上位計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)方監(jiān)控中心，另一方面接受上位機(jī)或遠(yuǎn)方監(jiān)控中心的控制命令。
    主要特點(diǎn)：將數(shù)據(jù)采集、控制保護(hù)以及通信集于斷路器內(nèi)，提高了斷路器性能；但相應(yīng)的產(chǎn)品造價(jià)高，監(jiān)控系統(tǒng)比較分散。
3、新型低壓配電監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)
    低壓配電監(jiān)控技術(shù)是與微處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)密切相關(guān)的。近幾年來，一些新技術(shù)的興起，為研制監(jiān)控裝置提供了更好的方法。在總結(jié)現(xiàn)有的同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出基于DSP技術(shù)的新型低壓監(jiān)控模塊的主要設(shè)計(jì)方法。
3.1  新型低壓配電監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)
    新型低壓配電監(jiān)控模塊配置如圖l所示，其主要由二次變換器( PT/CT)、數(shù)據(jù)采樣單元(ADC)、數(shù)據(jù)處理單元（DSP微處理器）、人機(jī)接口單元(MMI)、開關(guān)量輸入輸出模塊以及事故打印模塊等6個(gè)基本單元組成。
    (1)二次變換器
    二次變換器單元主要是將低壓系統(tǒng)一次側(cè)傳送來的高電壓大電流變換成微機(jī)測控系統(tǒng)能進(jìn)行采樣的低電壓信號，然后傳送給數(shù)據(jù)采集單元和微處理器( DSP單元)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，因此二次變換器中電流互感器( CT)和電壓互感器(PT)的傳變精度直接影響著測量精確度。本裝置中的二次變換器的主要技術(shù)指標(biāo)為：在額定工作狀態(tài)下，電壓和電流測量精度不小于0.2%；在短路大電流以及含有直流分量的情況下，變換器不會(huì)發(fā)生飽和，波形不畸變，20倍額定電流下的誤差小于5%。
    (2)數(shù)據(jù)采集單元
    數(shù)據(jù)采集單元為32路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用同時(shí)采樣分時(shí)轉(zhuǎn)換的方式，其中A/D轉(zhuǎn)換芯片采用了分辨率為16位、轉(zhuǎn)換率為500KSPS的LTC1608芯片。數(shù)據(jù)采樣時(shí)，模擬信號首先經(jīng)過一階RC低通濾波器及采樣保持器，再經(jīng)多路模擬開關(guān)和運(yùn)放比例衰減，傳送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)用DSP內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)信號啟動(dòng)32路采樣通道同時(shí)采樣，在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)響應(yīng)中斷，通過設(shè)定通道選擇寄存器逐次采樣多路模擬值。
    (3)數(shù)據(jù)處理單元
    數(shù)據(jù)處理單元是基于TI公司的TMS320VC33芯片開發(fā)的。數(shù)據(jù)處理單元的主要硬件資源為芯片內(nèi)具有34K×32位單周期雙獲取的高速SRAM，片外擴(kuò)展了128K x8位EPROM、256K×32位高速RAM、1Mx8位NVRAM和16K×8位EEPROM。TMS320VC33芯片為32位高性能CPU，其具有120~150MFLOPS，60~ 75 MIPS高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力；內(nèi)含5倍頻的鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器，工作頻率為60 MHz;具有4個(gè)內(nèi)部譯碼頁選，可大大簡化與I/O及存貯器的接口；總線控制寄存器配置選通控制等待數(shù)，全部地址空間統(tǒng)一由控制軟件插入等待的個(gè)數(shù)，可方便靈活地對外部器件進(jìn)行控制；可以在一個(gè)單指令周期內(nèi)并行進(jìn)行算數(shù)／邏輯單元( ALU)操作和乘法器運(yùn)算；帶有啟動(dòng)程序裝載功能，可將固化在片外的EPROM中的程序上電后自動(dòng)引導(dǎo)裝載到快速片內(nèi)34K×32位高速RAM存貯器中；帶有2個(gè)地址發(fā)生器、8個(gè)輔助寄存器和2個(gè)輔助寄存器輔助單元( ARAUs)，程序總線、數(shù)據(jù)總線分開，可同時(shí)進(jìn)行取指和數(shù)據(jù)讀寫；具有塊重復(fù)功能，可零開銷循環(huán)和單周期分支；具有條件調(diào)用、條件返回指令故障錄波數(shù)據(jù)存貯在片外NVRAM中，可連續(xù)記錄故障前4個(gè)周波，故障后6個(gè)周波；裝置初始值固化在板內(nèi)的EEPROM，可在線修改，方便程序調(diào)試。
    (4)人機(jī)接口（MMI模塊）單元
    人機(jī)接口單元是一個(gè)富于人性化的智能終端，是低壓配電監(jiān)控模塊、操作者進(jìn)行信息交換的重要環(huán)節(jié)。操作者一方面可以通過MMI方便地對裝置進(jìn)行一些操作，另一方面能根據(jù)MMI模塊的提示信息快速地對低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。本裝置的MMI單元是基于Rabbit半導(dǎo)體公司的RCM2000芯片開發(fā)的。
    (5)微型打印機(jī)
    微型打印機(jī)采用智能點(diǎn)陣感熱式并行非擊打打印機(jī)。打印機(jī)內(nèi)部有一片C51單片機(jī)對打印頭進(jìn)行控制，打印機(jī)與DSP的通信可通過插拔短路塊進(jìn)行切換。
3.2 新型低壓配電監(jiān)控模塊技術(shù)性能
    (1)32路模擬量同步采樣與存貯
    現(xiàn)有的智能儀表或智能斷路器同段母線數(shù)據(jù)采樣均采用非同步方式，即同母線段每個(gè)監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)采樣時(shí)序不同時(shí)，這樣為了計(jì)算功率因數(shù)、有功功率、無功功率等基本電量需要反復(fù)采樣同段母線電壓，造成成本增加而且計(jì)算結(jié)果誤差大。新型監(jiān)控模塊將盡量保證同段母線上輸出回路模擬數(shù)據(jù)同步采樣，避免同段母線電壓的反復(fù)采樣，同時(shí)也有利于進(jìn)行錄波數(shù)據(jù)分析對比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障危害。
    (2)快速準(zhǔn)確的基本電參量計(jì)算
    母線電壓有效值、線路電流有效值、功率因數(shù)、系統(tǒng)頻率、有功功率等基本電參量計(jì)算是低壓監(jiān)控模塊的一個(gè)重要的功能。計(jì)量往往要求具有較高精確度，而故障錄波啟動(dòng)則注重計(jì)算速度，這兩者是相互矛盾的。要解決這個(gè)矛盾一方面要提高裝置微處理器CPU的運(yùn)算速度；另一方面要改進(jìn)現(xiàn)有裝置的算法。新型監(jiān)控裝置將采用具有高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力的TMS320VC33芯片作為主微處理器，并根據(jù)故障錄波啟動(dòng)和電參量計(jì)算對實(shí)時(shí)性的要求，選用常用的全波傅立葉差分算法。全波傅立葉差分算法不僅可以濾掉整次諧波和純直流分量，還可以有效地濾除衰減直流分量。
    (3)靈活的通信接口及組網(wǎng)方式
    低壓監(jiān)控模塊的主板上集成了RS232、RS422及RJ45等多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口。RS232和RS422標(biāo)準(zhǔn)串行接口采用了101遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約，RJ45接口集成了TC P/IP協(xié)議，這樣裝置可適應(yīng)于多種通信方式的要求，豐富了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組合模式，同時(shí)也提高了通信速率，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
    (4)易于操作的人機(jī)交換界面
    低壓監(jiān)控模塊設(shè)置了240×128的寬溫液晶，液晶為中文圖形模式顯示模式，在系統(tǒng)正常運(yùn)行循環(huán)顯示母線電壓有效值、各饋線電流有效值、系統(tǒng)功率、系統(tǒng)頻率各開關(guān)量信息及保護(hù)裝置的狀態(tài)等；發(fā)生故障時(shí)，顯示故障時(shí)間、故障距離、裝置設(shè)定定值、裝置起動(dòng)原因。此外，MMI模塊前面板還設(shè)置了9個(gè)鍵盤，可方便地完成裝置參數(shù)設(shè)定、特殊操作指令發(fā)送等操作。
4、結(jié)語
   本文基于DSP技術(shù)開發(fā)研制的新型低壓配電智能化監(jiān)控模塊可適應(yīng)當(dāng)前對低壓監(jiān)控的要求，可替代傳統(tǒng)的RTU裝置，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。
    三門峽富通新能源可根據(jù)用戶的需求訂做各種類型的高低壓配電柜開關(guān)柜。