應用于氣象監測裝置在輸電線路局部的設計

1 概 述
輸電線路的狀態直接決定著整個電網的安全穩定運行，輸電線路微氣象參數的實時監測能夠為電網正常調度、以及自然災害預測和控制提供必要的現場信息。輸電線路是電力系統的關鍵元件之一。為了安全、穩定地運行，調度系統往往會收集輸電線路的電氣參數和運行工況參數(如輸電線的型號、排列方式，以及其上的潮流分布信息等)，并進行適當的控制。在電力系統的研究成果中，更多的是關注潮流優化、系統故障和系統穩定性問題，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，而線路覆冰對電網的破壞很大。要預測和控制這些自然災害，只有輸電線路的電氣運行參數是不夠的。例如，要研究輸電線路的覆冰問題，就必須收集與成結冰機理直接相關的線路周圍的局部氣象參數。
為了實現輸電線路的局部氣象參數采集，必須設計局部氣象參數在線監測裝置，以便為更高層次的應用決策提供基礎數據。本文設計了一種能夠實現輸電線路局部氣象監測、基于“DSP+CPLD”的實時數據采集和監測裝置，可以實現環境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數的測量。

2 系統硬件設計
該裝置包括數據采集裝置以及外圍的測量傳感器和變送器。數據采集裝置選用TI公司的DSP芯片TMS320VC33(簡稱VC33)。它具有豐富的指令系統、哈佛總線結構、高速數據處理能力。
地址譯碼和時序控制電路由CPLD實現，用于協調硬件各部分之間的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系統可編程能力和在系統診斷能力，可以實現硬件功能的軟件在線修改，簡化硬件設計，提高硬件系統的穩定性。由它實現所有擴展設備的地址譯碼功能、外部存儲器訪問等待狀態信號，以及其他DSP與外設的訪問定時信號的產生，并擴展出幾個數字I／O口。采用CPLD實現VC33與外設之間的控制信號，具有時序嚴格、穩定可靠的特點。在本設計中，ispLS12032A的仿真掃描接口為JTAG接口；其軟件采用ABEL語言編寫，在Synario開發環境下完成設計輸入、設計文件處理、布線前仿真、設計適配、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數據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，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，存放重要的運行參數，可在線修改且掉電后數據不丟失，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，實現水源熱泵運行數據的上傳，這些數據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接口驅動芯片MAX3232擴展而來，工作模式為查詢式。
實時數據采集系統在運行時總要進行人機交互(包括在LCD上顯示運行狀態、設置運行參數等)，因此還必須設計鍵盤接口。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產生中斷信號給VC33，VC33調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。設計中用外部有源時鐘、內部時鐘電路不啟振、內部倍頻系數為1的時鐘工作方式。
2．4 數據采集系統
系統應該監測的基本參數包括：環境溫度、濕度、大氣壓力、風速和風向等參數。除了風向外，其余都是模擬量。為了把連續的模擬量轉換為能被VC33處理的離散的數字量，必須設計A／D轉換電路。
ADI公司的AD7874為自帶采樣／保持、4通道同時采樣、高精度的12位數據采集A／D芯片，適合水源熱泵工質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多路模擬轉換開關HEF4067來實現。由于水源熱泵節能最優控制為動態實時測控，且水源熱泵熱工動態過程相對緩慢的特點，對各個模擬量采集頻率設定為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壓力、水壓力到電壓信號的轉換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實現。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，經有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A／D轉換。
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誤差不能忽略，應根據試驗數據進行校準。