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【摘要】随着我国配电网自动化的不断发展，对配电网络故障类型判断、故障隔离、故障定位及网络重构都提出了较高的要求，实时性要求更高。基于数字信号处理器DSP芯片TMS320F206的馈线终端单元FTU的设计，集中运用了DSP芯片运算速度快、运算量大等优点。因此，简化了线路设计及元器件数量，降低功耗，大大提高了馈线自动化远方终端单元装置的性能。
【关键词】配电自动化；馈线远方终端单元；数字信号处理器
1.馈线自动化系统
要解决配电网供电可靠性问题，其主要环节就是实现馈线自动化FA，它主要包括线路及其开关设备的状态监视和控制、数据采集、处理和统计分析，故障定位、隔离与恢复以及无功补偿和电压调节等内容。IEEE对馈线自动化定义为：对配电线路上的设备进行远方监视、协调及控制的集成系统。内容可归结为两个方面：正常情况下的状态监测、数据测量；事故状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和供电恢复。馈线自动化是配电自动化系统DAS的基础，对于提高供电可靠性，减小停电面积和缩短停电时间具有深远的意义。
1.1 FTU的性能要求
FTU是馈线自动化系统的核心设备，主要功能包括：配网馈线运行状态监测；馈线故障检测；故障定位；故障隔离；馈线负荷重新优化配置（网络重构）；供电电源恢复；馈线过负荷时，系统切换操作；馈线开关远方控制操作；开关动作次数累计、供电可靠性累计、事故记录报告、负荷记录等。简单的说，FTU应具有监测、识别、判断和恢复等功能。当前智能FTU设计多采用51或96系列单片机完成。对于配电网馈线自动化要求来说，监视和控制的参数要求实时性较强、故障监测要准确、故障隔离要迅速，整个过程还有大量的数据需要计算和处理，而这些工作的完成，数字信号处理器DSP较之单片机有其无可比拟的性能和结构，独特的优越性能更能适应FA发展的要求。
1.2 DSP概述及TMS320F206功能介绍
DSP选用TI公司的一款性价比较好的芯片TMS320F206。该芯片是一种高性能、低功耗的16位定点DSP，静态CMOS数字信号处理器，供电电压为5V，采用了改进的哈佛结构，有1条程序总线和3条数据总线，流水线操作，有高度并行32—bit算术逻辑单元、16×16—bit并行硬件乘法器、片内存储器、片内外设和高度专业化的指令集，从而使该芯片速度高、操作灵活。片内资源还有：内部时钟发生器，可以对外接时钟源进行×1、×2、×4和÷2来产生CPU时钟；片内有RAM4.5KB，Flash32KB，能够适合于许多工程应用，特别是32K Flash作为程序存储器，给系统的设计和程序的调试带来很大方便；3个外部中断INT1、INT2、INT；1個同步串口和一个异步串口；1个软件可编程定时器；JTAG扫描仿真接口（IEEE标准），用来实现在线仿真测试；具有4个独立可编程I/O脚，1个输出脚XF和1个输入脚/BIO。
2.FTU总体设计方案
2.1 双处理器结构
主控制器采用两片TMS320F206芯片，其结构框图如图2.1所示，分别标为DSP0和DSP1。两片DSP周边除了最小系统所必须的时钟、复位电路、调式JTAG口外，其之间通过64KB的高速双口RAM交换数据信息。总的来说，这种设计可以减小单个DSP信号处理负担，同时使得整个系统拥有一定的处理裕量。
根据FTU各个任务重要性和紧迫性的不同，将任务分为两组：一级任务和二级任务。一级任务主要包括了交流电量的采样、开关量的输入输出、FTU和二级子站的通信、故障的判断、有效值频率等的计算等。二级任务主要有各次谐波、功率、功率因数的计算，键盘显示、时钟模块的处理等。在以上的分工基础上，DSP0主要用来承担一级任务的处理，DSP1用来处理二级任务。采用这种方案的优点是：控制系统整体运行可靠性高，一旦一个DSP故障，另一方可以接管部分重要功能并发出警报，避免由于DSP故障而导致整个系统瘫痪的不良局面。
2.2 两个DSP间的通讯问题
一个大型复杂系统往往有多个处理器，处理器间要协同工作就必须交换数据，这就需要注意处理器间的通信和数据传输问题。
在设计中选用IDT7133芯片，其核心部分是用于数据存储的存储器阵列，可为左右两个端口所共用。这样，位于两个端口的左右处理单元就可共享一个存储器。当两个端口对双口RAM存取时，存在以下4种情况：
（1）两个端口不同时对同一地址单元存取数据；
（2）两个端口同时对同一地址单元读出数据；
（3）两个端口同时对同一地址单元写入数据；
（4）两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，另一个读出数据。
在第一、第二种情况时，两个端口的存取不会出现错误，第三种情况会出现写入错误，第四种情况会出现读出错误。为避免第三、四种错误情况的出现，IDT7133芯片设有硬件BUSY功能输出，其工作原理如下：当左右端口不对同一地址单元存取时，BUSY L=LOW，BUSY R=LOW可正常存储。当左右端口对同一地址单元存取时，有一个端口的BUSY=HIGH禁止数据的存取。此时，两个端口中哪个存取请求信号出现在前，则其对应的BUSY=LOW允许存取；哪个存取请求信号出现在后，则其对应的BUSY=HIGH禁止其写入数据。
TMS320F206与IDT7133双口存储器的连接方式如图2.2所示。
2.3 时钟模块部分
时钟模块的功能为：经初始化输入时间、日期后启动时钟，向主控模块输入时钟、日期，定时向主控模块提供中断。本文选择DS1302作为本系统的日历/时钟芯片。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5—5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK、I/O、RST。
3.结束语
本方案应用了目前流行的DSP芯片作为主控制器部分，实现了馈线自动化远方终端FTU的主要功能设计。在对交流采样过程中的大量数据处理、电力系统谐波分析及故障分析中的诸多算法方面均体现了其优越性，这是一般的CPU所不能比拟的。基于DSP的FTU设计也是未来电力系统配电自动化发展的一个方向，相信DSP技术将在电力系统的应用中得到进一步的深化。
参考文献
[1]刘健，倪建立，邓永辉.配电自动化系统[M].中国水利水电出版社，1999.
[2]李刚，林凌，叶文宇.TMS320F206 DSP结构、原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2002.
[3]黄梅.馈线自动化方案讨论[J].华北电力技术，2001.
作者简介：喻丽丽（1982—），女，湖北钟祥人，大学本科，助教，现供职于金山职业技术学院，研究方向：电气工程及其自动化。
【关键词】配电自动化；馈线远方终端单元；数字信号处理器
1.馈线自动化系统
要解决配电网供电可靠性问题，其主要环节就是实现馈线自动化FA，它主要包括线路及其开关设备的状态监视和控制、数据采集、处理和统计分析，故障定位、隔离与恢复以及无功补偿和电压调节等内容。IEEE对馈线自动化定义为：对配电线路上的设备进行远方监视、协调及控制的集成系统。内容可归结为两个方面：正常情况下的状态监测、数据测量；事故状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和供电恢复。馈线自动化是配电自动化系统DAS的基础，对于提高供电可靠性，减小停电面积和缩短停电时间具有深远的意义。
1.1 FTU的性能要求
FTU是馈线自动化系统的核心设备，主要功能包括：配网馈线运行状态监测；馈线故障检测；故障定位；故障隔离；馈线负荷重新优化配置（网络重构）；供电电源恢复；馈线过负荷时，系统切换操作；馈线开关远方控制操作；开关动作次数累计、供电可靠性累计、事故记录报告、负荷记录等。简单的说，FTU应具有监测、识别、判断和恢复等功能。当前智能FTU设计多采用51或96系列单片机完成。对于配电网馈线自动化要求来说，监视和控制的参数要求实时性较强、故障监测要准确、故障隔离要迅速，整个过程还有大量的数据需要计算和处理，而这些工作的完成，数字信号处理器DSP较之单片机有其无可比拟的性能和结构，独特的优越性能更能适应FA发展的要求。
1.2 DSP概述及TMS320F206功能介绍
DSP选用TI公司的一款性价比较好的芯片TMS320F206。该芯片是一种高性能、低功耗的16位定点DSP，静态CMOS数字信号处理器，供电电压为5V，采用了改进的哈佛结构，有1条程序总线和3条数据总线，流水线操作，有高度并行32—bit算术逻辑单元、16×16—bit并行硬件乘法器、片内存储器、片内外设和高度专业化的指令集，从而使该芯片速度高、操作灵活。片内资源还有：内部时钟发生器，可以对外接时钟源进行×1、×2、×4和÷2来产生CPU时钟；片内有RAM4.5KB，Flash32KB，能够适合于许多工程应用，特别是32K Flash作为程序存储器，给系统的设计和程序的调试带来很大方便；3个外部中断INT1、INT2、INT；1個同步串口和一个异步串口；1个软件可编程定时器；JTAG扫描仿真接口（IEEE标准），用来实现在线仿真测试；具有4个独立可编程I/O脚，1个输出脚XF和1个输入脚/BIO。
2.FTU总体设计方案
2.1 双处理器结构
主控制器采用两片TMS320F206芯片，其结构框图如图2.1所示，分别标为DSP0和DSP1。两片DSP周边除了最小系统所必须的时钟、复位电路、调式JTAG口外，其之间通过64KB的高速双口RAM交换数据信息。总的来说，这种设计可以减小单个DSP信号处理负担，同时使得整个系统拥有一定的处理裕量。
根据FTU各个任务重要性和紧迫性的不同，将任务分为两组：一级任务和二级任务。一级任务主要包括了交流电量的采样、开关量的输入输出、FTU和二级子站的通信、故障的判断、有效值频率等的计算等。二级任务主要有各次谐波、功率、功率因数的计算，键盘显示、时钟模块的处理等。在以上的分工基础上，DSP0主要用来承担一级任务的处理，DSP1用来处理二级任务。采用这种方案的优点是：控制系统整体运行可靠性高，一旦一个DSP故障，另一方可以接管部分重要功能并发出警报，避免由于DSP故障而导致整个系统瘫痪的不良局面。
2.2 两个DSP间的通讯问题
一个大型复杂系统往往有多个处理器，处理器间要协同工作就必须交换数据，这就需要注意处理器间的通信和数据传输问题。
在设计中选用IDT7133芯片，其核心部分是用于数据存储的存储器阵列，可为左右两个端口所共用。这样，位于两个端口的左右处理单元就可共享一个存储器。当两个端口对双口RAM存取时，存在以下4种情况：
（1）两个端口不同时对同一地址单元存取数据；
（2）两个端口同时对同一地址单元读出数据；
（3）两个端口同时对同一地址单元写入数据；
（4）两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，另一个读出数据。
在第一、第二种情况时，两个端口的存取不会出现错误，第三种情况会出现写入错误，第四种情况会出现读出错误。为避免第三、四种错误情况的出现，IDT7133芯片设有硬件BUSY功能输出，其工作原理如下：当左右端口不对同一地址单元存取时，BUSY L=LOW，BUSY R=LOW可正常存储。当左右端口对同一地址单元存取时，有一个端口的BUSY=HIGH禁止数据的存取。此时，两个端口中哪个存取请求信号出现在前，则其对应的BUSY=LOW允许存取；哪个存取请求信号出现在后，则其对应的BUSY=HIGH禁止其写入数据。
TMS320F206与IDT7133双口存储器的连接方式如图2.2所示。
2.3 时钟模块部分
时钟模块的功能为：经初始化输入时间、日期后启动时钟，向主控模块输入时钟、日期，定时向主控模块提供中断。本文选择DS1302作为本系统的日历/时钟芯片。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5—5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK、I/O、RST。
3.结束语
本方案应用了目前流行的DSP芯片作为主控制器部分，实现了馈线自动化远方终端FTU的主要功能设计。在对交流采样过程中的大量数据处理、电力系统谐波分析及故障分析中的诸多算法方面均体现了其优越性，这是一般的CPU所不能比拟的。基于DSP的FTU设计也是未来电力系统配电自动化发展的一个方向，相信DSP技术将在电力系统的应用中得到进一步的深化。
参考文献
[1]刘健，倪建立，邓永辉.配电自动化系统[M].中国水利水电出版社，1999.
[2]李刚，林凌，叶文宇.TMS320F206 DSP结构、原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2002.
[3]黄梅.馈线自动化方案讨论[J].华北电力技术，2001.
作者简介：喻丽丽（1982—），女，湖北钟祥人，大学本科，助教，现供职于金山职业技术学院，研究方向：电气工程及其自动化。