電力系統錄波器是一種長期應用在電力系統中，用來監視電力系統運行狀況的一種自動記錄裝置。它可以記錄系統正常和非正常狀況下系統電壓、系統電流的變化，以及電力系統故障情況下系統頻率、有功功率、無功功率的全過程變化。其所記錄的各種參數對于分析電力系統正常運行下電能的應用情況起著重要的作用，而且故障階段記錄的數據對于分析電力系統事故發生原因，幫助尋找故障發生點，迅速處理相關故障事故，特別是分析繼電保護運作行為起著關鍵的作用。目前電力系統錄波器已成為電力系統自動化及系統管理的重要組成部分。
參考文獻設計的是一種基于DSP的電力系統故障錄波器，采用以太網方式來控制。參考文獻設計的電力系統故障錄波器采用計算機與局域網相結合的方法，其缺點是只能以局域網方式來連接，使得產品應用有一定的局限性。以上兩種設計方案均須架設局域網絡，才能實現其傳輸功能。本文采用基于DSP與無線通信模塊的設計方案，可以實現1000～2000 m之間的傳輸，而且每個無線通信模塊都可以作為一個小中繼器，可以實現間接傳輸，進而使傳輸距離更遠。
1 系統運行原理
簡單來說，電力系統故障錄波器是一個測量裝置，其運行原理如圖1所示。首先，電網的各項電壓、電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號。之后，由檢測部分的電壓、電流傳感器對電網三相電壓、電流等基本參數進行實時檢測，所測的6路模擬量傳遞給16位A／D轉換芯片AD7656。DSP芯片TMS320F2812控制AD7656將6路模擬量轉換成數字量，利用FFT算法對電壓、電流的數字量進行分析，提取出基波和各次諧波分量，并算出有功功率、無功功率和THD值等相關參數。最后，通過串口傳送給無線通信模塊，進行無線通信傳輸。
電力系統故障錄波器借助無線通信模塊，將分析處理后的數據通過無線網絡傳輸至遠端主機，以便主機對整個區域的電力系統運行情況進行分析。遠端主機也可以發送控制命令到各個子站的傳輸模塊，由傳輸模塊再傳送到主處理器，用于控制電力系統錄波器的運行，包括要采集的某相電壓或電流的數據、顯示的刷新頻率、其他參數設置和工作模式等。整個系統的控制由一個中央主機進行控制，這里以10個站點為例進行說明。如圖2所示，主機通過無線通信模塊發送指令給各個站點，各個站點通過無線通信模塊接收主機的指令，然后根據指令的要求完成相應的工作任務。DSP通過無線通信模塊將所測數據傳輸給主機，以供主機進行數據分析。
2 系統硬件設計
本系統核心采用TMS320F2812和SZ05系列無線通信模塊。采集來的數字信號經過DSP進行處理，并利用RS232串口將處理后的數據通過無線通信模塊發到主機。
2．1 TMS320F2812及外圍電路
TMS320F2812作為高性能的32位定點DSP芯片，具有如下特點：主頻達150 MHz，低成本、低功耗，具有高性能的處理能力，可用C／C語言實現復雜的數學算法，特別適用于有大量數據處理的測控場合；具有2個事件管理器(EVA和EVB)、3個外部中斷、外設中斷允許(PIE)模塊，支持45個外設中斷。
2．1．1 TMS320F12812的時鐘電路
有2種方法提供時鐘：一種是將外部時鐘源直接輸入X2／CLKIN引腳，X1懸空，采用已封裝晶體振蕩器；另一種是利用TMS320F2812內部所提供的晶體振蕩器電路，即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一晶體來啟動內部振蕩器。考慮到資源利用和電路設計的簡單性，最小應用系統的時鐘電路采用TMS320F2812內部晶體振蕩器電路，具體電路如圖3所示。外部晶體的工作頻率為30 MHz，TMS320F、2812內部具有一個可編程的鎖相環，用戶可根據所需系統時鐘頻率對其編程設置。
2．1．2 TMS320F2812的復位電路
TMS320F2812的復位電路采用上電復位電路，由電源器件給出復位信號。一旦電源上電，系統便處于復位狀態，當XRS為低電平時，DSP復位。為使DSP初始化正確，應保證XRS為低電平并至少保持3個CLKOUT周期；上電后，該系統的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩定期。所選的電源器件TPS73HD301一旦加電，其輸出電壓緊隨輸入電壓。當輸出電壓達到啟動RESET的最小電壓(25℃時，為1．5 V)時，引腳RESET輸出低電平，并且至少保持200 ms，從而滿足復位要求。
2．1．3 TMS320F2812的供電電路
DSP的供電要求為其內核和I／O分別進行供電，現采用電源器件TPS73HD301為DSP供電，內核供電電壓為1．9 V，I／O口供電電壓為3．3 V。其中，Vdd供1．9 V電壓，VDDIO供3．3 V電壓，Vss接地。
2．2 供電電路
2．2．1 3．3 V電源電路
考慮到簡化電路和節約成本等因素，選擇LDO型的電源芯片。LDO為低壓差線性穩壓器，與傳統的線性穩壓器相比，LDO所需輸入、輸出的壓差較低，但輸出效率較高，發熱較少。這里選用AMS1117—3．3。3．3 V電源電路如圖4所示。用前面產生的5 V電壓作為電壓輸入，輸出的固定電壓為3．3 V。該電源系統的輸入、輸出均需要加電容進行濾波，以便提供質量較好的3．3 V電源電壓。
2．2．2 5 V電源
5 V電源選型時應考慮器件的帶負載能力，也就是能提供的功率。根據估算，系統中要求5 V電源輸出電流在1～2 A左右，由輸入15 V降至5 V，故選用電源管理中的DC—DC芯片。這種芯片的最大優點是輸出電流強勁，輸出功率大，輸入、輸出壓差變化范圍廣，效率較高。LM2596—5是一款高效率的DC—DC電源管理芯片，開關頻率高達150 kHz，輸出最大電流達3 A，能夠滿足檢測系統的要求。但是應該注意的是，此電源芯片輸出的電源紋波較大，在應用中需對輸出電壓進行LC濾波處理。5 V電源電路如圖5所示。
2．3 無線通信模塊與DSP的連接電路
本系統采用的是北京順舟科技SZ05系列嵌入式無線通信模塊。其集成了符合ZigBee協議標準的射頻收發器和微處理器，具有通信距離遠、抗干擾能力強、組網靈活、性能可靠穩定等優點；可實現點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備間數據的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網狀網絡結構。
SZ05系列無線通信模塊數據接口包括TTL電平收發接口、標準串口RS232數據接口，可以實現數據的廣播方式發送、按照目標地址發送模式，除可實現一般的點對點數據通信功能外，還可實現多點之間的數據通信。SZ05系列無線通信模塊分為中心協調器、路由器和終端節點。這3類設備具備不同的網絡功能：中心協調器是網絡的中心節點，負責網絡的發起組織、網絡維護和管理；路由器負責數據的路由中繼轉發；終端節點只進行本節點數據的發送和接收。無線通信模塊傳輸距離為1000～2000 m，串口速率范圍為1 200～115 200bps，頻率范圍為2．405～2．480GHz，供電壓為5V。
電源電路提供給無線通信模塊5 V電壓，SZ05ZBEE無線通信模塊提供標準RS232和TTL收發兩種接口標準。RS232串口為TX、RX、GND三線工作模式；TTL為TX2、RX2兩線工作模式，TTL電平為3．3 V。這里選用RS232串口。無線通信模塊與TMS320F2812的接口電路如圖6所示。無線通信模塊的RX、TX端口與TMS320F2812的串口相連。4個輸出端口用來接指示燈，分別為DATA串口數據收發指示燈、RUN系統運行指示燈、NET網絡指示燈、ALARM系統告警指示燈，這4個端口都外接指示燈以便用戶觀察系統運行情況。CENTER為中心節點端口，若此端口接低電平，則此無線模塊具有中心節點功能。DEVICE為終端節點端口，若此端口接低電平，則此無線模塊具有終端節點的功能(也就是點對點的傳輸)，無中心節點的功能。CONFIG為配置接口，其接低電平為配置無線通信模塊狀態，在這個狀態下可以配置無線通信模塊的參數。這3個端口在硬件電路設計中均留有跳帽以便功能的選擇。
3 系統軟件設計
軟件設計包括無線通信模塊的配置程序、DSP的串口配置和串口發送接收程序，以及系統整體程序等。
3．1 無線通信模塊的配置程序
根據系統的功能要求，需要配置無線通信模塊的參數。SZ05-ZBEE無線通信模塊有3種節點類型：中心節點、中繼路由、終端節點。本系統中選擇終端節點的功能，通過跳線短接DEVICE端口使其變為低電平，從而將無線通信模塊設置為終端節點類型。
配置無線模塊內置參數的方法如下：首先打開計算機的超級終端，將其設置為波特率38400bps、數據位8、校驗NONE、停止位1、流控無；然后將CONFIG跳線短接，設備上電，進入設備配置模式，這樣就可以配置無線通信模塊的參數了。參數配置如下：通信信道CHANNEL的頻率范圍為2．405～2．480 GHz或者是AUTO模式，這里設置為AUTO模式，即自動選擇最佳信道；網絡類型NET_TYPE設置為PEER對等網，其為非主從網，無中心節點；網絡號NET_ID號設置為01；數據發送模式TX_TYPE設置為點對點式；數據類型DATA_TYPE設置為HEX(十六)進制的發送模式；數據位DATA_BIT(即串口傳輸數據)設置為8位數據1位校驗1位停止；串口波特率BAUD_RATE設置為115 200 bps。
3．2 DSP的串口配置和串口發送接收程序
配置TMS320F2812，只需配置系統的I／O口和串口波特率。TMS320F2812有兩個串口，這里選擇SCIB串口與無線通信模塊進行通信。
3．3 系統整體程序
系統整體程序流程如圖7所示。主機通過無線通信模塊發送相關的指令(包括三相電壓、三相電流、頻率、諧波分析等)；DSP通過無線模塊接收主機的指令，接收完成后對指令進行判斷，并根據指令的要求進行數據采集、分析處理等；然后，將所測數據通過無線通信模塊傳送給主機，以便主機進行整體分析。
結語
本文設計了一種基于DSP和無線通信模塊的新型電力系統故障錄波器。該系統穩定可靠，運算速度快，計算精確，設備移動方便，組網靈活，能夠將多個小站點的電力應用情況即時傳輸給主站以供實時分析。不過，在各種惡劣場合的應用狀況還有待進一步測試。