TMS320F2812在配电自动化系统中的应用
配电自动化的从开始研究到发展已经有将近20年的时间了，但是在这儿将近二十年的时间里并没有多大的发展，受限于外围技术的发展，配电自动化只是停留在理论研究层面。近两年来，随着通信技术和材料技术的发展，尤其是国家电网在完成了高压输电网络的升级后，有了更多的精力去完善网络结构复杂并且数量众多的配电网络。
配电自动化系统主要分为配电主站（配电子站）、配电远方终端（FTU、DTU、TTU等）和通信网络。 其中配电远方终端负责现场数据的采集，如配电线路上的柱上开关，开闭所、环网柜、箱式变电站、以及到处可见的配电变压器上的数据，通过通信网络与配电主站（配电子站）相连，通过配电主站（配电子站）的自动调度，达到快速切除线路故障，提高供电可靠性的目的。
在配电自动化系统中，主站一般由专用的服务器配合相应的主站软件完成。通信网络以通信介质和交换机，各种转换模块组成，除了核心模块有些利用DSP实现外，更多的是利用ARM等实现。本文主要介绍DSP在配电远方终端中的应用。
配电远方终端是配电自动化系统的底层，需要现场实时采集电力系统运行中的各种参数，同时为当前保护的电路提供及时的各种保护功能，然后还要把实时的数据上传的主站。更要命的一点是配电远方终端的工作环境十分恶劣，整天经受着风吹日晒，可谓是配电自动化系统中的苦力。这也就对配电远方终端的核心部件提出了更高的要求。除了要有出色的数据处理能力之外，还要有很强的抗干扰能力。在做电力系统保护设备的时候，经常遇到的一个困扰就是一方面为了满足实时性，要求其运算速度要足够快，另一方面为了提高设备运行的稳定性，又要求设备的运行速度尽可能的慢下来。在这样矛盾的纠结中，TMS320F2812在众多的数据处理单元中脱颖而出，成为了大部分电力保护设备核心部件的首选。
下面我分别介绍一下TMS320F2812在配电远方终端（FTU、DTU、TTU中的具体应用！
1、FTU
FTU全称为馈线自动化测控终端, 是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置。其主要应用于35KV及以下配电网馈线沿线的柱上分段开关、联络开关、断路器、负荷开关等，要求实时监测所保护线路的电压电流，及时处理各种故障信息并上报主站。具体任务包括：采集三相或两相电流、采集或计算出零线电流、控制柱上开关的分合、与外部设备通讯等功能。在这样的应用中，除了很强的数据计算能力，AD是必须的，由于受到系统可靠性以体积的限制，我们希望由用尽量完成所有的工作，TMS320F2812多达16通道的12位AD为系统的实现提供可能性。
在电力系统保护中，对数据采集的精度要求并不太高，一般达到0.5%的精度即可，另一个要求就是必须要有很宽的数据采集范围，因此线路在故障的时候，尤其是短路故障的时候的电流要比平时的电流大出好多倍，一般要求至少满足超过10倍正常电流的采集能力，这样的一个要求就使得我们设计电路的时候要按最大电流设计，这样带来的问题就是在正常情况下AD只工作在比额度范围小很多的区域，以至于实际的采集位数达不到AD的最佳状态。比如设计使用12位AD，但是正常工作的时候的电流为设计电流的10分之一，这个时候AD的采样数据连9位都达不到，直接结果就是影响测量精度。根据经验，在一般的电力系统保护中，至少要使用14位的AD才能达到要求。
但是，TMS320F2812多达16通道的AD让我们用另一个方法可以解决上述提到的问题，那就是每路信号使用两个或三个通道的AD进行采集，通过前端电路的处理，把每路信号分成两个或三个接入芯片的内部AD。然后再通过DSP强大的数据处理能力，判断选择使用哪一组通道的值最为当前值。这样，强大的数据处理能力不仅提高了采样的精度，同时降低了成本。
在电力系统中，利用DSP最主要的就是数据处理能力，其中主要的一个就是FFT运算，通过FFT运算，可以对电网中的电压电流进行谐波分析，除了更精确的计算出在波形畸变下电压电流的有效值，更能预测出电网中可能出现的问题，或者规避正常情况下出现的异常现象，如变压器的涌流现象，必须通过谐波分析进行保护闭锁，以保证变压器投入的正常。
至于通讯，TMS320F2812提供了SPI，SCI（UART）、eCAN、McBSP等多个串行接口以供选择，在电力系统中，我们一般选择可靠性较高的eCan接口与外围通讯模块之间尽进行通讯，这个并不是 TMS320F2812的特色，不再赘述。（多说一句，eCan是TI的特色，比一般CAN接口的功能要强很多！）
2、DTU
DTU全称是站所测控终端，同样是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置。与FTU不同的是他的应用场所主要是环网柜、开闭所、箱式变压器等多条线路集中的现场。与FTU相比，DTU最大的特点就是监测控制的是多条线路，也就是多个TFU的集合，一般包括30个左右的交流量（电压电流）、50个以上的开关量监测、以及20个以上的控制量输出。最主要的应用上，利用与FTU一样的思路实现就需要多个DSP，不仅增加了成本，设备体积也会大大增加。
根据需要，我们利用TMS320F2812强大的外部扩展能力即可完成。首先是AD，由于交流量采集数量的增加，再利用FTU中的办法就有些捉襟见肘，因此我们采用外部AD，如TI公司的ADS8557，通TMS320F2812的XINTF接口相连，以实现DSP对AD的快速读取。另外一个需要扩展的就是RAM，在如此大量的数据数据处理中，只使用片内RAM就很难满足要求了，扩展外部RAM同样适用XINTF，提供快速的数据交换，如果程序较大，还可以外扩FLASH等。由于本文主要介绍TMS320F2812的应用概况，关于XINTF的具体应用就不再多说了。
至于开关量的输入和输出，一般的用法是通过外扩CPLD实现，主要是因为DSP运算速度快，而一些外围逻辑较慢，从而拖DSP的后腿，同时也容易把一些外部的干扰引入到DSP内部，从而降低系统稳定性。CPLD是可编程逻辑器件，一方面可以与DSP通过高速逻辑实现数据交换，另一方面与外部逻辑相连，把外部逻辑传给DSP的同时，去掉可能的干扰，起到一个调节时序的功能。使用CPLD虽然会增加一些成本，但是根据多年使用的经验，提高了系统的可靠性，因此这样的应用还是很典型的！
剩下的就和FTU一样了，大量的数据处理通讯功能，这个主要体现DSP的性能，但是并没有多少可说的，只能通过实践证明其超强的性能！
3、TTU
TTU的全称是配电变压器监测终端，与FTU和DTU相比，一般不需要保护功能，其侧重的是一台配电变压器的所有数据的监测，如电压、电流、电能、电能质量、变压器油温、变压器损耗等数据。在监测功能上与FTU相似，也是监测一条线路，不管是交流量还是控制量都较少，因此整体方案上可以使用FTU的模式。
TTU的的侧重点在于数据处理能力，比如更精确的测量精度，更高的谐波次数采集等，还有电能质量分析都需要大量的实时计算来保证。这样的数据计算其实并不比DTU的数据多，毕竟数据量个数少。TMS320F2812完成这个任务绰绰有余！
总结
TMS320F2812在电力系统保护中的应用已经多年，多年来其稳定性和可靠性以及抗干扰性都得到了验证，在方兴未艾的配电自动化系统中，很多厂家都是直接把继电保护中的成功经验直接拿过来使用的，这样的做法一方面是为了缩短产品的研发周期，另一方面也体现出工程师对TMS320F2812的信任。电力系统无小事，轻则造成经济损失，重则造成生命危险，对公司来说，一次失误就有可能彻底跨掉。芯片的更新换代是不可避免的，但是TMS320F2812以前超强的数据处理能力和超强的稳定性，在电力系统保护以及配电自动化系统中的应用扔会发挥出耀眼的光芒。
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