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基于DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計
單片機與嵌入式系統(tǒng)應用
摘要: 著重介紹基于CPLD與DSP架構的智能變電站電網IED(Intelligent Electronic Device,智能電力監(jiān)測裝置)的硬件架構和軟件流程。著重闡述了“高速A/D轉換器+CPLD”在信號采集過程中的優(yōu)勢,以及多路信號如何通過CPLD被DSP選擇。DSP對信號進行處理,并利用FFT算法的結果分析電網的功率因素和諧波含量。
Abstract:
Key words :
摘要:著重介紹基于CPLD與DSP架構的智能變電站電網IED(Intelligent Electronic Device,智能電力監(jiān)測裝置)的硬件架構和軟件流程。著重闡述了“高速A/D轉換器+CPLD”在信號采集過程中的優(yōu)勢,以及多路信號如何通過CPLD被DSP選擇。DSP對信號進行處理,并利用FFT算法的結果分析電網的功率因素和諧波含量。

引言

隨著新技術的不斷發(fā)展,數(shù)字化變電站正在興起。在智能電網規(guī)劃的推動下,未來數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。眾所周知,電網信號量極多且相關性很強,這給采集計算和實時監(jiān)測帶來了很大的麻煩。為了解決這一問題。本文的設計師基于DSP和CPLD搭建的智能IED(Intelligent Electronic Device,智能電力監(jiān)測裝置)可以同時采集多路信號,并通過FFT算法得到電網運行的關鍵數(shù)據(jù)。

基于IEC61850的智能變電站的邏輯如圖1所示。IEC61850協(xié)議主要定義了變電站的信息分層結構:過程層、站控層和間隔層。本文重點研究智能IED設備,按照IEC61850協(xié)議的描述,IED檢測設備位于間隔層和過程層。其中,負責存儲測量數(shù)據(jù)、進行電網數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層;與現(xiàn)場傳感器直接聯(lián)系的測量IED位于過程層;處于站控層的變電站現(xiàn)有計算機系統(tǒng)將存儲長期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結果。

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計
圖1 智能變電站邏輯框圖

1 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A/D轉換器搭建的算法模塊,多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號濾波模塊組成。負責DSP采集的是目前較為主流的工控DSP,CPLD采用的是Altera公司的EPM3256,A/D轉換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP專注于電網能量質量的計算,而CPLD和高速A/D轉換器構建的電路適用于多路信號的同時采集。

智能IED處理流程如圖2所示。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號。信號前端電路將執(zhí)行低通濾波功能,濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A/D轉換器采集,通過A/D轉換器+CPLD電路實現(xiàn),最后通過數(shù)據(jù)總線送至DSP。完成參數(shù)計算后,DSP把數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)一打包上傳給主控IED,其主要功能是接收檢測IED的數(shù)據(jù),并上傳給數(shù)據(jù)庫。

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計 
圖2 智能IED處理流程

1.1 多路選擇開關

本系統(tǒng)采集的對象較多,由于計算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時刻的電壓和電流之間的相位差,因此必須同時采集三相電壓對應的三相電流值和三相末屏電流值。MAX125是雙通道8路采集,每一路可以采集4路信號,在本系統(tǒng)中將用到其中3路,另一路信號可以被閑置。

1.2 與上位機通信接口

實際上,本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號在經過處理后還要打包傳遞給上位機。本系統(tǒng)采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C,在上位機打包之后通過TCP/IP傳遞給監(jiān)控中心。

1.3 數(shù)據(jù)采集和A/D轉換模塊

智能電網最少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點電流。這些信號通過傳感器轉換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置。

本系統(tǒng)要求計算到13次以上的諧波含量,F(xiàn)FT算法采集2個電網周期至少128個點。電網頻率為50Hz,那就意味著要在40ms里采集128個工作點,采集頻率為3200Hz。為了保證采集的點集中在兩個完整的周期里,需要利用DSP定時中斷采集工作點。在整個系統(tǒng)中,信號采集單元的轉換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關重要的作用。MAX125自帶采樣保持器,通道同時采樣,采樣精度14位,適合電網某一時刻的電壓電流同時采樣;輸入電壓的范圍是±5V,采集一路的時間為3μs,非常適合高速采集的系統(tǒng)。

當MAX125對采樣的8路信號轉換完畢后,其INT引腳產生中斷信號,與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉換完畢,DSP可以通過響應中斷對采樣信號進行讀取與處理。MAX125通過對A0~A3的地址線編程實現(xiàn)通道的選擇,CLK信號用作A/D轉換所需的時鐘,由CPLD的時鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線(D0~D13)、時鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳,均與CPLD中自定義的相應功能I/O引腳相連。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號,而MlAX125為8通道差分輸入A/D轉換芯片,所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。

1.4 信號調理電路

220kV或以上的變壓器引出的信號,要經過現(xiàn)場復雜的環(huán)境再進入傳感器。從傳感器進入MAX125的信號還要經過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收,因此信號調理電路就成為控制系統(tǒng)中必不可少的一部分。一般來說在差分輸入端將20mA標準電流信號轉換成1~5V的標準電壓信號,經信號調理電路調理后輸入A/D轉換器。其中輸出端電壓高于A/D轉換器的輸入電壓值,在此進行分壓后進行采樣。

電力系統(tǒng)中大量的非線性負載,會使得電網的電能質量大幅降低。從電網中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運算精度。本系統(tǒng)中對信號的處理采用的是低通濾波器。低通濾波模塊一般是用電路元件(如電阻、電容、電感)來構成所需要的頻率特性電路。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號,并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件流程

首先是DSP相應功能的初始化,包括串口、定時中斷、部分用作控制線的I/O口。在數(shù)據(jù)處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網的頻率。隨后的工作就是讀取來自A/D轉換器的數(shù)據(jù),一組128個分別對應兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數(shù)據(jù)分別進行FFT運算,運算的結果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程如圖3所示。

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計
圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程

需要DSP計算的參數(shù)是高壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值,中壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值,各相電壓電流的2~13諧波的幅值和諧波畸變率,以及高中壓三相的功率因素、介損角值。DSP算法要解決的難題是計算出2~13諧波和各相的功率因數(shù)。算法的核心是FFT算法。

智能電網最少也需要采集20路信號。首先是DSP的相關功能初始化,包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷。然后通過普通I/O引腳作為觸發(fā)信號,依次選擇多路A/D輸入信號,這些信號通過信號調理電路在信號波形穩(wěn)定后可以經過MAX125被采樣。通過數(shù)據(jù)總線傳遞給DSP,DSP經過一系列運算后得到功率因素、介損基波諧波含量,并將這些數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式打包,通過串口發(fā)送到ARM微控制器。AR M再將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機監(jiān)控軟件。

具體代碼如下:

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計

2.2 電網參數(shù)的計算

DSP接收到A/D轉換的數(shù)據(jù)之后就立刻進行計算。在本設計中,電網的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點。在電力系統(tǒng)中諧波產生的根本原因是非線性負載所致。當電流流經負載時,與所加的電壓不呈線性關系,形成非正弦電流,即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)傅里葉分析原理可知,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。

諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關系,偶次諧波已經被消除了,只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網電壓/電流分解為50Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。

除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外,系統(tǒng)還有其他參量的計算。由于調用的功能模塊十分復雜,只對部分參數(shù)的計算過程進行描述。多數(shù)參數(shù)都是通過對采集點的離散積分求得的。

高壓A相電壓有效值:

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計

高壓A相電流有效值:

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計

單相電壓/電流諧波畸變率:

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計

中壓A相電流諧波含量:

DSP與CPLD的智能變電站電網IED設計

高壓三相電壓總諧波畸變率:計算出各相電壓的各諧波含量和基波含量,用總諧波含量除以基波分量。

單相電壓功率因數(shù):由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實部)的反正切值。

單相介損:將末屏電流和對應相電壓分別作FFT運算,所得的相位作差,該相位差角度為介損角。

3 總結

該系統(tǒng)應用于智能變壓器系統(tǒng)中,可多個通道同步采集,轉換精度高。經實驗驗證,信號采集模塊的實時性和精度上都取得良好的效果,且工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)采用高速14位并行A/D轉換器,簡化了接口設計,提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度。通過CPLD實現(xiàn)各種復雜控制信號,通過改變XF引腳的電平,可以將外擴SRAM、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實現(xiàn)信號的多路高速同步實時數(shù)據(jù)采集,抗干擾能力強,并利用FFT算法準確計算出電網諧波因數(shù)、功率角、介損角。

作者:陶宇 謝淵 郭文成 天津工業(yè)大學   來源:單片機與嵌入式系統(tǒng)應用

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