摘  要： 為了在完成數(shù)據(jù)采集的同時(shí)還能進(jìn)行各種處理和控制，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于DSP和CPLD技術(shù)的高壓容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)終端。闡述了該終端中高速A/D轉(zhuǎn)換電路與 DSP接口電路、鎖相倍頻電路及其他通訊接口電路的具體實(shí)現(xiàn)方法，以及基于DSP采用優(yōu)化的傅里葉變換求取介質(zhì)損失角正切(tgδ)的方法。經(jīng)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。 

    關(guān)鍵詞： 高壓容性設(shè)備； DSP； CPLD； 介損測(cè)量； 在線監(jiān)測(cè)

    電容型設(shè)備(電流互感器、耦合電容器、電容式電壓互感器和高壓套管等)在電力系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成中占相當(dāng)大的比重，這些設(shè)備的安全可靠是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。而電氣設(shè)備(尤其是高壓設(shè)備)損壞事故中很大一部分是絕緣損壞引起的，通過對(duì)其介電特性的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)尚處于早期發(fā)展階段的缺陷。絕緣材料的介質(zhì)損失角正切(tgδ)是反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過測(cè)量tgδ可以發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷^[1-2]。而及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)絕緣存在的缺陷對(duì)于保障電網(wǎng)安全具有重要意義。 

    介質(zhì)損失角正切(tgδ)的在線監(jiān)測(cè)，關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲得并求取兩個(gè)工頻基波電流信號(hào)的相位差。早期采用在模擬信號(hào)處理基礎(chǔ)上的“過零比較法”^[3]，通過計(jì)數(shù)器方式獲得兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，然后再根據(jù)信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成相位差。該方法對(duì)硬件電路穩(wěn)定性要求高，電路自身的漂移及諧波的干擾影響均難以克服。本文以電容性設(shè)備中的高壓套管為例,討論一種基于DSP+CPLD模式的容性設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)終端的開發(fā)與設(shè)計(jì)。 

1 高壓容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)終端在接收到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)出的同步采集命令后，系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)終端及容性設(shè)備監(jiān)測(cè)終端跟蹤系統(tǒng)頻率,并利用參考源實(shí)現(xiàn)同步采樣。各監(jiān)測(cè)終端采樣處理后，電壓監(jiān)測(cè)終端將采集處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)向系統(tǒng)廣播，容性設(shè)備監(jiān)測(cè)終端接收到系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)后做數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送到安裝在控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行橫向縱向比較、診斷、預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。 

    工作原理：由于被測(cè)設(shè)備末屏電流很小，在測(cè)試時(shí)易受現(xiàn)場(chǎng)各種干擾的影響，因此，在設(shè)計(jì)信號(hào)取樣方式時(shí)，采用穿芯式零磁通電流傳感器技術(shù)，補(bǔ)償溫度變化給測(cè)量帶來的漂移；利用瑣相環(huán)及CPLD實(shí)現(xiàn)跟蹤電網(wǎng)頻率，使每周波采樣點(diǎn)數(shù)相同，動(dòng)態(tài)改變采樣周期，消除電網(wǎng)頻率變化給測(cè)量帶來的影響；采用DSP及高精度A/D同步采樣技術(shù)及優(yōu)化的傅里葉分析法，求得幅度、相位和相位差等，進(jìn)而得到所需的介質(zhì)損耗、泄漏電流、等值電容等電氣參數(shù)。 

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)

    基于DSP+CPLD的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的主要任務(wù)是接收到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的命令后，同步高速采集4路模擬信號(hào)(A、B、C及參考源4路電流)，對(duì)所采集的周波數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換，得到各路信號(hào)基波及3、5、7、9次諧波的幅度及相位；再計(jì)算A、B、C各相與參考源的相位差及各相的電流幅值。介損值是利用兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)終端的同相相位差相減，得到介損角δ，再求取tgδ。 

2.1 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812^[4-5]

    該終端的主處理器采用美國(guó)TI公司的DSP芯片TMS320F2812,該芯片是工業(yè)控制領(lǐng)域的一款高端產(chǎn)品，是技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP 芯片。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有3個(gè)32位高性能的CPU定時(shí)器，時(shí)鐘頻率支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，片上資源擴(kuò)展性強(qiáng)，處理速度高達(dá)150 MIPS，最高頻率為150 MHz，指令周期為6.67 ns，采用8級(jí)流水線的工作方式。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力, 又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合^[1]。具體如下^[4,6]： 

    (1) 靜態(tài)CMOS,主頻可達(dá)150 MHz,低功耗(核電壓1.8V、I/O電壓3.3 V) ; 

    (2) 128K×16 bit片上Flash、18K×16 bit上SRAM、4K×16 bit上BootROM。 

    (3) 外部存儲(chǔ)空間接口:最多可達(dá)1M×16 bit,提供3個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào),讀/寫時(shí)序可編程。 

    (4) 動(dòng)態(tài)PLL ,可由軟件編程修改主頻和片上看門狗定時(shí)器的計(jì)數(shù)值。 

    (5) 外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊,最多支持45個(gè)外部中斷。 

    (6) 用于電機(jī)控制的外設(shè):2個(gè)事件管理器(與C240x 器件相容) 。 

    (7) 多種標(biāo)準(zhǔn)串口外設(shè):1個(gè)SPI 同步串口、2個(gè)UART 異步串口、1個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口、1個(gè)McBSP 同步串口。 

    (8) 12位A/D轉(zhuǎn)換器:16通道、雙采樣/保持器、2×8多路切換器; 

    (9) 56個(gè)獨(dú)立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。 

    采用TMS320F2812的另一原因是它可方便地實(shí)現(xiàn)2 048點(diǎn)FFT算法的需求，利用Altera公司CPLD器件豐富的I/O引腳,可通過編程方便地控制每個(gè)引腳的狀態(tài)以及相互間的邏輯關(guān)系^[4]。 

2．2 跟蹤電網(wǎng)頻率及鎖相倍頻電路設(shè)計(jì)

    在周期性電參量的測(cè)量中，進(jìn)行同步采樣是準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵。所謂同步采樣就是將信號(hào)的一個(gè)周期或多個(gè)周期進(jìn)行均勻離散，在每一離散點(diǎn)處取其信號(hào)的瞬時(shí)值。同步采樣有利于離散傅立葉變換，減少頻譜泄漏，進(jìn)而減小誤差。 

    鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)。鎖相環(huán)主要由相位比較器、壓控振蕩器和低通濾波器三部分組成，如圖3所示。其工作原理是壓控振蕩器的輸出U₀接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓U_d大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)U_I與來自壓控振蕩器的輸出信號(hào)U₀相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓正比于U_O和U_I兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓U_d。這個(gè)平均值電壓U_d朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩相位差保持恒定,即同步,稱作相位鎖定^[2,5]。 

    A/D采集的控制信號(hào)由鎖相環(huán)倍頻輸出決定，鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)頻率，利用CPLD將電網(wǎng)信號(hào)倍頻，可準(zhǔn)確控制每周波信號(hào)內(nèi)固定采集2 048或4 096點(diǎn)，假設(shè)信號(hào)頻率是50Hz，即采集頻率為102.4 kHz或204.8 kHz。本終端鎖相倍頻電路設(shè)計(jì)如圖4所示，電網(wǎng)頻率信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后，再經(jīng)LM311、TLP121、CD4093整形隔離后輸入到鎖相電路CD74HC4046，鎖相電路的輸出信號(hào)VCO經(jīng)CPLD倍頻后輸入到CPIN。 

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

    為滿足較高速度同步采集及系統(tǒng)精度要求的需要，本監(jiān)測(cè)終端選用了ADI公司的6通道16位AD7656芯片，圖5為具體的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路。 

    (1) V1～V4是接經(jīng)互感器并調(diào)理后的四路輸出電壓信號(hào)，DB0～DB15及/RD經(jīng)隔離及電平轉(zhuǎn)換后分別接DSP的數(shù)據(jù)線D0～D15及/XRD。 

    （2） CONVST、/CS、BUSY、RANGE、RESET經(jīng)隔離及電平轉(zhuǎn)換后接到CPLD上。CPLD得到DSP采集開始電平信號(hào)后，使片選/CS有效，控制CONVST啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY通過CPLD使DSP產(chǎn)生中斷，DSP讀取并暫存數(shù)據(jù)。 

2.4 其他電路

    除了以上基本模塊外, 還有一些輔助電路, 如CAN總線接口電路。TMS320F2812集成了CAN控制器，擴(kuò)展一片CAN收發(fā)器就構(gòu)成了CAN接口電路、CPLD測(cè)量電網(wǎng)頻率部分電路、參考電源電路、高速光耦隔離電路等。它們也是系統(tǒng)中不可缺少的部分。 

3  監(jiān)測(cè)終端底層軟件設(shè)計(jì)

    借鑒實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程思想，在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中利用定時(shí)觸發(fā)并引入消息處理的方法。監(jiān)測(cè)終端的消息可分為：數(shù)據(jù)處理服務(wù)器命令、其他監(jiān)測(cè)終端的廣播信息、系統(tǒng)接口電路產(chǎn)生的狀態(tài)信息、定時(shí)觸發(fā)消息。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時(shí)接收。自檢故障處理消息優(yōu)先處理，在中斷中直接完成。圖6是本終端的主程序流程圖，可用來完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳送。 

    監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)處理軟件主要功能由DSP來完成，DSP把這些消息處理后的結(jié)果通過CAN總線打包上傳。 

4 數(shù)字化介損測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

    測(cè)量工作流程如下： 

    (1) 上位機(jī)（或通信控制器）發(fā)一條廣播命令，命令所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元在接到廣播命令后立刻同時(shí)采樣；利用參考源實(shí)現(xiàn)同步。 

    (2) 容性設(shè)備監(jiān)測(cè)終端接到廣播命令后，對(duì)泄漏電流I_X和基準(zhǔn)源U_0i同步采樣，將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，分別得到兩信號(hào)的基波傅里葉系數(shù)。電壓監(jiān)測(cè)單元執(zhí)行同樣的操作計(jì)算出PT二次電壓UX和基準(zhǔn)源U_0i的基波傅里葉系數(shù)。 

    (3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)單元廣播該單元的測(cè)量結(jié)果。 

    (4)容性設(shè)備監(jiān)測(cè)終端接收到系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)后做數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送到安裝在控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。 

    (5) 計(jì)算I_X、U_0i的相角差，U_X、U_0i的相角差，則如圖7所示的電容型設(shè)備的介損角δ和電容量C由下式求得： 

    (6) 重復(fù)步驟(1)～(5)進(jìn)行N次測(cè)量，并將其結(jié)果進(jìn)行平均值計(jì)算，所得的平均值即為本次一相設(shè)備測(cè)量的結(jié)果。 

5 試驗(yàn)應(yīng)用

    對(duì)本監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行電磁兼容性能測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)樣品無損壞，試驗(yàn)后可正常工作，測(cè)量數(shù)據(jù)正常。同時(shí)也進(jìn)行了高低溫、交變濕熱測(cè)試，結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求,該終端經(jīng)三個(gè)月的實(shí)踐試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)優(yōu)秀,被試設(shè)備可正常運(yùn)行。表1為交變濕熱試驗(yàn)結(jié)果。  

    本文介紹了高壓容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要監(jiān)測(cè)終端的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),利用給設(shè)備供電的工作電源作為參考源，實(shí)現(xiàn)兩路遠(yuǎn)距離信號(hào)的同步采集?；贒SP采用優(yōu)化的傅里葉變換求取各路信號(hào)相位,再求取相位差，并將采集信號(hào)就地進(jìn)行數(shù)字化處理以消除干擾，解決了被測(cè)模擬信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸問題。該方法最大優(yōu)點(diǎn)是不需要使用復(fù)雜的模擬處理電路，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠，且有效抑制了諧波干擾。為消除電網(wǎng)頻率變化所帶來的測(cè)量誤差，利用鎖相環(huán)及CPLD分頻實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率跟蹤，使每周波采樣次數(shù)相同；利用CPLD的高速計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率，同時(shí)簡(jiǎn)化DSP與ADC的接口電路。充分利用DSP及CPLD技術(shù)，使得監(jiān)測(cè)終端真正實(shí)現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、頻譜分析、數(shù)據(jù)處理、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信于一體，成為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高壓容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)，避免了電流或電壓信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸帶來的衰減及外部干擾的影響，值得應(yīng)用和推廣。 

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