基于DSP與CPLD的智能變電站電網(wǎng)IED設(shè)計(jì)

摘要：著重介紹基于CPLD與DSP架構(gòu)的智能變電站電網(wǎng)IED（Intelligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測(cè)裝置）的硬件架構(gòu)和軟件流程。著重闡述了“高速A/D轉(zhuǎn)換器+CPLD”在信號(hào)采集過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，以及多路信號(hào)如何通過(guò)CPLD被DSP選擇。DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并利用FFT算法的結(jié)果分析電網(wǎng)的功率因素和諧波含量。

引言

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動(dòng)下，未來(lái)數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。眾所周知，電網(wǎng)信號(hào)量極多且相關(guān)性很強(qiáng)，這給采集計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很大的麻煩。為了解決這一問(wèn)題。本文的設(shè)計(jì)師基于DSP和CPLD搭建的智能IED(Intelligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測(cè)裝置)可以同時(shí)采集多路信號(hào)，并通過(guò)FFT算法得到電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)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(jié)構(gòu)：過(guò)程層、站控層和間隔層。本文重點(diǎn)研究智能IED設(shè)備，按照IEC61850協(xié)議的描述，IED檢測(cè)設(shè)備位于間隔層和過(guò)程層。其中，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)、進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層；與現(xiàn)場(chǎng)傳感器直接聯(lián)系的測(cè)量IED位于過(guò)程層；處于站控層的變電站現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將存儲(chǔ)長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

圖1 智能變電站邏輯框圖

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器搭建的算法模塊，多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)濾波模塊組成。負(fù)責(zé)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(zhuǎn)換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP專注于電網(wǎng)能量質(zhì)量的計(jì)算，而CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的電路適用于多路信號(hào)的同時(shí)采集。

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

圖2 智能IED處理流程

1.1 多路選擇開關(guān)

本系統(tǒng)采集的對(duì)象較多，由于計(jì)算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時(shí)刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時(shí)采集三相電壓對(duì)應(yīng)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(hào)，在本系統(tǒng)中將用到其中3路，另一路信號(hào)可以被閑置。

1.2 與上位機(jī)通信接口

實(shí)際上，本系統(tǒng)只是整個(gè)智能變壓器的一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號(hào)在經(jīng)過(guò)處理后還要打包傳遞給上位機(jī)。本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)打包之后通過(guò)TCP/IP傳遞給監(jiān)控中心。

1.3 數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換模塊

智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號(hào)。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點(diǎn)電流。這些信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到監(jiān)測(cè)裝置。

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

當(dāng)MAX125對(duì)采樣的8路信號(hào)轉(zhuǎn)換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉(zhuǎn)換完畢，DSP可以通過(guò)響應(yīng)中斷對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過(guò)對(duì)A0～A3的地址線編程實(shí)現(xiàn)通道的選擇，CLK信號(hào)用作A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘，由CPLD的時(shí)鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線(D0～D13)、時(shí)鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉(zhuǎn)換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應(yīng)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(hào)，而MlAX125為8通道差分輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。

1.4 信號(hào)調(diào)理電路

220kV或以上的變壓器引出的信號(hào)，要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境再進(jìn)入傳感器。從傳感器進(jìn)入MAX125的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線傳輸。它的信號(hào)通常不能被控制單元直接接收，因此信號(hào)調(diào)理電路就成為控制系統(tǒng)中必不可少的一部分。一般來(lái)說(shuō)在差分輸入端將20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。其中輸出端電壓高于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值，在此進(jìn)行分壓后進(jìn)行采樣。

電力系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)載，會(huì)使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號(hào)如果不做任何處理將會(huì)影響DSP的運(yùn)算精度。本系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)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(lái)構(gòu)成所需要的頻率特性電路。一個(gè)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(hào)，并且低于截止頻率的信號(hào)可以不受影響地通過(guò)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程

首先是DSP相應(yīng)功能的初始化，包括串口、定時(shí)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(gè)EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率。隨后的工作就是讀取來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個(gè)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)周期的電壓電流和末屏電流值。每128個(gè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過(guò)程如圖3所示。

圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過(guò)程

需要DSP計(jì)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(jì)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(wǎng)最少也需要采集20路信號(hào)。首先是DSP的相關(guān)功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時(shí)中斷。然后通過(guò)普通I/O引腳作為觸發(fā)信號(hào)，依次選擇多路A/D輸入信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路在信號(hào)波形穩(wěn)定后可以經(jīng)過(guò)MAX125被采樣。通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞給DSP，DSP經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)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(guò)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(jī)監(jiān)控軟件。

具體代碼如下：

2.2 電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算

DSP接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之后就立刻進(jìn)行計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中，電網(wǎng)的諧波含量和諧波因素是計(jì)算的一個(gè)重點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)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(fù)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(gè)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(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網(wǎng)電壓/電流分解為50Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來(lái)某個(gè)特定頻段上的諧波就顯而易見了。

除了諧波的計(jì)算需要使用到FFT算法之外，系統(tǒng)還有其他參量的計(jì)算。由于調(diào)用的功能模塊十分復(fù)雜，只對(duì)部分參數(shù)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行描述。多數(shù)參數(shù)都是通過(guò)對(duì)采集點(diǎn)的離散積分求得的。

高壓A相電壓有效值：

高壓A相電流有效值：

單相電壓/電流諧波畸變率：

中壓A相電流諧波含量：

高壓三相電壓總諧波畸變率：計(jì)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(shí)部)的反正切值。

單相介損：將末屏電流和對(duì)應(yīng)相電壓分別作FFT運(yùn)算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。

3 總結(jié)

該系統(tǒng)應(yīng)用于智能變壓器系統(tǒng)中，可多個(gè)通道同步采集，轉(zhuǎn)換精度高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，信號(hào)采集模塊的實(shí)時(shí)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(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)，提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度。通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制信號(hào)，通過(guò)改變XF引腳的電平，可以將外擴(kuò)SRAM、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過(guò)CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路高速同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，抗干擾能力強(qiáng)，并利用FFT算法準(zhǔn)確計(jì)算出電網(wǎng)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(xué) 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用