基于DSP的光纖電流互感器二次側(cè)信號(hào)處理
關(guān)鍵詞：DSP；光纖電流互感器；CPLD；真有效值?
電流互感器是現(xiàn)在電力系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷升高，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。目前國(guó)內(nèi)外很多高校和企業(yè)都在致力于開(kāi)發(fā)新一代的電流互感器。我們經(jīng)過(guò)多年研究，研制成功了有源式光纖電流互感器，對(duì)互感器二次側(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中，采用了TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206，用該處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)互感器二次側(cè)輸出電壓信號(hào)的真有效值測(cè)量、被測(cè)量高壓電力線電流的數(shù)字顯示以及互感器和電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的數(shù)字接口等重要功能，實(shí)現(xiàn)了互感器低壓端的全數(shù)字化。
1 真有效值計(jì)算原理
? 真有效值(RMS)是電力和電子系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)真有效值進(jìn)行精確的測(cè)量是很多精密儀器所必需的，準(zhǔn)確快速地對(duì)真有效值進(jìn)行計(jì)算是很多后續(xù)工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成電路直接把交流信號(hào)變成直流輸出，然后對(duì)直流輸出信號(hào)進(jìn)行處理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值轉(zhuǎn)換芯片。這種方法測(cè)量范圍窄、精度低、轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格高、功能單一。還有采用直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流變換的，價(jià)格便宜，但是精度更低，很難滿足實(shí)際應(yīng)用中的要求。
? 在我們?cè)O(shè)計(jì)的電流互感器中，由于得到的輸出是直接數(shù)字量（瞬時(shí)被測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換），為了接口方便和滿足精度和速度的要求，我們采用了TMS320 F206高速數(shù)字信號(hào)處理器，采用直接計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
?連續(xù)信號(hào)的真有效值定義如下：
其中：VRMS是被測(cè)量信號(hào)的真有效值，v(t)是被測(cè)量交流信號(hào)，T是被測(cè)信號(hào)的周期。?
? 類(lèi)似地，在數(shù)字系統(tǒng)中，上述計(jì)算公式應(yīng)該校正為：
其中：VRMS是被測(cè)量信號(hào)的真有效值，N是每周期采樣點(diǎn)數(shù)，v(i)是被測(cè)信號(hào)瞬時(shí)采樣的數(shù)字量。
? 在本系統(tǒng)中，采用式（2）對(duì)已得到的數(shù)字量進(jìn)行平方累加求和，然后再取平均，最后開(kāi)平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令，很容易求累積和。
在實(shí)際計(jì)算中，為了計(jì)算方便，輸入信號(hào)每周期我們采樣512次，每計(jì)算16個(gè)采樣值的平方和后，除以16，整個(gè)周期共作32次這樣的運(yùn)算，最后再把32次這種運(yùn)算的結(jié)果累加，形成一周期內(nèi)的平方和的平均值。采用這種方法，可以避免處理器一直累加導(dǎo)致溢出的麻煩。
對(duì)于平方根的求取，由于TMS320F206沒(méi)有專(zhuān)用的開(kāi)平方指令，而有專(zhuān)用的平方運(yùn)算指令，所以我們采用下面的稱(chēng)之為逐次逼近的算法：
? 即先令輸出信號(hào)為輸入信號(hào)最大可能值的一半（用二進(jìn)制數(shù)表示則為最高位為1，其余位為0），然后把反饋信號(hào)（輸出信號(hào)的平方）同輸入信號(hào)比較，如果反饋信號(hào)比輸入信號(hào)小，則保留原輸出的二進(jìn)制數(shù)的最高位，若反饋信號(hào)大于輸入信號(hào)，則該位置為0。然后再令輸出信號(hào)的次高位為1，重復(fù)上邊過(guò)程。按上述方法重復(fù)?N次（N?為數(shù)據(jù)的二進(jìn)制寬度），即得到被開(kāi)方數(shù)的開(kāi)方結(jié)果整數(shù)部分，當(dāng)數(shù)據(jù)位寬度足夠?qū)挼臅r(shí)候，開(kāi)方結(jié)果的小數(shù)部分可以忽略。本設(shè)計(jì)中由于處理器的累加器是32位字節(jié)寬度的，而A/D轉(zhuǎn)換器為12位，通過(guò)把累加的內(nèi)容適當(dāng)移位，充分利用處理器32位處理能力，忽略小數(shù)部分也能夠完全滿足精度的要求。采用該方法，能夠迅速計(jì)算整數(shù)的開(kāi)方，并且算法簡(jiǎn)單，容易用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，這種算法在本質(zhì)上就是所謂的二分法查找。
? 整個(gè)軟件算法對(duì)輸入數(shù)字量的處理過(guò)程如圖2所示。
圖中，因?yàn)锳/D輸出的是12位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)，在DSP讀出數(shù)據(jù)后，先取絕對(duì)值（F206有專(zhuān)門(mén)的ABS指令），這樣可以把輸入數(shù)據(jù)作為無(wú)符號(hào)整數(shù)來(lái)處理，減少編程中的麻煩。圖中的低通濾波器是為了清除輸入信號(hào)因?yàn)楦蓴_而帶入的高次諧波對(duì)真有效值的影響而設(shè)置的，采用數(shù)字濾波的方法，可以用簡(jiǎn)單的一階IIR濾波器實(shí)現(xiàn)。圖中的開(kāi)根號(hào)部分即上邊所述的逐次逼近算法。開(kāi)方后的值應(yīng)該在具體編程序的時(shí)候給與適當(dāng)?shù)钠醚a(bǔ)償，以抵消系統(tǒng)中的固有誤差，提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。最后把計(jì)算出的真有效值進(jìn)行增益調(diào)整，體現(xiàn)被測(cè)高壓電力線上的實(shí)際電流真有效值。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
? 在我們?cè)O(shè)計(jì)的有源式電流互感器中，采用一片ALTERA公司的CPLD（EPM7128）實(shí)現(xiàn)低壓控制部分各種時(shí)序的發(fā)生，同時(shí)生成高壓端A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序，通過(guò)光纖傳送到高壓電力線端。高壓端得到的瞬時(shí)采樣值通過(guò)光纖傳回控制室，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，以并行16位數(shù)據(jù)的方式輸出。DSP處理器TMS320F206同CPLD之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，直接以外部端口的方式讀取16位并行數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到真有效值，監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時(shí)用LED顯示實(shí)際高壓電力線上的電流有效值。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
TMS320F206作為主控制芯片，該芯片是TI公司新一代16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)部自帶32 k FLASH程序存儲(chǔ)器，4 k RAM存儲(chǔ)器，不需要外部擴(kuò)展就能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。該處理器在?20 MHz?主頻時(shí)，指令周期為50 ns，有適合于數(shù)字信號(hào)處理的高效指令集，能方便地進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和有效地對(duì)外部接口進(jìn)行控制。
? 系統(tǒng)中采用1片ALTERA公司的EPM7128作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字邏輯部分。該芯片可以重復(fù)編程，內(nèi)部有2 500可用門(mén)，128個(gè)宏單元，能滿足大部分復(fù)雜邏輯的要求。該芯片的使用，大大減少了數(shù)字系統(tǒng)工作所需要的分離邏輯器件數(shù)目，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性和保密性。
? 顯示模塊采用MAX7219顯示專(zhuān)用芯片，該芯片能夠以三線SPI的方式同處理器接口，控制方便。該芯片只需要1只電阻就可以設(shè)置顯示亮度，并且可以用軟件的方式更改亮度。該芯片自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描方式顯示，能驅(qū)動(dòng)8只7段LED數(shù)碼管，使用該芯片可以大大簡(jiǎn)化處理器對(duì)顯示的控制接口和程序設(shè)計(jì)。
? 在低壓側(cè)，除了用TMS320F206對(duì)被采樣信號(hào)的真有效值進(jìn)行計(jì)算、驅(qū)動(dòng)顯示、給出保護(hù)接口外，用D/A轉(zhuǎn)換器重新恢復(fù)被測(cè)量的模擬信號(hào)，得到模擬量輸出。這是因?yàn)楝F(xiàn)在電力系統(tǒng)很多測(cè)量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)還需要使用模擬量，所以本設(shè)計(jì)中為了保持和現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，增加了模擬量輸出模塊。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
? 由于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算量不是很大，所以采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。TI TMS320C2000系列匯編語(yǔ)言功能強(qiáng)大，控制方便，有很多專(zhuān)用的指令集，很適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。整個(gè)算法采用模塊化設(shè)計(jì)方法。即顯示控制模塊、D/A驅(qū)動(dòng)模塊、繼電保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊和真有效值計(jì)算模塊。主程序框圖如圖4所示。
DSP對(duì)數(shù)字量的讀取采用中斷方式，設(shè)置為外部中斷INT1，設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。每次讀取數(shù)據(jù)后，就進(jìn)行平方運(yùn)算、累積前面的平方運(yùn)算結(jié)果。完成512次（對(duì)輸入信號(hào)一個(gè)周波采樣512次）平方累積后，調(diào)用開(kāi)平方子程序，算得該周期的輸入信號(hào)真有效值。用算得的有效值來(lái)監(jiān)視電網(wǎng)電力線的運(yùn)行情況，提供保護(hù)手段。
? 對(duì)于顯示，不需要每周波更新一次顯示，觀察者也無(wú)法反應(yīng)太快的顯示更新。所以我們采用每計(jì)算16個(gè)周波的真有效值然后取平均，再去更新顯示的方法。這樣，一方面不會(huì)使顯示器一直閃爍，另一方面也可以通過(guò)平均的方法提高精度。
4 結(jié)語(yǔ)
? 該系統(tǒng)利用DSP處理器靈活高速的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)量電壓信號(hào)進(jìn)行了精確的測(cè)量，同時(shí)為電力系統(tǒng)提供可靠實(shí)時(shí)的保護(hù)信號(hào)。提出了真有效值計(jì)算的有效方法，采用該方法處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，精度高，程序設(shè)計(jì)方便，在實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和增強(qiáng)了可靠性。
參考文獻(xiàn)
［1］宋萬(wàn)杰.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999
［2］MAX7219 user reference.MAXIM corporation.1998
［3］張芳蘭.TMS320C2XX用戶指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999?
［4］Yan Xu,Sunan Luo,Miaoyuan Ye.220 kV Active Optical Fiber Voltage Transformer［J］.SPIE，1998，3547?
［5］Zhe Zheng, Zhan Chen,Feng Liu.A Practical Hybrid Fiber Optic Current Sensor on High Voltage Power Line［J］.SPIE，2000，4220
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