DSP與LabWindows/CVI的電力故障監(jiān)測錄波器設(shè)計(jì)
摘要:針對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測錄波系統(tǒng)的缺陷,設(shè)計(jì)出一種結(jié)合DSP與Labwindows/CVI軟件的故障錄波器。分析了FFT精確快速分析諧波的能力及其在DSP上的實(shí)現(xiàn)方法。介紹了硬件結(jié)構(gòu)原理,給出硬件設(shè)計(jì)框圖和LabWindows/CVI控制的軟件流程,并研制出故障錄波器。所測結(jié)果可通過LabWindows/CVI軟件在電腦上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了DSP運(yùn)用FFT分析算法的快速性和準(zhǔn)確性,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:電力故障監(jiān)測錄波;TMS320F28335;LabWindows/CVI;AD7656;FFT;C8051F005
引言
故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要自動(dòng)裝置,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時(shí),能自動(dòng)記錄故障點(diǎn)前后一定時(shí)間內(nèi)各種電氣量的變化。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的故障錄波器采用虛擬軟件與數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的方法,其缺點(diǎn)是必須依靠計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算分析,設(shè)備移動(dòng)不方便,
而且數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格也比較高,使得產(chǎn)品應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的是一種基于DSP和A/D轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合的故障錄波器,所用的A/D轉(zhuǎn)換器件不能同步轉(zhuǎn)換6路信號(hào),所測結(jié)果之間有一定的延遲。針對(duì)以上缺點(diǎn),現(xiàn)采用DSP和AD7656相結(jié)合的方法,通過外接LCD顯示波形和數(shù)據(jù),使其可以作為手持設(shè)備使用,也可連接電腦通過LabWindows/CVI軟件在電腦上實(shí)時(shí)顯示,所用的AD7656具有的6路同步采樣特性克服了測量結(jié)果之間有延遲的缺點(diǎn),提高了測量精度。
1 運(yùn)行原理及相關(guān)算法
綜合了此前所提出的各種性能指標(biāo),故障錄波器采用硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,高速數(shù)據(jù)采集裝置以DSP-TMS320F28335為核心,利用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集,并采用高性能的AD7656完成對(duì)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換,利用LCD進(jìn)行波形顯示并利用LabWindows/CVI軟件進(jìn)行控制。本裝置加LCD主要是考慮到可以在沒有電腦的情況下顯示電壓電流波形,方便操作。
此裝置由3部分組成:檢測部分、計(jì)算部分、上位機(jī)控制部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行情況如下:首先電網(wǎng)的各項(xiàng)電壓電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào),之后由檢測部分的電壓電流傳感器對(duì)電網(wǎng)三相電壓、電流等基本參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,所測的6路模擬量傳遞給AD7656;TMS320F28335控制AD7656將6路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,DSP利用FFT算法對(duì)電壓電流的數(shù)字量進(jìn)行分析,提取出基波和各次諧波分量,并算出有功功率、無功功率和THD值,再傳遞給C8051F005單片機(jī)和終端計(jì)算機(jī);外接于單片機(jī)的鍵盤控制LCD顯示波形,計(jì)算機(jī)利用LabWindows/CVI軟件進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和打印等。
本諧波分析方法采用快速傅立葉變換(FFT)。其在DSP的實(shí)現(xiàn)方法利用創(chuàng)建FFT的庫函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,具體的實(shí)現(xiàn)方法在軟件部分詳細(xì)介紹。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本裝置核心采用TMS320F28335和AD7656器件,采集來的信號(hào)經(jīng)過DSP運(yùn)算能通過RS-485串口與計(jì)算機(jī)通信。
2.1 TMS320F28335及外圍電路
2.1.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
TMS320F28335的復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路,由電源器件給出復(fù)位信號(hào)。一旦電源上電,系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài),當(dāng)XRS為低電平時(shí),DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確,應(yīng)保證XRS為低電平并至少保持3個(gè)CLKOUT周期。同時(shí),上電后,該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100~200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一但加電,其輸出電壓緊隨輸入電壓,當(dāng)輸出電壓達(dá)到啟動(dòng)RESET的最小電壓時(shí)(溫度為25℃時(shí),其電壓為1.5 V),引腳RESET輸出低電平,并且至少保持200 ms,從而滿足復(fù)位要求。
2.1.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
向DSP提供時(shí)鐘一般有2種方法:一種是利用DSP內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路,即在DSP的X1和X2引腳之間連接-晶體來啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器;另一種方法是將外部時(shí)鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳,X1懸空,采用已封裝晶體振蕩器。鑒于從資源利用和電路設(shè)計(jì)的簡單性考慮,該最小應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘電路采用TMS320F28335內(nèi)部晶體振蕩器,具體電路如圖2所示。外部晶振的工作頻率為30 MHz,TMS320F28335內(nèi)部具有一個(gè)可編程的鎖相環(huán),用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對(duì)其編程設(shè)置。
2.1.3 供電電路設(shè)計(jì)
DSP的供電要求為其內(nèi)核和I/O分別進(jìn)行供電,現(xiàn)采用電源器件TPS73HD301為DSP供電,內(nèi)核供電電壓為1.9 V,I/O口供電電壓為3.3 V。[!--empirenews.page--]
2.2 AD7656及外圍電路
AD7656的電源設(shè)計(jì)中,AVcc和DVcc是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨(dú)立的同步采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量,所以AVcc的去耦在設(shè)計(jì)中就顯得十分重要。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,可以單獨(dú)提供+15 V(或+12 V)電壓給Vdd和Vss電源輸入端,同時(shí)提供+5V給AVcc模擬電壓端。通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVcc連接到DVcc。然后再通過濾波器供給系統(tǒng)+5 V電源。AD7656的
RANGE接地,輸入電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的4倍。H/S引腳和SER/PAR都接地,用以開啟硬件控制轉(zhuǎn)換輸入模式,由CONVSTA/B/C引腳控制采樣。其中的REFCAP_A、REFCAP_B和REFCAP_C全部接地,用以控制輸入全部成對(duì)轉(zhuǎn)換。
2.3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)
2.3.1 AD7656與檢測部分的連接
檢測部分的傳感器采用TBC~LxH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器。電流傳感器的額定測量范圍為O~150 A,反應(yīng)時(shí)間小于20μs,溫度漂移??;電壓傳感器測量范圍為0~500 v,反應(yīng)時(shí)間小于10μs,線性度好。因?yàn)檩斎氲碾妷弘娏鞔嬖诟叽沃C波和噪聲信號(hào),所以需要一個(gè)前置的濾波裝置進(jìn)行抗混疊濾波,而且為了滿足AD7656的16位精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理10 V雙極信號(hào)的運(yùn)算放大器作信號(hào)處理和濾波。此運(yùn)算放大器選用AD8022,如圖3所示。INl為初始模擬信號(hào)的輸入端,經(jīng)過AD8022之后傳遞給AD7656,其中三相電壓電流都與此連接方式相同。
2.3.2 DSP與AD7656的
AD7656與DSP的連接如圖4所示。DSP的ADCINA和ADCINB復(fù)用為I/O口,與AD7656的D0~D15數(shù)據(jù)口相連,用于數(shù)據(jù)的傳輸。DSP的GPIOB59與AD7656的BUSY相連,用來檢測AD7656是否處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。DSP的GPIOB60與AD7656的CONVST相連,GPIOB62與AD7656的片選端口相連,用以控制AD7656的啟動(dòng)與停止。GPIOB61與AD7656的讀寫端口相連,用來控制讀取AD7656轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。GPIOB63與AD7656的RST端口相連用來控制AD7656的復(fù)位。ISSl61LV6416是片外隨機(jī)存儲(chǔ)器。
2.3.3 DSP與單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的連接
DSP的SCIB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。因?yàn)椋篟S-232的抗干擾能力較弱,所以選擇RS-485作為通信串口,再通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為與計(jì)算機(jī)適合的電平。DSP的SCIC串口與F005單片機(jī)PO.0和PO.1口相連。其傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為9600 b/s。
2.3.4 DSP與外擴(kuò)存儲(chǔ)器的連接
擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用了超捷(SST)公司的SST25VF040。SST25VF040是公司的SPI接口的串行閃存,它是一塊低功耗Flash,存儲(chǔ)容量為4 MB,工作在2.7~3.6 V的電壓下,因此可以直接和DSP相連。其連接圖如圖5所示。DSP的SPIA口的接收和發(fā)送端與其SI和SO口相連,用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。GIPIO26和GIPl027分別用來對(duì)存儲(chǔ)器的片選和讀寫進(jìn)行控制。
2.3.5 C8051F005與LOD和鍵盤的連接
為了使故障錄波器能夠方便移動(dòng)使用,采用了新華龍公司F005單片機(jī)外接LCD和鍵盤來控制的方法,可以脫離電腦通過外接鍵盤來控制故障錄波器的運(yùn)行。F005的P1.O~P1.7外接鍵盤的8個(gè)鍵位K1~K8,其可以控制6種波形的顯示,設(shè)置故障記錄的上下限值等。LCD采用240128 E型號(hào)的液晶,F(xiàn)005的P2.O~P2.7接LCD的DBO~DB7用于數(shù)據(jù)的傳輸,P3.O和P3.1接LCD的讀寫口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括LabWindows/CVI軟件程序和DSP控制A/D轉(zhuǎn)換程序,以及利用FFT變換提取出基波分量和各次諧波分量的程序。
3.1 整體流程
下面以流程圖方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的說明。如圖6所示,通過控制界面串口的設(shè)置完成串口設(shè)置,設(shè)置成功系統(tǒng)開始運(yùn)行。
[!--empirenews.page--]
如圖7所示,界面上有故障自動(dòng)記錄時(shí)間選擇按鈕,如果設(shè)置2s,則存儲(chǔ)故障前后共4s的波形。通過波形選擇按鈕可選擇要顯示的波形,選擇A相電流,則可顯示出其波形和各次諧波數(shù)據(jù)等(如果未接計(jì)算機(jī),可以依靠外接鍵盤來設(shè)置其相關(guān)值)。DSP開始運(yùn)行時(shí),進(jìn)行系統(tǒng)初始化,傳感器開始檢測電壓電流,檢測到的模擬信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號(hào),由DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算分析出各次諧波分量,并計(jì)算出THD值。所計(jì)算出的基波最大值與所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí),觸發(fā)報(bào)警裝置。之后所測數(shù)據(jù)由串口傳送到計(jì)算機(jī)的控制界面和單片機(jī),控制界面顯示出所測波形和數(shù)據(jù),可保存故障波形和數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制LCD進(jìn)行顯示,圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為A相電流波形,顯示出A相電流的基波和各次諧波值,并算出THD值等。
3.2 LabWindows/CVI部分程序
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),首先配置串口,向串口發(fā)送要顯示的某相電流或電壓,DSP會(huì)根據(jù)指令要求傳輸給計(jì)算機(jī)。軟件界面會(huì)顯示波形和其有效值,并可根據(jù)情況進(jìn)行存儲(chǔ)打印等。下面部分函數(shù):
3.3 實(shí)現(xiàn)FFT變換和計(jì)算THD值等
DSP能夠進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算,其定標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值的精確計(jì)算。定標(biāo)簡單來說就是把一個(gè)小數(shù)換算成整數(shù),然后進(jìn)行運(yùn)算,這樣使得運(yùn)算誤差變小。例如,一個(gè)小數(shù)為1.123 456 789,后面還可以有好幾位小數(shù)。如果直接計(jì)算的話,運(yùn)算中會(huì)舍去小數(shù)點(diǎn)后的部分?jǐn)?shù)值,使得誤差變大。如果利用定標(biāo)運(yùn)算,可以把1.123 456 789變?yōu)檎麛?shù)1.123 456 789×225(選擇Q25定標(biāo))后進(jìn)行運(yùn)算,這樣使得計(jì)算的結(jié)果誤差比原來小。這是DSP運(yùn)算的一大優(yōu)點(diǎn),而且其運(yùn)算速度快,利用FFT運(yùn)算時(shí),采樣諧波頻率可以達(dá)到31次之多。
DSP初始化程序:
可以通過控制界面發(fā)送要顯示的某相電壓或電流的指令信號(hào),也可以通過鍵盤來發(fā)送要顯示的信號(hào)波形。DSP通過判斷接收中斷標(biāo)志位和指令信號(hào),來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,中斷指令如下: