DSP與CPLD的智能變電站電網(wǎng)IED設(shè)計(jì)

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)過處理后還要打包傳遞給上位機(jī)。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(jī)，在上位機(jī)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(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)通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到監(jiān)測裝置。
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50 Hz，那就意味著要在40 ms里采集128個(gè)工作點(diǎn)，采集頻率為3200 Hz。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±5 V，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可以通過響應(yīng)中斷對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過對(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
220 kV或以上的變壓器引出的信號(hào)，要經(jīng)過現(xiàn)場復(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)過長線傳輸。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。一般來說在差分輸入端將20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5 V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。

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、上傳過程如圖3所示。