本文的設計師基于DSP和CPLD搭建的智能IED(Intelligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測裝置)可以同時采集多路信號，并通過FFT算法得到電網(wǎng)運行的關鍵數(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構：過程層、站控層和間隔層。本文重點研究智能IED設備，按照IEC61850協(xié)議的描述，IED檢測設備位于間隔層和過程層。其中，負責存儲測量數(shù)據(jù)、進行電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層;與現(xiàn)場傳感器直接聯(lián)系的測量IED位于過程層;處于站控層的變電站現(xiàn)有計算機系統(tǒng)將存儲長期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結果。
圖1 智能變電站邏輯框圖
1 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A/D轉換器搭建的算法模塊，多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號濾波模塊組成。負責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)量的計算，而CPLD和高速A/D轉換器構建的電路適用于多路信號的同時采集。
智能IED處理流程如圖2所示。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號。信號前端電路將執(zhí)行低通濾波功能，濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A/D轉換器采集，通過A/D轉換器+CPLD電路實現(xiàn)，最后通過數(shù)據(jù)總線送至DSP。完成參數(shù)計算后，DSP把數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)一打包上傳給主控IED，其主要功能是接收檢測IED的數(shù)據(jù)，并上傳給數(shù)據(jù)庫。
圖2 智能IED處理流程
1.1 多路選擇開關
本系統(tǒng)采集的對象較多，由于計算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時采集三相電壓對應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，在本系統(tǒng)中將用到其中3路，另一路信號可以被閑置。
1.2 與上位機通信接口
實際上，本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號在經(jīng)過處理后還要打包傳遞給上位機。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，在上位機打包之后通過TCP/IP傳遞給監(jiān)控中心。
1.3 數(shù)據(jù)采集和A/D轉換模塊
智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點電流。這些信號通過傳感器轉換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置。
本系統(tǒng)要求計算到13次以上的諧波含量，F(xiàn)FT算法采集2個電網(wǎng)周期至少128個點。電網(wǎng)頻率為50 Hz，那就意味著要在40 ms里采集128個工作點，采集頻率為3200 Hz。為了保證采集的點集中在兩個完整的周期里，需要利用DSP定時中斷采集工作點。在整個系統(tǒng)中，信號采集單元的轉換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關重要的作用。MAX125自帶采樣保持器，通道同時采樣，采樣精度14位，適合電網(wǎng)某一時刻的電壓電流同時采樣;輸入電壓的范圍是±5 V，采集一路的時間為3μs，非常適合高速采集的系統(tǒng)。
當MAX125對采樣的8路信號轉換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉換完畢，DSP可以通過響應中斷對采樣信號進行讀取與處理。MAX125通過對A0～A3的地址線編程實現(xiàn)通道的選擇，CLK信號用作A/D轉換所需的時鐘，由CPLD的時鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線(D0～D13)、時鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應功能I/O引腳相連。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號，而MlAX125為8通道差分輸入A/D轉換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。
1.4 信號調(diào)理電路
220 kV或以上的變壓器引出的信號，要經(jīng)過現(xiàn)場復雜的環(huán)境再進入傳感器。從傳感器進入MAX125的信號還要經(jīng)過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調(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標準電流信號轉換成1～5 V的標準電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入A/D轉換器。其中輸出端電壓高于A/D轉換器的輸入電壓值，在此進行分壓后進行采樣。
電力系統(tǒng)中大量的非線性負載，會使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運算精度。本系統(tǒng)中對信號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)來構成所需要的頻率特性電路。一個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，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 軟件流程
首先是DSP相應功能的初始化，包括串口、定時中斷、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轉換器的數(shù)據(jù)，一組128個分別對應兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數(shù)據(jù)分別進行FFT運算，運算的結果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程如圖3所示。
圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程
需要DSP計算的參數(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。首先是DSP的相關功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷。然后通過普通I/O引腳作為觸發(fā)信號，依次選擇多路A/D輸入信號，這些信號通過信號調(diào)理電路在信號波形穩(wěn)定后可以經(jīng)過MAX125被采樣。通過數(shù)據(jù)總線傳遞給DSP，DSP經(jīng)過一系列運算后得到功率因素、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)傳輸給上位機監(jiān)控軟件。
具體代碼如下：
2.2 電網(wǎng)參數(shù)的計算
DSP接收到A/D轉換的數(shù)據(jù)之后就立刻進行計算。在本設計中，電網(wǎng)的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關系，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，由于對稱關系，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50 Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。
除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外，系統(tǒng)還有其他參量的計算。由于調(diào)用的功能模塊十分復雜，只對部分參數(shù)的計算過程進行描述。多數(shù)參數(shù)都是通過對采集點的離散積分求得的。
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/實部)的反正切值。
單相介損：將末屏電流和對應相電壓分別作FFT運算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。
3 總結
該系統(tǒng)應用于智能變壓器系統(tǒng)中，可多個通道同步采集，轉換精度高。經(jīng)實驗驗證，信號采集模塊的實時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轉換器，簡化了接口設計，提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度。通過CPLD實現(xiàn)各種復雜控制信號，通過改變XF引腳的電平，可以將外擴SRAM、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實現(xiàn)信號的多路高速同步實時數(shù)據(jù)采集，抗干擾能力強，并利用FFT算法準確計算出電網(wǎng)諧波因數(shù)、功率角、介損角。