基于ARM与CPLD的电网过电压采集系统设计

·36·第45卷第3期2009年6月高压亡譬HigIlVoltageApp啪tu8V01．45No．3Jun．2009基于A蹦与CPLD的电网过电压采集系统设计刘伟明1，杜林2，司马文霞2，王有元2(1．广州电力设计院，广东广州510610；2．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400030)摘要：介绍了一种基于ARM与CPLD的电网过电压采集系统。该系统包括数据采集模块和监控模块两部分．采集模块采用CPLD作为控制核心芯片，支持预触发和变频采样功能；监控模块处理器采用ARM芯片，将过电艟信号数据存人CF卡中，并通过以太网传输给PC工作站。该系统具有体积小、联网灵活方便、性价比高等优点。实验测量结果表明．采集系统测量精度高。工作稳定可靠，满足电网过电压监测要求，达到了预期设计目标。关键词：嵌入式系统；电网过电压；数据采集；以太网中图分类号：TM886文献标志码：A文章编号：100卜1609(2009)03．0036．04DataAcquisitionSystemforPowerSystemoVervoItageBasedonARMandCPLDUUWei。min91，DULin2，SIMAWen—xia2，WANGYou-yuan2(1．GuangzhouElectricPowerDesigrIInBtitute，Guangzhou510610，China；2．S协teKeyLabomtoryofTmnsmission＆DistributionEquipmentandPowerSy8temSafe‘yandNewTechn0109y，chongqingUnivers时，Chongqing400030，China)Abst聃ct：Adataacqui8itionsystemforovenroltageinpowersystembasedonARMaIldCPLDisdiscussed．nesystemincludes8dataacquisitionmoduieandamonitoringmodule．T1ledataacquis“ionmoduIewithpre—triggeracquisitionandVariablesamplingspeedtechniqueemploysaCPLD舾itsmaincontmlchip．AnARMchipisadoptedastheCPUinmonitoringunit，whichstorestheover-voltagedatainCFcard舳dtmnsmi协themtot}lePCworkstationthmughEt}lemet．，nIesy8temh鹊manyadv蚰tagessuch鹊smalldimension，convenientnetworkingandhighpe怕rnl卸cet0priceratio．Thetestresultsindicatet}lattheacquisition8ystemhashighaccumcyandstabilit)，t0sati虹，tIlerequirementsofovervoltagemonitoringforpo’佗rsystem．1【eywords：embeddedsystem；powersystemovervoltage；dataacquisition；ethemetO引言电力系统的工作可靠性与其绝缘水平和过电压大小密切相关。运行经验表明．电力系统的绝缘事故主要由过电压引起⋯。因此对电网过电压进行在线监测，实时获取电网过电压波形及其特征参数．并根据监测数据进行合适的绝缘配合设计．对保证电网安全运行具有重要意义【引．目前国内外过电压采集系统大多采用基于工控机和通用采集卡的集中式监控⋯．这种监控结构简单，技术成熟，可靠性较高．但由于测量系统阻抗难以精确匹配，过电压高频模拟信号的长距离传输．信号会衰减和畸变，且集中式监控扩展不灵活、成本高等缺点也限制了过电压在线监测系统的实际应用。为此，提出了一种新型过电压采集系统的设计方案，它与传统监测系统相比，具有技术先进、扩展方便、联网灵活、性价比高等优点。1过电压在线监测系统总体结构过电压在线监测系统主要分为后台监控主机和前台过电压采集单元两大部分．数据采集单元通过交换机与监控主机互连．双方通过以太网进行数据交换。后台监控主机采用变电站内监控屏工业控制机或是局内远程MIS系统工作站．其任务是设置过电压采集单元参数．接收其采集的过电压数据．经分析处理．将波形及计算结果保存到数据库。过电压采集单元处于现场高压母线分压器附近．其数量由被监测的电压回路数目决定．可根据现场实际情况方收稿日期：2008一09-0l；修回日期：20019．O卜23基金项目：重庆市科委自然科学基金重点项目资助(2005BA6021)。作者简介：刘伟明(1980)，男，硕士，主要从事电力系统规划设计。万方数据2009年6月杰压亡z第45卷第3期·37·便扩充。过电压采集单元采用模块化设计，主要包含监控模块和采集模块两部分．采集模块负责电网过电压信号的实时高速采集．在电网出现过电压时．触发采集模块自动实现波形记录．数据存储在采集模块的缓存中：监控模块将故障数据存入CF卡后。启动采集模块进行下一次的过电压波形记录。存储于CF卡的波形数据由监控模块定时或在需要时通过以太网发送给后台监控主机．以便由相应的分析软件进行波形特征分析。过电压采集系统的总体结构见图l。过电压采集单元控制室现场佻}诵监控l光纤辑●．主．二机Jr一乜Urq囵咽图l监测系统的总体结构图2数据采集模块的实现交流电力系统中的电气设备．在运行中除了有持续工频电压作用外．还受到过电压的作用。电力系统中的过电压类型多种多样．其产生原因也各不相同．究其根本来说．可分为内过电压和外过电压两大类型⋯。外过电压波头陡，持续时间短，根据实测，大部分雷电冲击的波前时间在0．5～10汕s，根据傅里叶分析，波前时间为0．5¨s的雷电过电压信号(不考虑波前的振荡信号)最高频率成分为2MHz，据采样定理要求．要重现原始信号．采样率必须大于或等于信号频率的两倍．实际工程应用中。通常取采样频率为信号频率的5到lO倍来精确呈现原始信号．因此电网过电压的采集要求有很高的采样频率．文中外过电压的采样频率为40MHz．内过电压波头较缓，等效频率较低，但其持续时间相对较长。若以采集外过电压的高速采样频率完整采集内过电压。则数据量大，对数据存储、传输、分析都会增加许多麻烦。如何在较小容量的存储器条件下完整记录电网内、外过电压是过电压信号数据采集的主要技术难点。2．1数据采集模块的硬件结构采集模块共有3个模拟输入通道．分别对应电网的3相电压输入⋯。单通道的存储深度为256k字。模数转换器采用12位AD芯片ads807。最大转换速率为53M。采集模块采用ALl’ERA公司的CPLD芯片EPM3256ATCl44作为控制核心。采集模块的硬件结构见图2。输入l∞、输入29输入3g外触发廷一母署酬恒2琴。嶝陋瑟触发逻辑l控制内部时钟时钟／时序控制图2采集模块硬件结构框罔ARM总线接口2．2～D采样与数据存储控制CPLD将内部时钟分频后作为A／D的采样时钟和RAM地址发生器的计数时钟．在进行采样的同时．同步提供RAM地址信号和写信号，把每次的结果直接存到RAM。且自动递增RAM地址．当加转换的数据采样点数超过存储器的最大容量．新数据会由零地址起覆盖I臼数据⋯。采集单元若没有收到触发信号．这个过程是周而复始的；若触发，存储器存满后．停止采样．通过中断通知监控单元读取数据。采样与数据存储控制功能的MaxplusⅡ仿真波形见图3。CLK为输入时钟，ADCLK为采样时钟，ADOE为AD的片选信号．Addclk为地址计数器时钟。RAMCE、RAMWE、RAMOE分别为RAM的片选、写信号与读信号，Rdadd『17．．o】为RAM的地址信号。■H，I．K’0。l1嗣一IIcDIV【30】H．●^Dc№]O-i，^J)‘JEl●叫dClk]0-i，J{^McE-●i’ll^ⅥwEOIH^ⅥOEl⋯Mvn九』n』Tnn月ncl网3AD采样与数据存储控制功能仿真波形2．3预触发变频采集技术采集模块具有预触发功能．能够记录电网故障前一段时间内的电网电压信号。为了能在存储器容量一定的条件下完整记录电网内、外过电压，采用了变频采样技术。预触发变频采样技术实现原理：设整个存储器的长度为L．保存电网故障前电压波形的数据长度为L。(厶吐)，称为预触发长度，以低速采样频率足采样得到的数据长度为L，．称为变频采样长度。在电网正常情况下．采样卡一直以高速采样频率E连续采样．当电网出现过电压．CPLD同时启动其内部的两个计数器分别从零开始计数．当计数器2计数到(￡一￡广￡：)后，自动将A／D采样和地址发生器时钟切换为设定的频率R。当计数器1计数到(￡一厶)时万方数据·38·HighVoltageAppamtus停止采样。设出现过电压信号时对应的RAM地址为触发点．AD采样停止后对应RAM地址起点为预触发点，采用预触发变频采样模式采集完成后，整个RAM中数据存储的格式见图4。预触发点触发占蛮频点图4变频预触发采样原理将高频采样频率E设置为40Msps，其采样长度为1ms，低频采样频率R设为100ksps，则其采样长度为2．2s．这样既可以采集高频快速的外过电压．又可在较长时间内记录系统内部过电压的发生情况，从而可记录不同形式的过电压。3监控模块的实现3．1监控模块硬件结构监控模块负责采集模块控制、故障数据的读取并将数据以故障文件的格式存盘．然后定时或在需要的时候通过网络控制单元将数据与后台服务器以TCP／IP协议方式进行高速通信。监控单元硬件结构见图5[71。I兰竺竺竺I牟=专：鹱：爿接u阿砧LPC2214曙习㈢：悟256k字r叫图5监控模块硬件结构框图监控模块采用基于ARM7TDMI内核处理器LPC2214作为处理器．为了实现TCP／IP协议栈．利用其Bank，口外扩了256k字的SRAM。CPU通过外部总线与采集模块、CF卡接口电路和网卡控制器进行连接．时钟芯片PCF8563通过12C总线与CPU相连。复位监控芯片CATl025内部集成了2k位EEPROM，可用于保存网卡地址、采集单元的控制参数等基本信息。系统中扩展了一片CPLD器件构成接口电路并实现各种泽码功能．3．2采集模块控制系统上电运行时．监控模块要对采集模块进行初始化操作；当采集模块完成一次数据采集后．监控模块读取对应的采集模块中的数据存盘．数据读完启动采集模块进行下一次采样。采集模块通过I／O端口发出读写地址控制信号．建立起与监控模块之间的联系。地址选择控制电路由基址和变址译码单元组成。基地址由CPU的片选信号CS，与地址线A∞、A笠译码产生，变址是A，～A0。监控对采集模块的操作共有16种读写命令。采集模块中的CPLD对监控单元命令进行译码．决定进行何种操作。3．3CF卡接口控制CF卡是一种基于闪存技术的通用存储器件．具有存取速度快、体积小、重量轻、功耗小、抗冲击能力强、可靠性高等优点。系统使用512MB的CompactFlash(CF)卡作为存储媒体，用于存储过电压信号。使用CF卡的TmeIDE模式与ARM处理器接口．由于LPC2214的总线时序与CF的操作时序不一致。设计中采用CPLD来实现时序转换。CF卡内部存储空间分扇区管理．每个扇区512字节．使用LBA模式寻址各扇区。CF卡一次性最多可连续读写256个扇区．即128k字节的数据．设计中经测试发现，在一次性读写数据不超过128k字节的情况下．CF卡的读写速度与一次性读写数据量的大小成正比关系．为了提高读写效率。设计中每次连续读写256个扇区。3．4以太网接口控制网络控制芯片选用10／100M自适应芯片DM9000A。该芯片集成度高，功能强大，体积小．性价比高．非常适用于嵌入式系统设计。网卡控制器采用16位模式．16位数据总线直接与CPU数据总线相连．片选信号CS由译码电路产生．命令／数据使能端C