基于DSP的高速电气参数交流采样系统

基于DSP的高速电气参数交流采样系统唐桃波1吴少林1夏云非1乐勋2刘涤尘1（1．武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072;2.广东省开平电力局，广东省开平市529300）摘要:本文介绍的这套电气参数交流采样系统是采用TMS320VC33型高速数字信号处理器(DSP)和两片16位高速A/D转换器ADS8364实现快速、精确地采集和计算各种电气参数。该系统还具有性能价格比高、维护方便的特点。关键字:DSP电气参数交流采样中图分类号：文献标识码：A文章编号：AnACSampleSystemofElectricalParameterinHighSpeedBasedonDSPTANGTao-bo1WUShao-lin1XIAYun-fei1LeXun2LIUDi-chen1(1．SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China；2.KaipinElectricPowerBureau,Guangdong529300)Abstract:Inthispaper,anACsamplesystemofelectricalparameterbasedonTMS320VC33DSPandtwoA/Dconversionsof16－bitisintroduced.Thissystemcanacquireelectricalparametersrapidlyandprecisely.Thesystemhasthecharacteristicsofhighcapabilitypricerateandeasymaintainstoo.Keywords:DSPelectricpowerparameterrackingmethodACsample0引言交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后经A/D变换后送入计算机进行处理，计算出电压、电流有效值及有功，无功功率等电气参数。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。同时用微机取代传统的变送器充分发挥微机功能强大、灵活可靠、使用方便等优点。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以高速度、高精度、高性能，逐步取代传统的直流采样方法。我国目前电力系统较多地采用由单片机实现的交流采样遥测装置，这种装置在采样速率及实时性和精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。随着我国电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要；特别是在以监控为目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集各种电气参数显得尤为重要。在实现自动化的过程中，首要环节是数据采集。国际电工委员会（IEC）标准IEC61850对采样速率有明确的要求，由表1可知对220kV及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表应达到M2级和M3级，交流采样的遥测装置每周期(0.02秒)采样点数分别要求大于80和240点。由单片机实现的交流采样遥测装置很难达到此要求，而DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，非常适合应用于交流采样遥测装置。本文介绍的这套系统使用高速度CT,PT采样，采用快速傅立叶变换算法，计算高达15次谐波，完成功率、电度、功率因数、电压、电流、频率等的计算，具有高精度，高稳定性。其采样速率为12kHz,完全能达到IEC61850采样速率的要求。表1IEC61850对测量仪表的生数据要求数据类型级别精确度级和谐波分辨度(幅值)／bit采样速率每秒采样次数每周期采样次数（50Hz）电压M10.5级(IEC60687)12150030电流M10.2级(IEC60044)最多5次谐波14150030电压M20.2(IEC60687)14400080电流M20.1(IEC60044)最多13次谐波16400080电压M30.1级1612000240电流M3IEC未定义最多40次谐波18120002401.系统硬件组成系统主要由DSP、CPLD、A/D采样保持器、网络接口等部分组成。从一次设备CT,PT过来的电压及电流经隔离互感器隔离变换后输入，经过二阶滤波器至模数变换器。DSP采样后对数字进行处理，构成各类监测数据和计算各种遥测量在存入内存的同时送到CAN总线等待取值。系统的结构框图如图1.1所示。多路选择开关频率跟踪电路EEPROMDSPTMS320VC33A/D转换器ADS8364A/D转换器ADS8364CPLD键盘双口RAMCAN总线DS12887RS232看门狗电路UaUbIcIbIaUc液晶显示地址与数据总线图1.1硬件结构框图本系统采样TI公司的TMS320VC33型DSP，该芯片的指令周期为17ns(3.3V,120MHz),具有高速的浮点运算能力，单指令执行时间最高为150MFLOPS和75MIPS。DSP片内有34K字的双存储RAM（DARAM），可在一个指令周期内可以进行两次读写操作，32位高性能CPU适合高速度和高精度数据处理。A/D转换器使用的是两片TI公司的高速并行输出模数转换器ADS8364，采样频率可达250KHz，单片16位6通道同时采样，其特点还有速度快（单通道转换时间仅为1.5s）、精度高、内部带有采样/保持器。采集时，通过程序发出采样保持命令，采集到的信号经过模拟通道开关进入衰减电路，再经过A/D转换器转换成并行数据输出，由DSP读入处理。双口RAM采用的是16位、2K的IDT7027。逻辑时序芯片CPLD采用的是XC95108-20TQ100I(100)。看门狗电路用MAX706。系统网络接口采用PHILIPS公司的CAN总线控制器PCA82C250构成现场总线网络，上传采集的实时信息。采用MAXIM公司的RS232串行接口芯片构成现场调试接口。系统时间由编程万年历时钟芯片DS12887提供，并可以通过软件精确对时。对于系统的最主要环节：A/D转换部分、TMS320VC33和ADS8364之间的接口逻辑和时序转化都是由CPLD完成的，具体的连接方式如下图3.2所示。多路模拟量通过ADS8364转换成16位的数字量，数字量在逻辑和时序的控制下被送给DSP处理。图中X=1，2表明此处实际有两片ADS8364芯片，为方便只画出一个。在此系统中只用到TMS320VC33数据总线的16位，其外部是3.3V供电。A15A14A(7..0)PAGE0\STRB\R/W\A(2..0)D(15..0)XF0EOCX\(X=1,2)TIRD\ADCSX(X=1,2)CNVTY(Y=1)BYTEADDWR\A(2..0)DB(15..0)ADRST\TMS320VC33CPLD(XC95108-20TQ100I)ADS8364X(X=1.2)其它目标多路模拟量VCC图1.2TMS320VC33和ADS8364的连接图2．交流采样过程、算法及系统的特点2.1交流采样过程从一次设备CT、PT过来的电流、电压经高精度小CT、PT隔离变换成弱电信号后输入，经二阶滤波器的增益调整电位器变成－5V～＋5V的信息，至模数变换器，DSP采样后对数字进行处理。图2.1是采用三表法的采样原理图，DSP处理后就计算出了各种遥测量，存入存储器同时通过CAN总线上传。其中二阶滤波器的作用主要是补偿CT、PT的相移，同时滤除16次以上的谐波，以满足交流采样算法之要求。图2.1采样原理图（三表法）2.2算法本系统高速测量输入遥测信号的周期，进行频率跟踪，将一个工频周期等分成240或者80点进行采样，然后对采样点进行快速傅立叶分解，计算出1－15次谐波并进行数字滤波，从基波开始一直计算到15次谐波分量的有效值和总有效值。假设输入信号为一周期性信号，即输入信号中，除基频分量外，只包含恒定的直流分量和各种整次谐波分量，输入信号可表示为：x(t)=X0+1)cos(nnntnX（2－1）X0是直流分量，为基频角频率，Xn、n为第n次谐波分量的幅值和相位，将（1－1）式展开：x(t)=X0+1)sincos(nInRntnXtnX（2－2）其中XRn=Xncosn为第n次谐波分量实部，XIn=Xnsinn为第n次谐波分量虚部。由三角函数在区间[0，T]上的正交性特点，不难证明XRn＝TtntxT0cos)(2dtXIn＝－TtntxT0sin)(2dt（2－3）在数字计算中XRn＝NkNnkkxN1)2cos()(2XIn＝－NkNnkkxN1)2sin()(2N为每个周期内采样点数。n＝1则基频分量的实部和虚部分别为：X1R＝NkNkkxN1)2cos()(2和X1I＝－NkNkkxN1)2sin()(2幅值为X1=2121IRXX相角为1＝arctg(11RIXX)当n＝k时由XRn＝NkNnkkxN1)2cos()(2XIn＝－NkNnkkxN1)2sin()(2Xn＝22InRnXXn＝arctg(RnInXX)将k代入算式就可以求出各次谐波的实部、虚部、幅值、相角等值。当信号为电压时，电压的总有效值为U=222120UUU／2当信号为电流时，电流的总有效值为I=222120III／2有功功率P为P＝U0I0+U1I1COS1+﹒﹒﹒+UkIkCOSk+﹒﹒﹒式中Uk=2kmU，Ik＝2kmI，k＝kiku，k＝1，2﹒﹒﹒Ukm、Ikm为最大幅值2．3此交流采样系统特点2.2.1测量高达15次谐波，采样速率大范围可调，可以在100Hz～12kHz间调节，完全能达到IEC61850的要求，可广泛应用于各种采样速率比较高的交流采样遥测装置。2.2.2可接入16路PT/CT信号，进行高精度、高速度采样、高速运算。2.2.3采用双16位A/D构架、能进行快速模数转换。2.2.4调试方便，通过RS－232接口可以连接PC机，从而给调试带来了很多方便。还可以将EEPROM中数据转入PC机存盘并利用PC机离线对数据进行分析。2.2.5具有越上限及越下限保护告警功能，当电压电流等发生突变时能实时上传告警信号。3.软件设计本系统软件部分包括CPLD程序、时钟程序、液晶显示程序、通讯程序和数据采集和处理程序。数据采集和处理部分的程序流程图如下所示：开始寄存器初始化；存储单元初始化；创建16个存储通道采集的数据。采集数据的个数计数器置0通道号初始化；文件号初始化；存储单元指向第一通道。打开该通道，取该端通道数据A/D寄存器设置；设置中断，并指向A/D转换器中断服务程序入口地址，屏蔽无关中断通道号＋1，文件号指向下一通道，文件存储单元指向下一通道通道号＝16？个数计数＋判断计算＝设定值？恢复屏蔽中断YYNN关闭数据文件，进行数据处理数据采集过程结束4.结束语此系统已多次应用于故障录波装置和功角测量装置，长时间的使用表明：本系统具有高精度、高速度、高可靠性、使用简便等特点。虽然价格稍微有点偏高但性能价格比很高，非常适用于各种采样速度和精度要求比较高的220kV及以上电压等级输电系统的监测装置和仪表的遥测装置部分。参考文献[1]刘涤尘.电气工程基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002428-434[2]盛寿麟.电力系统远程监控原理[M].北京：中国电力出版社，1993110-191[3]李晓明李申乾.基于80C196KC单片机的电气参数交流采样技术[J].湖北电力200327（3）23-25[4]王继胜桑恩方等.基于PCI总线的DSP高速串行数据接收系统[J]电子设计应用2003（8）86－88[5]杨杰赖声礼等.一种便携式低压电网数据采样与分析系统的研制[J]电气自动化200325（4）57－59[6]赵鸿昌刘志远等.焊缝检测系统中PCI总线高速数据采集卡的设想[J]电子技术应用2003（8）34－36唐桃波（1979－），男，湖北天门人，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。刘涤尘(1953－),男,湖