基于DSP+CPLD的智能IED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(shí)中斷、部分用作控制線(xiàn)的I/O口。在數據處理之前首先要開(kāi)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(lái)自A/D轉換器的數據，一組128個(gè)分別對應兩個(gè)周期的電壓電流和末屏電流值。每128個(gè)數據分別進(jìn)行FFT運算，運算的結果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數據采集、運算、上傳過(guò)程如圖3所示。

　　圖3 IED數據采集、運算、上傳過(guò)程

　　需要DSP計算的參數是高壓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。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(guān)功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時(shí)中斷。然后通過(guò)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(guò)信號調理電路在信號波形穩定后可以經(jīng)過(guò)MAX125被采樣。通過(guò)數據總線(xiàn)傳遞給DSP，DSP經(jīng)過(guò)一系列運算后得到功率因素、介損基波諧波含量，并將這些數據按照一定的數據格式打包，通過(guò)串口發(fā)送到ARM微控制器。AR M再將這些數據傳輸給上位機監控軟件。

　　具體代碼如下：

　　2.2 電網(wǎng)參數的計算

　　DSP接收到A/D轉換的數據之后就立刻進(jìn)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(gè)重點(diǎn)。在電力系統中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線(xiàn)性負載所致。當電流流經(jīng)負載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)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，根據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的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。

　　諧波可以區分為偶次與奇次性，一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統中，由于對稱(chēng)關(guān)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(lái)某個(gè)特定頻段上的諧波就顯而易見(jiàn)了。

　　除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外，系統還有其他參量的計算。由于調用的功能模塊十分復雜，只對部分參數的計算過(guò)程進(jìn)行描述。多數參數都是通過(guò)對采集點(diǎn)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：由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實(shí)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

　　該系統應用于智能變壓器系統中，可多個(gè)通道同步采集，轉換精度高。經(jīng)實(shí)驗驗證，信號采集模塊的實(shí)時(shí)性和精度上都取得良好的效果，且工作穩定可靠。該系統采用高速14位并行A/D轉換器，簡(jiǎn)化了接口設計，提高了讀取速度以及數據處理速度。通過(guò)CPLD實(shí)現各種復雜控制信號，通過(guò)改變XF引腳的電平，可以將外擴SRAM、Flash映射到數據空間或程序空間。DSP芯片通過(guò)CPLD芯片連接高精度數據采集芯片MAX125實(shí)現信號的多路高速同步實(shí)時(shí)數據采集，抗干擾能力強，并利用FFT算法準確計算出電網(wǎng)諧波因數、功率角、介損角。