DSP與CPLD的智能變電站電網(wǎng)IED設計

1．1 多路選擇開(kāi)關(guān)
本系統采集的對象較多，由于計算功率因數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(shí)際上，本系統只是整個(gè)智能變壓器的一個(gè)數據采集模塊。所有采集信號在經(jīng)過(guò)處理后還要打包傳遞給上位機。本系統采用簡(jiǎn)單的RS232傳輸方式。將一次所有的數據傳輸到上位機，在上位機打包之后通過(guò)TCP／IP傳遞給監控中心。
1．3 數據采集和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(diǎn)電流。這些信號通過(guò)傳感器轉換成電壓信號輸入到監測裝置。
本系統要求計算到13次以上的諧波含量，FFT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(zhù)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)系統中，信號采集單元的轉換精度對整個(gè)系統性能的優(yōu)劣起著(zhù)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。
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(guò)響應中斷對采樣信號進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過(guò)對A0～A3的地址線(xiàn)編程實(shí)現通道的選擇，CLK信號用作A／D轉換所需的時(shí)鐘，由CPLD的時(shí)鐘提供。MA X125的數據總線(xiàn)(D0～D13)、時(shí)鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫(xiě)輸入WR、讀輸入RD、轉換開(kāi)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，所以本系統需用3片MAX125芯片。
1．4 信號調理電路
220 kV或以上的變壓器引出的信號，要經(jīng)過(guò)現場(chǎng)復雜的環(huán)境再進(jìn)入傳感器。從傳感器進(jìn)入MAX125的信號還要經(jīng)過(guò)長(cháng)線(xiàn)傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調理電路就成為控制系統中必不可少的一部分。一般來(lái)說(shuō)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)信號調理電路調理后輸入A／D轉換器。其中輸出端電壓高于A(yíng)／D轉換器的輸入電壓值，在此進(jìn)行分壓后進(jìn)行采樣。
電力系統中大量的非線(xiàn)性負載，會(huì )使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會(huì )影響DSP的運算精度。本系統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(lái)構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，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過(guò)。

2 系統軟件設計
2．1 軟件流程
首先是DSP相應功能的初始化，包括串口、定時(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。