基于DSP的光纖電流互感器二次側信號處理

電流互感器是現在電力系統中不可缺少的設備，隨著(zhù)電力系統電壓等級的不斷升高，對電力系統運行可靠性要求越來(lái)越苛刻，傳統的電磁式電流互感器已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足要求了。目前國內外很多高校和企業(yè)都在致力于開(kāi)發(fā)新一代的電流互感器。我們經(jīng)過(guò)多年研究，研制成功了有源式光纖電流互感器，對互感器二次側信號的處理過(guò)程中，采用了TI公司的數字信號處理器TMS320F206，用該處理器實(shí)現了對互感器二次側輸出電壓信號的真有效值測量、被測量高壓電力線(xiàn)電流的數字顯示以及互感器和電力系統保護裝置的數字接口等重要功能，實(shí)現了互感器低壓端的全數字化。

1 真有效值計算原理
? 真有效值(RMS)是電力和電子系統中的一個(gè)重要參數，對真有效值進(jìn)行精確的測量是很多精密儀器所必需的，準確快速地對真有效值進(jìn)行計算是很多后續工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成電路直接把交流信號變成直流輸出，然后對直流輸出信號進(jìn)行處理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值轉換芯片。這種方法測量范圍窄、精度低、轉換芯片價(jià)格高、功能單一。還有采用直接對交流信號進(jìn)行整流的方法來(lái)實(shí)現直流變換的，價(jià)格便宜，但是精度更低，很難滿(mǎn)足實(shí)際應用中的要求。

? 在我們設計的電流互感器中，由于得到的輸出是直接數字量（瞬時(shí)被測信號的A/D轉換），為了接口方便和滿(mǎn)足精度和速度的要求，我們采用了TMS320 F206高速數字信號處理器，采用直接計算的方法來(lái)實(shí)現采樣數據的預處理。

?連續信號的真有效值定義如下：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，v(t)是被測量交流信號，T是被測信號的周期。?

? 類(lèi)似地，在數字系統中，上述計算公式應該校正為：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，N是每周期采樣點(diǎn)數，v(i)是被測信號瞬時(shí)采樣的數字量。

? 在本系統中，采用式（2）對已得到的數字量進(jìn)行平方累加求和，然后再取平均，最后開(kāi)平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令，很容易求累積和。

在實(shí)際計算中，為了計算方便，輸入信號每周期我們采樣512次，每計算16個(gè)采樣值的平方和后，除以16，整個(gè)周期共作32次這樣的運算，最后再把32次這種運算的結果累加，形成一周期內的平方和的平均值。采用這種方法，可以避免處理器一直累加導致溢出的麻煩。

對于平方根的求取，由于TMS320F206沒(méi)有專(zhuān)用的開(kāi)平方指令，而有專(zhuān)用的平方運算指令，所以我們采用下面的稱(chēng)之為逐次逼近的算法：

? 即先令輸出信號為輸入信號最大可能值的一半（用二進(jìn)制數表示則為最高位為1，其余位為0），然后把反饋信號（輸出信號的平方）同輸入信號比較，如果反饋信號比輸入信號小，則保留原輸出的二進(jìn)制數的最高位，若反饋信號大于輸入信號，則該位置為0。然后再令輸出信號的次高位為1，重復上邊過(guò)程。按上述方法重復?N次（N?為數據的二進(jìn)制寬度），即得到被開(kāi)方數的開(kāi)方結果整數部分，當數據位寬度足夠寬的時(shí)候，開(kāi)方結果的小數部分可以忽略。本設計中由于處理器的累加器是32位字節寬度的，而A/D轉換器為12位，通過(guò)把累加的內容適當移位，充分利用處理器32位處理能力，忽略小數部分也能夠完全滿(mǎn)足精度的要求。采用該方法，能夠迅速計算整數的開(kāi)方，并且算法簡(jiǎn)單，容易用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現。實(shí)際上，這種算法在本質(zhì)上就是所謂的二分法查找。

? 整個(gè)軟件算法對輸入數字量的處理過(guò)程如圖2所示。

圖中，因為A/D輸出的是12位二進(jìn)制補碼數，在DSP讀出數據后，先取絕對值（F206有專(zhuān)門(mén)的ABS指令），這樣可以把輸入數據作為無(wú)符號整數來(lái)處理，減少編程中的麻煩。圖中的低通濾波器是為了清除輸入信號因為干擾而帶入的高次諧波對真有效值的影響而設置的，采用數字濾波的方法，可以用簡(jiǎn)單的一階IIR濾波器實(shí)現。圖中的開(kāi)根號部分即上邊所述的逐次逼近算法。開(kāi)方后的值應該在具體編程序的時(shí)候給與適當的偏置補償，以抵消系統中的固有誤差，提高整個(gè)系統的精度。最后把計算出的真有效值進(jìn)行增益調整，體現被測高壓電力線(xiàn)上的實(shí)際電流真有效值。

2 系統硬件結構
? 在我們設計的有源式電流互感器中，采用一片ALTERA公司的CPLD（EPM7128）實(shí)現低壓控制部分各種時(shí)序的發(fā)生，同時(shí)生成高壓端A/D轉換器的工作時(shí)序，通過(guò)光纖傳送到高壓電力線(xiàn)端。高壓端得到的瞬時(shí)采樣值通過(guò)光纖傳回控制室，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，以并行16位數據的方式輸出。DSP處理器TMS320F206同CPLD之間實(shí)現無(wú)縫連接，直接以外部端口的方式讀取16位并行數據，然后對獲得的數據進(jìn)行計算，得到真有效值，監視系統運行情況，同時(shí)用LED顯示實(shí)際高壓電力線(xiàn)上的電流有效值。整個(gè)系統硬件結構如圖3所示。

TMS320F206作為主控制芯片，該芯片是TI公司新一代16位定點(diǎn)數字信號處理器，內部自帶32 k FLASH程序存儲器，4 k RAM存儲器，不需要外部擴展就能夠滿(mǎn)足整個(gè)系統的設計要求。該處理器在?20 MHz?主頻時(shí)，指令周期為50 ns，有適合于數字信號處理的高效指令集，能方便地進(jìn)行復雜數學(xué)運算和有效地對外部接口進(jìn)行控制。

? 系統中采用1片ALTERA公司的EPM7128作為整個(gè)系統的數字邏輯部分。該芯片可以重復編程，內部有2 500可用門(mén)，128個(gè)宏單元，能滿(mǎn)足大部分復雜邏輯的要求。該芯片的使用，大大減少了數字系統工作所需要的分離邏輯器件數目，增強了系統可靠性和保密性。

? 顯示模塊采用MAX7219顯示專(zhuān)用芯片，該芯片能夠以三線(xiàn)SPI的方式同處理器接口，控制方便。該芯片只需要1只電阻就可以設置顯示亮度，并且可以用軟件的方式更改亮度。該芯片自動(dòng)實(shí)現動(dòng)態(tài)掃描方式顯示，能驅動(dòng)8只7段LED數碼管，使用該芯片可以大大簡(jiǎn)化處理器對顯示的控制接口和程序設計。

? 在低壓側，除了用TMS320F206對被采樣信號的真有效值進(jìn)行計算、驅動(dòng)顯示、給出保護接口外，用D/A轉換器重新恢復被測量的模擬信號，得到模擬量輸出。這是因為現在電力系統很多測量和執行機構還需要使用模擬量，所以本設計中為了保持和現有設備的兼容性，增加了模擬量輸出模塊。

3 系統軟件設計
? 由于整個(gè)系統的運算量不是很大，所以采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設計。TI TMS320C2000系列匯編語(yǔ)言功能強大，控制方便，有很多專(zhuān)用的指令集，很適合于進(jìn)行數字信號處理。整個(gè)算法采用模塊化設計方法。即顯示控制模塊、D/A驅動(dòng)模塊、繼電保護邏輯實(shí)現模塊和真有效值計算模塊。主程序框圖如圖4所示。

DSP對數字量的讀取采用中斷方式，設置為外部中斷INT1，設置為高優(yōu)先級。每次讀取數據后，就進(jìn)行平方運算、累積前面的平方運算結果。完成512次（對輸入信號一個(gè)周波采樣512次）平方累積后，調用開(kāi)平方子程序，算得該周期的輸入信號真有效值。用算得的有效值來(lái)監視電網(wǎng)電力線(xiàn)的運行情況，提供保護手段。

? 對于顯示，不需要每周波更新一次顯示，觀(guān)察者也無(wú)法反應太快的顯示更新。所以我們采用每計算16個(gè)周波的真有效值然后取平均，再去更新顯示的方法。這樣，一方面不會(huì )使顯示器一直閃爍，另一方面也可以通過(guò)平均的方法提高精度。

4 結語(yǔ)
? 該系統利用DSP處理器靈活高速的特點(diǎn)，對被測量電壓信號進(jìn)行了精確的測量，同時(shí)為電力系統提供可靠實(shí)時(shí)的保護信號。提出了真有效值計算的有效方法，采用該方法處理數字數據，精度高，程序設計方便，在實(shí)際應用中簡(jiǎn)化了設計和增強了可靠性。

參考文獻

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