鎖相環(huán)在微機保護中的應用

摘要：針對微機保護中采用傳統的采樣方法，采樣頻率難以自動(dòng)跟蹤被測量的頻率變化而發(fā)生變化，必然會(huì )導致FFT運算產(chǎn)生誤差。本文采用鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)實(shí)現對微機保護裝置中交流電壓、電流信號的頻率和相位進(jìn)行鎖定，以提高測量精度和實(shí)時(shí)性。結合鎖相環(huán)控制AD7656模數轉換芯片的實(shí)驗，證明整周期同步采樣在微機保護裝置中的可行性，解決了軟件同步采樣的實(shí)時(shí)性差、軟件編寫(xiě)復雜等問(wèn)題。

微機保護裝置廣泛地應用于電力系統中，擔負著(zhù)保護電力系統的重要任務(wù)，在配電網(wǎng)中還起著(zhù)測控的作用，如何準確、實(shí)時(shí)的測量電壓、電流量直接關(guān)系到微機保護裝置的性能。由于電網(wǎng)的頻率是變化的，并且微機保護裝置是工作在故障狀態(tài)，N點(diǎn)等間隔采樣并不能恰好使每一點(diǎn)處在一個(gè)整周期內，勢必造成測量的誤差。采用傳統的方法，采樣頻率難以自動(dòng)跟蹤被測量的頻率變化而變化，必然會(huì )導致FFT運算產(chǎn)生誤差。這種誤差來(lái)源于非整周期采樣引入的窗截斷，這樣FFT就不能算出各次諧波分量的準確值。因此，本文提出采用鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)實(shí)現對微機保護裝置中交流電壓、電流信號的頻率和相位進(jìn)行鎖定，以提高測量精度和實(shí)時(shí)性。

1 同步采樣的分類(lèi)

減少和消除同步誤差的方法是采用同步采樣技術(shù)，同步采樣使每個(gè)采樣點(diǎn)均勻的分布在一個(gè)整周期內。同步采樣可以利用軟件實(shí)現，也可以利用硬件實(shí)現。軟件實(shí)現同步采樣，是利用比較器將交流信號變成方波信號，CPU檢測兩次上升沿或兩次下降沿之間的時(shí)間間隔，即一個(gè)周期的時(shí)間，然后根據采樣點(diǎn)數計算出采樣間隔，通過(guò)軟件控制AD采樣。雖然利用軟件實(shí)現同步采樣，可以減少硬件的復雜程度，但是增加了CPU的負擔和軟件編寫(xiě)的難度，降低了微機保護裝置的實(shí)時(shí)性，同時(shí)電網(wǎng)的頻率是波動(dòng)的，相鄰兩個(gè)周期的頻率有差別，也會(huì )引起誤差。用硬件實(shí)現同步采樣，硬件相對復雜，直接控制AD，但是減少了CPU的開(kāi)銷(xiāo)和軟件編寫(xiě)的難度，同時(shí)從根本上消除因采樣不同步而造成的誤差。

2 鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)的基本組成框圖如圖1，它主要由鑒相器(PD)、低通濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成。

壓控振蕩器的輸出U0反饋至鑒相器的輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上的平均電壓Ud的大小決定。外部輸入信號Ui與來(lái)自壓控振蕩器的反饋信號U0相比較，產(chǎn)生的誤差輸出電壓Uphi正比于Ui和U0兩個(gè)信號的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到平均電壓Ud。平均值電壓Ud朝著(zhù)減小U0和Ui之差的方向變化，直到壓控振蕩器輸出頻率和輸入信號頻率一致。這時(shí)兩個(gè)信號的頻率相同，兩相位差保持恒定即相位鎖定。當鎖相環(huán)入鎖時(shí)，在一定范圍內具有“捕捉”信號的能力，壓控振蕩器自動(dòng)跟蹤輸入信號的變化。

本文使用的是集成電路鎖相環(huán)CD4046，其內部結構如圖2所示。主要由相位比較器I和Ⅱ、壓控振蕩器(VCO)、線(xiàn)性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構成。相位比較器I采用異或門(mén)，即兩個(gè)輸入端信號的電平相異時(shí)，輸出端信號(管腳2)Uphi為高電平;反之，輸出為低電平。當兩個(gè)輸入信的相位差在0°-180°范圍內變化時(shí)，Uphi的脈沖寬度也隨之改變。相位比較器Ⅱ對輸入信號占空比的要求低，允許輸入非對稱(chēng)信號，具有很寬的頻率捕捉范圍，而且不會(huì )鎖定輸入信號的諧波。相位比較器Ⅱ提供數字誤差信號和鎖定信號兩種輸出，進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)輸入信號之間保持0°相移。

集成電路鎖相環(huán)CD4046采用的是RC型壓控振蕩器，需要使用外接電阻R1和電容C1作為充放電元件。當鎖相環(huán)對輸入的跟蹤信號的頻率寬度有要求時(shí)，還需要外接電阻R2。壓控振蕩器VCO的振蕩頻率取決于外接電阻R1、R2、電容C1及壓控振蕩器的控制端(管腳9)。根據公式(1)和(2)可以計算出壓控振蕩器的大致工作范圍，外接電阻、電容可參考在以下范圍內：當VDD大于或等于5V時(shí)，C1大于等100pF;R1、R2、R3大于等于5 kΩ，小于等于1 MΩ，具體的電阻、電容值還需要通過(guò)試驗來(lái)確定。

3 鎖相環(huán)與AD7656采樣電路的設計

本裝置需要采集12路模擬信號，包括：3路保護/測量用電壓，1路零序電壓、1路線(xiàn)路抽取電壓、3路保護用電流、3路測量用電流和1路零序電流。一塊AD7656只能同時(shí)采集6路模擬信號，因此，需要2塊AD7656。同時(shí)CPU的引腳有限，為了減少占用CPU的資源，采用串行方式SPI讀取AD7656中的數據，多塊AD7656可以采用菊花鏈的方式級聯(lián)在一起。如圖3所示，兩塊AD7656之間通過(guò)一路SPI級聯(lián)，CPU從DOUTA管腳讀取采樣后的數據;鎖相環(huán)控制AD的CONVST管腳啟動(dòng)采樣;CS為片選信號，低電平有效，可以直接接地，使AD一直處于選中狀態(tài)：SCLK是CPU為AD提供的時(shí)鐘信號。

3.1 信號調理電路

如圖4所示，第一級運算放大器構成了電壓跟隨器，減小輸出電阻，提高帶負載能力;第二級運算放大器構成了反向加法電路，用于調零漂;第三級運算放大器也構成了電壓跟隨器，減小輸出電阻，即減小AD內部的時(shí)間常數，提搞AD的采樣頻率。同時(shí)，U2還經(jīng)過(guò)電壓比較器和地電位比較后，輸出方波F_IN1，作為鎖相環(huán)的輸入。

3.2 鎖相環(huán)及倍頻電路

如圖5所示，分頻器選用CD4040，設計時(shí)通過(guò)跳線(xiàn)T1、T2、T3設置了3個(gè)可選的分頻倍數，分別為16倍頻、32倍頻、64倍頻。圖4(b)的輸出信號接入CD4046的14管腳，作為輸入信號，4管腳是輸出信號，去控制AD7656啟動(dòng)采樣。

3.3 AD7656采樣電路

如圖6所示為AD7656級聯(lián)電路圖，鎖相環(huán)的輸出信號PLL-CONVST控制兩塊AD7656的21、22、23管腳，同時(shí)啟動(dòng)12路采集;CPU作為主機為AD7656的11管腳(AD—SCLK)提供時(shí)鐘信號。CPU從圖6(a)的管腳7(DATA—OUTA)通過(guò)SPI讀取數據;圖6(a)的12管腳與圖6(b)的管腳7連接，實(shí)現兩塊AD7656的級聯(lián);通過(guò)判斷AD7656的18管腳(AD—BUSY)來(lái)提醒CPU讀取轉換數據。

4 實(shí)驗結果

如圖7(a)-(c)所示為倍頻采樣脈沖信號，上半屏為工頻50 Hz的方波信號，下半屏為倍頻后的采樣脈沖信號。圖7(a)為16倍頻采樣脈沖信號，圖7(b)為32倍頻采樣脈沖信號，圖7(c)為64倍頻采樣脈沖信號。從圖中可以發(fā)現，利用鎖相環(huán)CD4046和分頻器CD4040實(shí)現了硬件同步采樣。同時(shí)，采樣脈沖的波形在上升沿后有一個(gè)下降的過(guò)程，由于A(yíng)D7656是上升沿觸發(fā)采樣，因此并不影響AD7656啟動(dòng)采樣。

5 結束語(yǔ)

基于鎖相環(huán)的同步采樣技術(shù)，解決了軟件同步采樣的實(shí)時(shí)性差、軟件編寫(xiě)復雜等問(wèn)題。在微機保護裝置中，實(shí)現了等周期同步采樣，提高了交流電流、電壓參數的測量精度和時(shí)實(shí)性。此外，該方法還可以應用于其他交流采樣算法，比如電能質(zhì)量監測、故障錄波等，具有實(shí)用價(jià)值。