TMS320F2812在電力系統多通道同步交流采樣中的應用

摘　要：電力系統中經(jīng)常需要測量多路電壓及電流信號,當電網(wǎng)頻率變化時(shí),必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計算的精度。結合發(fā)電機勵磁控制裝置采樣模塊的實(shí)現,介紹了利用新型DSP芯片TMS320F2812實(shí)現多通道同步交流采樣的硬件電路及軟件程序,通過(guò)試驗進(jìn)一步驗證了新型DSP在電力系統自動(dòng)化控制中的適用性和優(yōu)越性。所提出的方案對交流電參量微機測量裝置的軟、硬件設計具有一定的參考價(jià)值。
 
關(guān)鍵詞：同步采樣 交流采樣 勵磁控制 DSP TMS320F2812

隨著(zhù)我國電力事業(yè)的快速發(fā)展,電力系統對發(fā)、輸、配、用電量的采集也有了更高的要求。電量采集作為電力系統實(shí)時(shí)控制、監測、調度自動(dòng)化的前提環(huán)節,毫無(wú)疑問(wèn)具有重要的作用。但在電量采集過(guò)程中,由于存在諧波等干擾因素,因此如何準確、快速地采集電力系統中的各個(gè)模擬量一直是電力系統研究中的熱點(diǎn)[1]。
 
根據采樣信號的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類(lèi)。直流采樣算法簡(jiǎn)單、便于濾波,但維護復雜、延時(shí)較長(cháng)、無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)信號采集,因而在電力系統中的應用越來(lái)越受到限制。交流采樣實(shí)時(shí)性好、相位失真小、投資少、便于維護,其缺點(diǎn)是算法復雜、對A/D轉換速度和CPU處理速度的要求較高[2]。隨著(zhù)微機技術(shù)的發(fā)展,交流采樣有逐步取代直流采樣的趨勢。近年來(lái),各種集成化單片DSP的性能得到很大的改善,價(jià)格大幅度下滑,越來(lái)越多的單片機用戶(hù)開(kāi)始選用DSP器件來(lái)提高產(chǎn)品性能。本文以TI公司新推出的2000系列DSP (TMS320F2812)為例探討DSP在電力系統交流采樣中的應用。

1 總體設計

勵磁裝置的電量采集除發(fā)電機定子機端電壓、電流外,勵磁電壓、勵磁電流及母線(xiàn)電壓也需一并考慮在一起,共九路模擬量。為了提高可靠性,還需加上第二組儀表PT時(shí),則要采集的模擬通道數將增加為12路。因此需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟成本等多個(gè)方面權衡,選擇合適的采樣方式和采樣頻率,并注意強弱電的隔離和電磁干擾,從而確定最終的軟、硬件設計和元器件選擇。參考文獻[4]中詳細地分析了影響軟件同步采樣精度和硬件同步采樣精度的因素及改進(jìn)措施。本系統采樣模塊利用硬件同步采樣方式,并通過(guò)硬件鎖相環(huán)同步環(huán)節直接控制采樣保持電路來(lái)獲得更高的同步精度。為了使采樣信號f *(t)能反映被采樣的模擬信號f(t), 采樣頻率必須滿(mǎn)足采樣定理,即采樣頻率fs必須大于模擬量所含最高次有效諧波頻率fmax的兩倍。實(shí)際采樣時(shí)一般使fs≥10fmax, 以保證采樣信號能夠準確地代表被采樣的模擬信號。采樣頻率過(guò)高時(shí),會(huì )增加處理器的負擔,影響實(shí)時(shí)性。本系統設計時(shí)初步定為40點(diǎn),即采樣頻率為2kHz左右。

圖1 交流采樣模塊硬件結構框圖

2 采樣系統的硬件設計

交流采樣模塊的硬件結構如圖1所示,它包括隔離變換電路、通道選擇電路、限幅電路、同步方波變換電路、模/數轉換及控制電路等。
 
隔離變換電路中利用帶有磁補償的霍爾傳感器將相關(guān)PT、CT送來(lái)的電壓、電流信號轉換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號。通道選擇電路利用兩片2選1模擬多路選擇器MC14053B,通過(guò)不同的編址選出不同的A、B兩組,同時(shí)采樣六通道模擬量。這兩部分電路比較簡(jiǎn)單,不予詳述。

2.1 限幅電路

在模/數轉換中,如果A/D轉換器損壞,檢測和控制的功能就不能實(shí)現。出于安全考慮,在A(yíng)/D轉換器前采用限幅電路,以保障系統的A/D轉換器安全。傳統的限幅器如齊納二極管限幅器、穩壓管反向限幅器、橋式限幅器等,都是利用二極管的擊穿特性限幅。在擊穿區由于二極管內阻并不為零,并有漏電流存在,所以穩壓值并非恒定而且不易調節。本系統所設計的限幅電路如圖2所示,設定UR=