劉景鵬,王大志,李俊,孫化龍

(東北大學,沈陽 110004)

劉景鵬(碩士生)、王大志(教授)、李俊(博士生),主要研究領域為電力電子與電力傳動。

引 言

故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運行的重要自動裝置,當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時,能自動記錄故障點前后一定時間內(nèi)各種電氣量的變化。參考文獻[1]設計的故障錄波器采用虛擬軟件與數(shù)據(jù)采集卡相結合的方法,其缺點是必須依靠計算機來進行計算分析,設備移動不方便,而且數(shù)據(jù)采集卡的價格也比較高,使得產(chǎn)品應用有一定的局限性。參考文獻[2]設計的是一種基于DSP和A/D轉(zhuǎn)換器件相結合的故障錄波器,所用的A/D轉(zhuǎn)換器件不能同步轉(zhuǎn)換6路信號,所測結果之間有一定的延遲。針對以上缺點,現(xiàn)采用DSP和AD7656相結合的方法,通過外接LCD顯示波形和數(shù)據(jù),使其可以作為手持設備使用,也可連接電腦通過LabWindows/CVI軟件在電腦上實時顯示,所用的AD7656具有的6路同步采樣特性克服了測量結果之間有延遲的缺點,提高了測量精度。

1 運行原理及相關算法

綜合了此前所提出的各種性能指標,故障錄波器采用硬件與軟件相結合的設計方法,高速數(shù)據(jù)采集裝置以DSP-TMS320F28335為核心,利用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器對信號進行采集,并采用高性能的AD7656完成對信號的 A/D轉(zhuǎn)換,利用LCD進行波形顯示并利用 LabWindows/CVI軟件進行控制。本裝置加LCD主要是考慮到可以在沒有電腦的情況下顯示電壓電流波形,方便操作。

此裝置由3部分組成:檢測部分、計算部分、上位機控制部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)運行情況如下:首先電網(wǎng)的各項電壓電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號,之后由檢測部分的電壓電流傳感器對電網(wǎng)三相電壓、電流等基本參數(shù)進行實時檢測,所測的6路模擬量傳遞給 AD7656;TMS320F28335控制AD7656將6路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,DSP利用FFT算法對電壓電流的數(shù)字量進行分析,提取出基波和各次諧波分量,并算出有功功率、無功功率和THD值,再傳遞給C8051F005單片機和終端計算機;外接于單片機的鍵盤控制 LCD顯示波形,計算機利用LabWindows/CVI軟件進行波形數(shù)據(jù)的顯示、存儲和打印等。

圖1 系統(tǒng)框圖

本諧波分析方法采用快速傅立葉變換(FFT)。其在DSP的實現(xiàn)方法利用創(chuàng)建FFT的庫函數(shù)進行運算,具體的實現(xiàn)方法在軟件部分詳細介紹。

2 系統(tǒng)硬件設計

本裝置核心采用TMS320F28335和AD7656器件,采集來的信號經(jīng)過DSP運算能通過RS-485串口與計算機通信。

2.1 TMS320F28335及外圍電路

2.1.1 復位電路設計

TMS320F28335的復位電路采用上電復位電路,由電源器件給出復位信號。一旦電源上電,系統(tǒng)便處于復位狀態(tài),當XRS為低電平時,DSP復位。為使DSP初始化正確,應保證XRS為低電平并至少保持 3個CLKOUT周期。同時,上電后,該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一但加電,其輸出電壓緊隨輸入電壓,當輸出電壓達到啟動RESET的最小電壓時(溫度為25℃時,其電壓為1.5 V),引腳RESET輸出低電平,并且至少保持200 ms,從而滿足復位要求。

2.1.2 時鐘電路設計

向DSP提供時鐘一般有2種方法:一種是利用DSP內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路,即在DSP的X1和X2引腳之間連接一晶體來啟動內(nèi)部振蕩器;另一種方法是將外部時鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳,X1懸空,采用已封裝晶體振蕩器。鑒于從資源利用和電路設計的簡單性考慮,該最小應用系統(tǒng)的時鐘電路采用 TMS320F28335內(nèi)部晶體振蕩器,具體電路如圖2所示。外部晶振的工作頻率為30 MHz,TMS320F28335內(nèi)部具有一個可編程的鎖相環(huán),用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時鐘頻率對其編程設置。

2.1.3 供電電路設計

DSP的供電要求為其內(nèi)核和I/O分別進行供電,現(xiàn)采用電源器件TPS73HD301為DSP供電,內(nèi)核供電電壓為1.9 V,I/O口供電電壓為3.3 V。

2.2 AD7656及外圍電路

圖2 DSP外圍電路

AD7656的電源設計中,AVcc和DVcc是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨立的同步采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量,所以AVcc的去耦在設計中就顯得十分重要。在實際電路設計中,可以單獨提供+15 V(或+12 V)電壓給Vdd和Vss電源輸入端,同時提供+5 V給AVcc模擬電壓端。通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVcc連接到DVcc。然后再通過濾波器供給系統(tǒng)+5 V電源。AD7656的RANGE接地,輸入電壓范圍為基準電壓的4倍。H/S引腳和SER/PAR都接地,用以開啟硬件控制轉(zhuǎn)換輸入模式,由CONVSTA/B/C引腳控制采樣。其中的REFCAP_A、REFCAP_B和 REFCAP_C全部接地,用以控制輸入全部成對轉(zhuǎn)換。

2.3 系統(tǒng)整體硬件設計

2.3.1 AD7656與檢測部分的連接

檢測部分的傳感器采用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器。電流傳感器的額定測量范圍為0～150 A,反應時間小于20 μ s,溫度漂移小;電壓傳感器測量范圍為0～500 V,反應時間小于10 μ s,線性度好。因為輸入的電壓電流存在高次諧波和噪聲信號,所以需要一個前置的濾波裝置進行抗混疊濾波,而且為了滿足AD7656的16位精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理10 V雙極信號的運算放大器作信號處理和濾波。此運算放大器選用AD8022,如圖3所示。IN1為初始模擬信號的輸入端,經(jīng)過AD8022之后傳遞給AD7656,其中三相電壓電流都與此連接方式相同。

圖3 AD8022外部連接圖

2.3.2 DSP與AD7656的

AD7656與DSP的連接如圖4所示。DSP的ADCINA和ADCINB復用為I/O口,與AD7656的D0～D15數(shù)據(jù)口相連,用于數(shù)據(jù)的傳輸。DSP的GPIOB59與AD7656的BUSY相連,用來檢測AD7656是否處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。DSP的GPIOB60與AD7656的CONVST相連,GPIOB62與AD7656的片選端口相連,用以控制AD7656的啟動與停止。GPIOB61與AD7656的讀寫端口相連,用來控制讀取AD7656轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。GPIOB63與AD7656的RST端口相連用來控制AD7656的復位。ISSI61LV6416是片外隨機存儲器。

圖4 AD7656與DSP連接圖

2.3.3 DSP與單片機和計算機的連接

DSP的SCIB與計算機進行串口通信。因為RS-232的抗干擾能力較弱,所以選擇RS-485作為通信串口,再通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為與計算機適合的電平。DSP的SCIC串口與F005單片機P0.0和P0.1口相連。其傳輸?shù)牟ㄌ芈试O置為9 600 b/s。

2.3.4 DSP與外擴存儲器的連接

擴展的數(shù)據(jù)存儲器選用了超捷(SST)公司的SST25VF040。SST25VF040是公司的SPI接口的串行閃存,它是一塊低功耗Flash,存儲容量為4 MB,工作在2.7～3.6 V的電壓下,因此可以直接和DSP相連。其連接圖如圖5所示。DSP的SPIA口的接收和發(fā)送端與其SI和SO口相連,用來進行數(shù)據(jù)的傳輸。GIPIO26和GIPIO27分別用來對存儲器的片選和讀寫進行控制。

2.3.5 C8051F005與LCD和鍵盤的連接

為了使故障錄波器能夠方便移動使用,采用了新華龍公司F005單片機外接LCD和鍵盤來控制的方法,可以脫離電腦通過外接鍵盤來控制故障錄波器的運行。F005的P1.0～P1.7外接鍵盤的8個鍵位K1～K8,其可以控制6種波形的顯示,設置故障記錄的上下限值等。LCD采用240128E型號的液晶,F005的P2.0～P2.7接LCD的DB0～DB7用于數(shù)據(jù)的傳輸,P3.0和P3.1接LCD的讀寫口。

圖5 外擴存儲器連接圖

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括LabWindows/CVI軟件程序和DSP控制A/D轉(zhuǎn)換程序,以及利用FFT變換提取出基波分量和各次諧波分量的程序。

3.1 整體流程

下面以流程圖方式進行軟件設計的說明。如圖6所示,通過控制界面串口的設置完成串口設置,設置成功系統(tǒng)開始運行。

圖6 整體流程

如圖7所示,界面上有故障自動記錄時間選擇按鈕,如果設置2 s,則存儲故障前后共4 s的波形。通過波形選擇按鈕可選擇要顯示的波形,選擇A相電流,則可顯示出其波形和各次諧波數(shù)據(jù)等(如果未接計算機,可以依靠外接鍵盤來設置其相關值)。DSP開始運行時,進行系統(tǒng)初始化,傳感器開始檢測電壓電流,檢測到的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號,由DSP進行FFT運算分析出各次諧波分量,并計算出 THD值。所計算出的基波最大值與所設置的標準值進行比較,當大于或小于設定值時,觸發(fā)報警裝置。之后所測數(shù)據(jù)由串口傳送到計算機的控制界面和單片機,控制界面顯示出所測波形和數(shù)據(jù),可保存故障波形和數(shù)據(jù)。單片機控制LCD進行顯示,圖7中的實驗結果為A相電流波形,顯示出A相電流的基波和各次諧波值,并算出THD值等。

圖7 實驗波形

3.2 LabWindows/CVI部分程序

當系統(tǒng)運行時,首先配置串口,向串口發(fā)送要顯示的某相電流或電壓,DSP會根據(jù)指令要求傳輸給計算機。軟件界面會顯示波形和其有效值,并可根據(jù)情況進行存儲打印等。下面部分函數(shù):

3.3 實現(xiàn)FFT變換和計算THD值等

DSP能夠進行浮點運算,其定標能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值的精確計算。定標簡單來說就是把一個小數(shù)換算成整數(shù),然后進行運算,這樣使得運算誤差變小。例如,一個小數(shù)為1.123 456 789,后面還可以有好幾位小數(shù)。如果直接計算的話,運算中會舍去小數(shù)點后的部分數(shù)值,使得誤差變大。如果利用定標運算,可以把1.123 456 789變?yōu)檎麛?shù)1.123 456 789×225(選擇Q25定標)后進行運算,這樣使得計算的結果誤差比原來小。這是DSP運算的一大優(yōu)點,而且其運算速度快,利用FFT運算時,采樣諧波頻率可以達到31次之多。

DSP初始化程序:

可以通過控制界面發(fā)送要顯示的某相電壓或電流的指令信號,也可以通過鍵盤來發(fā)送要顯示的信號波形。DSP通過判斷接收中斷標志位和指令信號,來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,中斷指令如下:

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