摘　要：電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)量多路電壓及電流信號(hào),當(dāng)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(jì)算的精度。結(jié)合發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置采樣模塊的實(shí)現(xiàn),介紹了利用新型DSP芯片TMS320F2812實(shí)現(xiàn)多通道同步交流采樣的硬件電路及軟件程序,通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了新型DSP在電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制中的適用性和優(yōu)越性。所提出的方案對(duì)交流電參量微機(jī)測(cè)量裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

隨著我國(guó)電力事業(yè)的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié),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(zhǔn)確、快速地采集電力系統(tǒng)中的各個(gè)模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)^[1]。
　　根據(jù)采樣信號(hào)的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣算法簡(jiǎn)單、便于濾波,但維護(hù)復(fù)雜、延時(shí)較長(zhǎng)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集,因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)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(hù),其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度和CPU處理速度的要求較高^[2]。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展,交流采樣有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。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(jī)用戶開(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(tǒng)交流采樣中的應(yīng)用。
1 總體設(shè)計(jì)
　　勵(lì)磁裝置的電量采集除發(fā)電機(jī)定子機(jī)端電壓、電流外,勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流及母線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(shù)將增加為12路。因此需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)方面權(quán)衡,選擇合適的采樣方式和采樣頻率,并注意強(qiáng)弱電的隔離和電磁干擾,從而確定最終的軟、硬件設(shè)計(jì)和元器件選擇。參考文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)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(tǒng)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(jié)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(hào)f *(t)能反映被采樣的模擬信號(hào)f(t), 采樣頻率必須滿足采樣定理,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(hào)能夠準(zhǔn)確地代表被采樣的模擬信號(hào)。采樣頻率過(guò)高時(shí),會(huì)增加處理器的負(fù)擔(dān),影響實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)框圖(點(diǎn)擊查看大圖)

2 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　交流采樣模塊的硬件結(jié)構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路等。
　　隔離變換電路中利用帶有磁補(bǔ)償?shù)幕魻?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/117/" target="_blank">傳感器將相關(guān)PT、CT送來(lái)的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號(hào)。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(shù)轉(zhuǎn)換中,如果A/D轉(zhuǎn)換器損壞,檢測(cè)和控制的功能就不能實(shí)現(xiàn)。出于安全考慮,在A/D轉(zhuǎn)換器前采用限幅電路,以保障系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器安全。傳統(tǒng)的限幅器如齊納二極管限幅器、穩(wěn)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(qū)由于二極管內(nèi)阻并不為零,并有漏電流存在,所以穩(wěn)壓值并非恒定而且不易調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的限幅電路如圖2所示,設(shè)定UR=±2.5V,由TL431提供高精度的基準(zhǔn)電平。

圖2 雙向限幅電路

2.2 同步方波變換電路及頻率采樣
　　為了保證勵(lì)磁裝置采樣的精度,必須使采樣頻率具有快速的自適應(yīng)能力,同步跟蹤機(jī)端電量的頻率變化。 如圖3 所示,所設(shè)計(jì)的同步方波變換電路由遲滯電壓比較電路、高速光耦、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。其中,由U1A (LM339的1/4)和Q1 (9012) 組成的遲滯比較電路將正弦波輸入信號(hào)變?yōu)?～5V的同頻率方波信號(hào),同時(shí)利用遲滯電壓特性消除輸入信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)可能出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象。高速光耦6N137把模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開(kāi),同時(shí)進(jìn)一步隔離了強(qiáng)弱電之間的電氣連接。鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路U2(CD4046)和十進(jìn)制分頻電路CD4017組成,按每周波采樣40點(diǎn)計(jì)算,兩片CD4017完成40分頻。由于鎖相環(huán)的相位負(fù)反饋?zhàn)饔?當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)(D5為鎖定指示燈),U6_7 的輸出信號(hào)與U2_14的輸入信號(hào)同步,也即與正弦輸入信號(hào)同步,此時(shí)U2_4的輸出信號(hào)頻率為正弦信號(hào)頻率的40倍,并且跟隨其同步變化。
　　U6_7輸出的同步信號(hào)經(jīng)分壓后,被送入TMS320F2812的捕獲模塊CAP1,用于頻率的測(cè)量,以滿足勵(lì)磁控制中后續(xù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和V/F限制的需要。U2_4輸出的同步倍頻信號(hào)經(jīng)CD4528脈寬整形后得到合適的脈沖信號(hào),作為A/D采樣保持的觸發(fā)信號(hào)。本采樣模塊通過(guò)硬件鎖相同步,避免了軟件同步中的中斷響應(yīng)時(shí)間不確定性,可以獲得更高的同步精度。如果需要改變每周波采樣的點(diǎn)數(shù),僅需改變CD4017引腳復(fù)位的連線即可。

圖3 同步方波變換及鎖相環(huán)倍頻電路(點(diǎn)擊查看大圖)

2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路
　　TMS320F2812芯片上有一個(gè)12位、轉(zhuǎn)換頻率為25MHz的A/D轉(zhuǎn)換器,其前端為兩個(gè)8選1的多路切換器和兩路同時(shí)采樣/保持器,在要求不很高時(shí)完全可利用其構(gòu)成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構(gòu)成同步采樣。考慮到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置電量檢測(cè)的重要性和其對(duì)電量采集精度、速度的較高要求,本系統(tǒng)采樣模塊中選用了外置的六通道16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364。其內(nèi)部包括六個(gè)高速采樣-保持放大器、六個(gè)高速ADC、一個(gè)參考電壓源及三個(gè)參考電壓緩沖器,可以提供250kSPS的同步采樣率,還可提供具有超低功耗(69mW/每通道)的所有六個(gè)輸入通道的轉(zhuǎn)換,這樣使得所有通道的單位成本均較低^[5]。并且六個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸出接口電壓介于2.7V到5.5V之間,便于與DSP直接接口,省去了中間的電平轉(zhuǎn)換。六個(gè)完全獨(dú)立的ADC可大大提高硬件整體的并行處理速度, 在 50kHz輸入信號(hào)下仍可保證大于80dB的卓越共模抑制能力,特別適合于諸如發(fā)動(dòng)機(jī)控制及能量轉(zhuǎn)換等高干擾環(huán)境中。圖4所示為模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路,ADS8364的每通道的差分輸入V_+IN都需經(jīng)比例運(yùn)算放大器和電平自舉電路將雙極性交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器的最大時(shí)鐘頻率為5MHz,由TMS320F2812的PWM1口提供,ADD和BYTE位設(shè)為低電平,IOPF0控制ADS8364的復(fù)位啟動(dòng),三對(duì)(六通道)采樣保持觸發(fā)信號(hào)來(lái)源于同步倍頻的輸出信號(hào)HOLD,每對(duì)通道轉(zhuǎn)換完畢后由EOC向XINT1發(fā)出外部中斷請(qǐng)求,TMS320F2812響應(yīng)中斷請(qǐng)求后,通過(guò)地址線選通對(duì)應(yīng)通道,將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線讀入。

圖4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路

圖5 同步采樣軟件主程序流程圖(點(diǎn)擊查看大圖)

3 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　本采樣系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,涉及的算法也較多,為了便于調(diào)試和維護(hù),軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化、自頂向下、逐步細(xì)化的編程思想。軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程,主要軟件可劃分為主程序、采樣中斷服務(wù)子程序、頻率捕獲中斷服務(wù)子程序三大模塊。圖5所示是主程序流程圖,軟件的工作過(guò)程是:系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先按照所選定的模式(調(diào)試時(shí)為Jump to H0 SRAM模式,實(shí)際應(yīng)用時(shí)為Jump to Flash模式)自舉加載程序,跳轉(zhuǎn)到主程序入口;然后進(jìn)行相關(guān)變量、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、控制寄存器、狀態(tài)寄存器的初始化;調(diào)用事件管理器EV初始化程序,設(shè)定PWM1的周期(5MHz)、占空比,捕獲單元CAP1時(shí)基T2的輸入時(shí)鐘分頻數(shù)、周期,并啟動(dòng)T1、T2;初始化外設(shè)擴(kuò)展中斷PIE,使能所用到的外部中斷XINT1和捕獲中斷,清中斷標(biāo)志位,開(kāi)全局中斷;而后復(fù)位并初始化外部的ADS8364,等待外部中斷,在中斷服務(wù)子程序中將A/D轉(zhuǎn)換后所得數(shù)據(jù)讀入所分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),待周波采樣完畢后,根據(jù)原通道采樣物理量(交流、直流)調(diào)用不同的數(shù)字濾波程序,對(duì)數(shù)據(jù)處理后,調(diào)用各計(jì)算子程序,計(jì)算所需的有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、平均值。采樣中斷子程序和頻率捕獲中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖6所示,其中頻率捕獲中斷的時(shí)基精度為0.43μs。TMS320F2812為定點(diǎn)DSP,為了提高運(yùn)算的精度和速度,軟件設(shè)計(jì)中充分利用TI 公司提供的IQmath Library 以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算與定點(diǎn)程序代碼的無(wú)縫接口,簡(jiǎn)化了程序的開(kāi)發(fā),并大大提高了程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性^[6]。

(a) A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序流程圖

(b) 頻率捕獲中斷服務(wù)子程序流程圖
圖6

　　本文所設(shè)計(jì)的同步采樣模塊已經(jīng)通過(guò)各種功能測(cè)試,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。該方案的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程對(duì)提高能源、冶金等行業(yè)中多通道電量同步采集的速度和精度有一定的借鑒意義。其中的子程序具有良好的可移植性,對(duì)其它DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。