基于dsp的電力互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于dsp的電力互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0電子式電流東北部的應(yīng)用隨著電氣系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高和傳輸能力的增加，以往的電磁式電流控制器問題變得越來越明顯。例如，體積大、動(dòng)態(tài)范圍小、使用頻率低、鐵磁作用頻率窄、二次蒙太奇、二次蒙太奇等。因此，有必要尋求更理想的新能源堿性伴奏。新型的電子式電流互感器較傳統(tǒng)的電流互感器做了很多改進(jìn)之處,在結(jié)構(gòu)上用光纖把高低壓兩端隔離開來,具有很好的絕緣效果;在硬件上采用洛夫斯基線圈作為傳感頭,14位的AD7894和新型的具有強(qiáng)大的控制功能、高速的數(shù)據(jù)處理能力的DSP2812芯片結(jié)合的軟件設(shè)計(jì)使傳統(tǒng)互感器暴露出來的問題得到了很好的解決。而且電子式電流互感器也適應(yīng)了電力計(jì)量和保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化發(fā)展的潮流。電子式電流互感器主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)的精度主要取決于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。本研究給出一種基于DSPTMS320F2812為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。1模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括信號(hào)調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、光纖傳輸系統(tǒng)3部分。首先通過Rogowski線圈傳感器從電網(wǎng)中感應(yīng)出電流模擬信號(hào),Rogowski線圈是電子式電流互感器最常用的傳感元件,通常采用空芯線圈和LPCT作為電流傳感元件,具有良好的線性度和準(zhǔn)確度。再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)的抗混疊濾波、放大、反相積分等處理,模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)把調(diào)理電路輸出的符合A/D采樣電壓范圍的模擬信號(hào)按A/D變換時(shí)序轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為保證傳輸速度和質(zhì)量,采用光纖進(jìn)行傳輸,光纖兩端分別配備電/光轉(zhuǎn)換器和光/電轉(zhuǎn)換器。低壓端的DSP一方面對(duì)一路光纖傳過來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,另一方面提供時(shí)鐘信號(hào),通過另一路光纖傳輸,并經(jīng)分頻電路分頻后產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)序,從而達(dá)到信號(hào)同步采樣的效果。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1反相積分器t當(dāng)被測(cè)電流i(t)通過Rogowski線圈時(shí),線圈輸出電壓U1(t)和被測(cè)電流i(t)的關(guān)系為:U1(t)=?R1MR+R1di(t)dt(1)U1(t)=-R1ΜR+R1di(t)dt(1)式中R—線圈繞組和引線的總電阻;R1—采樣電阻;M—線圈互感系數(shù)。從式中可以看出輸出電壓與被測(cè)電流成微分關(guān)系,而且由于傳感頭Rogowski線圈的互感系數(shù)低,感應(yīng)出的電壓很小,為防止其經(jīng)過積分器后被衰減掉,因此信號(hào)處理部分需加入放大積分環(huán)節(jié)。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2所示。設(shè)計(jì)中U1(t)和U2(t)之間是放大電路,放大倍數(shù)主要由R3和R4的比值所決定的。U2(t)和U0(t)之間是反相積分電路,考慮到積分漂移問題,所以在理想積分器的基礎(chǔ)上,在積分電容C3兩端并聯(lián)一個(gè)兆歐級(jí)的反饋電阻R8,而且在放大和反相積分之間加了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器,對(duì)于信噪比的改善起到了很大的作用。由圖2可得:U2(t)=R3+R4+R5R4U1(t)(2)U2(t)=R3+R4+R5R4U1(t)(2)?U2(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(3)-U2(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(3)所以:?R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(4)-R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(4)當(dāng)R8?R6時(shí),R6R8≈0R6R8≈0。式(4)則變成:?R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt(5)-R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt(5)即:U0(t)=?R3+R4+R5R4R6C3∫U1(t)dt(6)U0(t)=-R3+R4+R5R4R6C3∫U1(t)dt(6)把式(1)代入到式(5)中,得:U0(t)=?R3+R4+R5R4R6C3×(?R1MR+R1)i(t)=(R3+R4+R5)R1M(R+R1)R4R6C3i(t)(7)U0(t)=-R3+R4+R5R4R6C3×(-R1ΜR+R1)i(t)=(R3+R4+R5)R1Μ(R+R1)R4R6C3i(t)(7)從式(7)中可以看出U0(t)和i(t)是同相位且成比例的。2.2模型數(shù)轉(zhuǎn)換單元2.2.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元主要由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)序控制等部分組成,通過低壓端的DSPTMS320F2812器件來實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)并控制A/D的采樣、轉(zhuǎn)換和校驗(yàn)。根據(jù)電子式電流互感器的精度要求(達(dá)到0.2級(jí))以及設(shè)定的采樣頻率,應(yīng)該選用精度比較高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外,為了保證信號(hào)中的7次以下諧波分量不失真,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度也要求比較快且轉(zhuǎn)換精度受溫度影響小。綜合以上考慮本研究選用AD7894AR-10模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD7894AR-10是一款低功耗、低成本、高性能的快速14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用5V單電源供電,轉(zhuǎn)換時(shí)間為5μs,內(nèi)置1個(gè)逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)片內(nèi)采樣保持放大器、1個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘和1個(gè)高速串行接口?？刂颇?數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有很多,本研究采用由CD4020計(jì)數(shù)/分頻器等組成的分頻電路來控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換的進(jìn)行,CD4020是一款14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器。分頻電路圖如圖3所示。圖3中CD4020的10腳接收連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)CLK,此時(shí)鐘信號(hào)由低壓端DSP中的定時(shí)器產(chǎn)生,CD4020對(duì)其進(jìn)行32分頻,從6腳輸出周期為32倍于CLK的方波信號(hào),該方波信號(hào)反向后同CLK相與,作為AD7894的讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)。同樣CD4020的6腳輸出經(jīng)過電阻電容電路產(chǎn)生短時(shí)脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)施密特觸發(fā)器CD4093,CD4093的輸出可以作為AD7894的轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ。用Multisim軟件對(duì)此分頻電路的功能進(jìn)行仿真得到仿真波形,如圖4所示(其中1為上圖中CD4020的輸入波形,3為上圖中非門74HC04的輸出波形,4為上圖中74HC08輸出的SCLK波形,Term4為上圖中CD4093輸出的CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ波形)。根據(jù)這些輸出波形可以看出,當(dāng)AD7894的CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ引腳接收到Term4的低電平觸發(fā)信號(hào)時(shí)開始轉(zhuǎn)換,經(jīng)過5μs的轉(zhuǎn)換后,跟隨SCLK時(shí)鐘波形讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為16位,包括2個(gè)起始零和14位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),這樣就完成了一次轉(zhuǎn)換。2.2.2dsp的操作目標(biāo)AD7894的采樣時(shí)鐘和使能信號(hào)由DSPTMS320F-2812的通用定時(shí)器產(chǎn)生并經(jīng)分頻電路來提供。DSPTMS320F2812芯片是TI公司的一款高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片,具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能。能在1個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算,時(shí)鐘頻率最高可達(dá)150MHz。帶有3個(gè)定時(shí)器,2個(gè)事件管理器,2路SCI、1路SPI、56個(gè)獨(dú)立配置的通用多功能I/O。由采樣定理可知,A/D的采樣頻率fs應(yīng)大于抗混疊濾波器截止頻率fc的2倍。電力系統(tǒng)信號(hào)頻率為50Hz,每周期采256個(gè)點(diǎn),而AD7894完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間設(shè)定為10μs,所以設(shè)定DSP的通用定時(shí)器每隔68μs發(fā)送一串頻率為3.2MHz的連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)A/D接收到分頻器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換開始信號(hào)即開始轉(zhuǎn)換,當(dāng)采滿256個(gè)點(diǎn)后,DSP進(jìn)入中斷,將AD7894輸出寄存器中的數(shù)字信號(hào)輸入到DSP中。DSP的編程工具采用C語言和匯編語言混合編程的方法,把C語言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語言的高效率有機(jī)結(jié)合起來?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖5所示。2.3光纖繼續(xù)發(fā)揮發(fā)送器和市場(chǎng)等金融體系的作用光纖傳輸系統(tǒng)原理為:一個(gè)LED發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào),并將其耦合進(jìn)入傳輸光纖中,光信號(hào)通過光纖到達(dá)光接收器,它把接收到的光信號(hào)恢復(fù)成原來的電信號(hào)輸出。光纖傳輸系統(tǒng)主要包括E/O轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動(dòng)電路、O/E轉(zhuǎn)換器及接收電路、光纖等。光纖收發(fā)電路圖如圖6所示。E/O轉(zhuǎn)換的光發(fā)送器選用Agilent公司的低功耗LED型發(fā)送器HFBR1414,其外圍驅(qū)動(dòng)電路采用3路與非門74F3037并聯(lián)輸出驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器HFBR1414,以產(chǎn)生足夠大的光功率。O/E轉(zhuǎn)換的光接收器采用Agilent公司的HFBR2412,以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光通信時(shí)HFBR2412后需加一接收電路。接收電路中,在VCC與電源之間接了1個(gè)10Ω的限流電阻和1個(gè)0.1μF的旁路電容以去除噪聲。本研究用光發(fā)送/接收單元傳輸模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的移位時(shí)鐘來測(cè)試光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng),移位時(shí)鐘是頻率為1MHz的方波。從測(cè)得的整個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)的輸入/輸出波形圖中可以得到該光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的輸出延遲時(shí)間約為150ns,符合電子式電流互感器系統(tǒng)所允許的誤差范圍之內(nèi)。3測(cè)量通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果本研究用準(zhǔn)確度為0.01級(jí)的常規(guī)電磁式標(biāo)準(zhǔn)互感器對(duì)上述設(shè)計(jì)的電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)量通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果中數(shù)據(jù)的線性度很好,通過示波器的觀察發(fā)現(xiàn),采樣時(shí)鐘信號(hào)中參雜了很多的高頻干擾信號(hào),A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號(hào)振蕩現(xiàn)