DSP與CPLD的智能變電站電網(wǎng)IED設計

1．1 多路選擇開關
本系統(tǒng)采集的對象較多，由于計算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時采集三相電壓對應的三相電流值和三相末屏電流值。MAX125是雙通道8路采集，每一路可以采集4路信號，在本系統(tǒng)中將用到其中3路，另一路信號可以被閑置。
1．2 與上位機通信接口
實際上，本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號在經(jīng)過處理后還要打包傳遞給上位機。本系統(tǒng)采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，在上位機打包之后通過TCP／IP傳遞給監(jiān)控中心。
1．3 數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換模塊
智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點電流。這些信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置。
本系統(tǒng)要求計算到13次以上的諧波含量，F(xiàn)FT算法采集2個電網(wǎng)周期至少128個點。電網(wǎng)頻率為50 Hz，那就意味著要在40 ms里采集128個工作點，采集頻率為3200 Hz。為了保證采集的點集中在兩個完整的周期里，需要利用DSP定時中斷采集工作點。在整個系統(tǒng)中，信號采集單元的轉(zhuǎn)換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關重要的作用。MAX125自帶采樣保持器，通道同時采樣，采樣精度14位，適合電網(wǎng)某一時刻的電壓電流同時采樣；輸入電壓的范圍是±5 V，采集一路的時間為3μs，非常適合高速采集的系統(tǒng)。
當MAX125對采樣的8路信號轉(zhuǎn)換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉(zhuǎn)換完畢，DSP可以通過響應中斷對采樣信號進行讀取與處理。MAX125通過對A0～A3的地址線編程實現(xiàn)通道的選擇，CLK信號用作A／D轉(zhuǎn)換所需的時鐘，由CPLD的時鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線(D0～D13)、時鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉(zhuǎn)換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應功能I／O引腳相連。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號，而MlAX125為8通道差分輸入A／D轉(zhuǎn)換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。
1．4 信號調(diào)理電路
220 kV或以上的變壓器引出的信號，要經(jīng)過現(xiàn)場復雜的環(huán)境再進入傳感器。從傳感器進入MAX125的信號還要經(jīng)過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調(diào)理電路就成為控制系統(tǒng)中必不可少的一部分。一般來說在差分輸入端將20 mA標準電流信號轉(zhuǎn)換成1～5 V的標準電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入A／D轉(zhuǎn)換器。其中輸出端電壓高于A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值，在此進行分壓后進行采樣。
電力系統(tǒng)中大量的非線性負載，會使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運算精度。本系統(tǒng)中對信號的處理采用的是低通濾波器。低通濾波模塊一般是用電路元件(如電阻、電容、電感)來構成所需要的頻率特性電路。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 軟件流程
首先是DSP相應功能的初始化，包括串口、定時中斷、部分用作控制線的I／O口。在數(shù)據(jù)處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率。隨后的工作就是讀取來自A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個分別對應兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數(shù)據(jù)分別進行FFT運算，運算的結(jié)果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程如圖3所示。