基于dsp的多通道電流互感器的設(shè)計(jì)

基于dsp的多通道電流互感器的設(shè)計(jì)

1光電式電流傳感技術(shù)電力交換（ct）是一項(xiàng)重要的電氣系統(tǒng)能的測(cè)量和電氣保護(hù)。傳統(tǒng)的電流互感器均使用電磁式電流互感器。隨著電力系統(tǒng)傳輸容量的增長(zhǎng)和電網(wǎng)電壓的提高,傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器已經(jīng)不能適應(yīng),如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸大,造價(jià)高,設(shè)備安裝、檢修不方便,磁飽和,鐵磁諧振,動(dòng)態(tài)范圍小,頻帶窄以及介質(zhì)油易燃易爆等。微電子技術(shù)和光學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展,使光纖通信技術(shù)和微電子技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大電流測(cè)量已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。光電式電流互感器(OptoElectronicCurrentTransformer,OECT)是一種新型的電流互感器。它集光信號(hào)的抗干擾性強(qiáng)、電信號(hào)易于處理等特點(diǎn),具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它的抗電磁干擾性、絕緣的可靠性、寬動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍以及高速響應(yīng)等特點(diǎn)是傳統(tǒng)CT無可比擬的。近年來,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)已被應(yīng)用于某些電力系統(tǒng)產(chǎn)品,并充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)德儀(TexasInstruments)公司所推出的TMS320C32是一種32位浮點(diǎn)型的DSP。它具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力,其處理能力可達(dá)60MFLOPS(60M浮點(diǎn)型指令每秒)和30MIPS(30M指令每秒)。本文將TMS320C32用于光電式電流互感器研制,充分利用了DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力,采用先進(jìn)的軟件編程技術(shù),成功地開發(fā)了一種以DSP為核心的光電式電流互感器。它集測(cè)量、保護(hù)等多種功能于一體,對(duì)進(jìn)一步提高電網(wǎng)的自動(dòng)化水平、提高供電的安全性和可靠性、增加電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益都將具有重要意義。2高端采樣電路設(shè)計(jì)光電式電流互感器(OECT)的工作原理如圖1所示。高壓側(cè)部分包括電源和采樣2大部分。電源部分通過電源互感器從電流母線上感應(yīng)出能量,供給高端采樣電路所需的能量。而采樣部分則將電流互感器和電阻分壓器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),高端采用儀用鐵芯線圈和羅柯夫斯基線圈對(duì)電流進(jìn)行分段采樣,用電阻分壓器獲取適當(dāng)?shù)碾妷?然后進(jìn)行采樣并將采樣來的電流、電壓信號(hào)經(jīng)電—光轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后通過光纖傳輸?shù)降投?低端利用光—電變換器又將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),由微處理器進(jìn)行處理。光纖在這里既起到高、低端的聯(lián)系作用又起到高、低端的電磁隔離作用。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1a/d轉(zhuǎn)換芯片光電式電流互感器(OECT)的高端系統(tǒng)把電網(wǎng)母線的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,通過光纖傳送至低端系統(tǒng)。高端系統(tǒng)包括電流采樣互感器及電路、電阻分壓器、電源互感器及電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片、主控CPU、電磁屏蔽機(jī)箱。如圖2所示,電流信號(hào)通過準(zhǔn)確度較高的電磁式電流互感器獲取;A/D芯片采用轉(zhuǎn)換精度為12位的高速A/DMAX197;主控CPU采用INTEL公司的87C51單片機(jī);電網(wǎng)母線提供高端系統(tǒng)電路的電源。由于整個(gè)OECT高壓側(cè)的電位和電流母線是等電位的,即高壓側(cè)電路和電流母線之間不存在絕緣問題,所以高端的電流互感器可以采用技術(shù)上已很成熟的鐵芯線圈將母線大電流轉(zhuǎn)化為小電流信號(hào),再配以高準(zhǔn)確度的采樣方法,即可以使電流測(cè)量達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。3.2光發(fā)送器和光閱讀器在OECT中,光纖傳輸系統(tǒng)具有2個(gè)重要作用,一是作為高低電壓之間的電絕緣介質(zhì),二是實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)向低壓側(cè)的高速傳送。由于光纖具有良好的絕緣性能,所以使用光纖作為高、低端之間的數(shù)據(jù)通道可以節(jié)省龐大的絕緣設(shè)施。電壓等級(jí)越高,這種優(yōu)越性越突出。本文電路中光發(fā)送器和光接收器分別采用了美國(guó)Honeywell公司的HFE4226LED和HFD3878集成光接收器。它們均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,工作溫度范圍為-40~100℃,提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ST接口。3.3密度光纖傳輸單元低壓側(cè)系統(tǒng)是光電式電流互感器的核心。它實(shí)現(xiàn)與高壓側(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理單元的核心是TMS320C32。從光纖傳輸部分接收高端傳遞下來的電流、電壓采樣值,然后進(jìn)行電流、電壓、功率等物理量計(jì)算。使用高性能的微處理器和有效的算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性,并提供與繼電保護(hù)和遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的通信接口。低壓側(cè)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。(1)dsp模塊設(shè)計(jì)TMS320C32系TI公司推出的32位浮點(diǎn)型DSP。它在TMS320C30和TMS320C31的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)。TMS320C32在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)包括可變寬度的存儲(chǔ)器接口、更快速的指令周期時(shí)間、可設(shè)置優(yōu)先級(jí)的雙通道DMA處理器、靈活的引導(dǎo)程序裝入方式、可重新定位的中斷矢量表以及可選的邊緣/電平觸發(fā)中斷方式等。特別是其增強(qiáng)的外部存儲(chǔ)器接口,使得對(duì)外部數(shù)據(jù)的操作更加方便,設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器接口電路也更為靈活,因此在許多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。它的基本原理框圖如圖4所示。C32的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)是分開的程序總線(PADDR和PDATA),數(shù)據(jù)總線(DADDR1,DADD2和DDATA)和DMA總線(DMAADDR和DMADA-TA),使程序的提取、數(shù)據(jù)存取和DMA存取可以并行地進(jìn)行。這些總線連接所有C32的實(shí)在空間。24位的數(shù)據(jù)地址總線(DADDR1和DADDR2)和32位數(shù)據(jù)總線(DDATA),每一機(jī)器周期中支持2次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存取,DDATA總線通過CPU1和CPU2總線將數(shù)據(jù)送到CPU。CPU1和CPU2總線在每一機(jī)器周期內(nèi),可送2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)到乘法器、運(yùn)算器(ALU)和寄存器組。在CPU內(nèi)部還有寄存器總線REG1和REG2,它們?cè)诿恳粰C(jī)器周期內(nèi)可從寄存器組運(yùn)送2個(gè)數(shù)據(jù)值到乘法器。DMA控制寄存器有24位地址總線(DMAADDR)和32位數(shù)據(jù)總線(DMADATA)支持。這些總線使DMA能與數(shù)據(jù)和程序總線并行地執(zhí)行存儲(chǔ)器存取。C32的多端口寄存器組具有28個(gè)寄存器。該寄存器組與CPU緊耦合,所有這些寄存器可被乘法器和ALU操作,并可被用作通用寄存器。各個(gè)寄存器還具有特殊的功能。一64×32的指令高速緩沖存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)經(jīng)常重復(fù)的碼段,從而可減少片外存取次數(shù)。2個(gè)片內(nèi)單周期雙獲取的256×32的SRAM、32位桶形移位器、32位加法器及ALU,使得DSP完成1次乘/加操作只需40ns。流水線操作和并行I/O、DMA、CPU操作是DSP的2大特點(diǎn)。C32流水線控制為CPU極高的執(zhí)行速度創(chuàng)造了條件,使得DSP的單周期指令執(zhí)行時(shí)間達(dá)到33.3ns,即處理能力達(dá)到60MFLOPS和30MIPS。為充分發(fā)揮DSP數(shù)據(jù)處理能力,彌補(bǔ)控制能力的不足,本文方案采中用了以C32為主CPU,用單片機(jī)P89C54實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示、用戶鍵盤輸入控制、高壓側(cè)采樣數(shù)據(jù)的接收以及對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈的顯示等的低速控制,由控制功能強(qiáng)大的可編程邏輯芯片(CPLD)實(shí)現(xiàn)開入/開出及控制功能,并配置了集成度高的SRAM存儲(chǔ)器。TMS320C32的運(yùn)行程序,需要外加器件幫助DSP過程中存儲(chǔ)程序。在系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先要將程序代碼加載到DSP的片內(nèi)RAM中再執(zhí)行。本系統(tǒng)選擇用一片32k×8bit的EPROM,采用8位并行EPROM的程序加載方法給DSP加載程序。(2)dsp和分路顯示DSP作為高速的運(yùn)算處理器不適用于低速的控制。本系統(tǒng)選用單片機(jī)來完成液晶顯示、用戶鍵盤輸入控制、高壓側(cè)采樣數(shù)據(jù)的接收以及對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈的顯示等工作,因此同時(shí)也需要DSP和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。通過共享片外隨機(jī)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)DSP和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)通信,DSP既可以從共享存儲(chǔ)器讀取采樣數(shù)據(jù),也可以把處理結(jié)果寫到共享片外隨機(jī)存儲(chǔ)器中供單片機(jī)讀取。TMS320C32有2根通用的I/O引腳XFO和CF1。由于共享存儲(chǔ)器接口電路需要4根控制線來進(jìn)行DSP與MCU間的握手通信,因此把串口的2個(gè)引腳FSR0和FSX0設(shè)置為通用的I/O引腳用作控制線。4片容量為512k×8bit高速RAM(芯片型號(hào)為CY7C1049-17VC),組成寬度為32位的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù),將DSP從共享存儲(chǔ)器讀取的采樣數(shù)據(jù)暫存到這4片RAM中。(3)準(zhǔn)同步算法的應(yīng)用OECT應(yīng)用于電網(wǎng)的實(shí)際電磁測(cè)量時(shí),由于電網(wǎng)的頻率不一定總是穩(wěn)定在50Hz,在采樣中或多或少會(huì)存在同步誤差,因而采樣間隔不一定恰好等于信號(hào)周期的整數(shù)倍。如果要實(shí)現(xiàn)精確的電磁測(cè)量,同步采樣誤差必將成為進(jìn)一步提高同步采樣測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度的一個(gè)障礙。為了減少同步誤差,提高OECT的準(zhǔn)確度,可采用軟件做補(bǔ)償。這種軟件算法就是準(zhǔn)同步的測(cè)量方法。理論分析和實(shí)際應(yīng)用表明:運(yùn)用準(zhǔn)同步算法,在電網(wǎng)的頻率和50Hz通常偏差小于0.5%的情況下,能夠有效地減少因?yàn)椴荒芡讲蓸佣鴰淼恼`差。因此本文采用了準(zhǔn)同步算法以解決非同步采樣的問題。4測(cè)試及干擾運(yùn)行過程本文所研制的OECT先后在清華大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了光纖的耐壓試驗(yàn)、在10kV與110kV電壓等級(jí)下的進(jìn)行測(cè)試以及OECT在10kV電壓等級(jí)下的抗干擾運(yùn)行試驗(yàn),并在山東進(jìn)行了10kV和110kV電壓等級(jí)的掛網(wǎng)試運(yùn)行,精確度優(yōu)于±0.5%。試驗(yàn)表明,OECT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、抗干擾性能好、測(cè)量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),系統(tǒng)成本不會(huì)隨著電壓等級(jí)的提高而增加,可應(yīng)用于測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)等