基于ads8325的混合式光電電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于ads8325的混合式光電電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0電子式電流溶液工作原理電力傳感器是重要的電氣系統(tǒng)控制、保護(hù)和測(cè)量設(shè)備。它的精度和可靠性對(duì)電氣系統(tǒng)的安全、可靠性和穩(wěn)定性有重要影響。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)電流互感器提出了更高的要求。而常規(guī)的電磁式電流互感器在運(yùn)行中暴露出的一系列嚴(yán)重缺點(diǎn),難以滿足數(shù)字化電站要求。因此,新型的電子式電流互感器取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器成為發(fā)展的必然趨勢(shì),而且國際電工委員會(huì)頒布了IEC電子式電流互感器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)將電子式電流互感器分為兩種:無源光學(xué)電子式電流互感器(OCT)和有源混合式光學(xué)電子式電流互感器(HOCT)。OCT主要基于法拉第磁光效應(yīng),其準(zhǔn)確度容易受環(huán)境溫度影響,性能不穩(wěn)定。HOCT采用低功率電磁式電流傳感器(LPCT)或空心線圈取樣母線電流,以光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì),把高壓側(cè)變換的光信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)進(jìn)行信號(hào)處理,是電子式互感器的重要發(fā)展方向。HOCT準(zhǔn)確度和性能主要受高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用16位微功耗高速ADS8325作為A/D轉(zhuǎn)換器,采用零功耗、低成本、高性能的EPM240Z芯片作控制器件,設(shè)計(jì)了低功耗的光纖收發(fā)單元驅(qū)動(dòng)電路,保證了數(shù)據(jù)采集單元的精確性、實(shí)時(shí)性和低功耗。1電流傳感元件HOCT一次側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理如圖1所示,主要包括傳感器,調(diào)理電路,數(shù)字變換單元(圖1虛線框內(nèi)),光纖傳輸單元等。其中,數(shù)字變換單元是把由調(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)并得到帶有CRC校驗(yàn)位的數(shù)字輸出。由圖1可知,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測(cè)量通道和保護(hù)通道組成。通常HOCT采用空芯線圈和LPCT作為電流傳感元件。空芯線圈采用非磁性材料作為骨架,具有測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬、不飽和等優(yōu)點(diǎn),但其測(cè)量精度易受環(huán)境溫度及外界磁場(chǎng)等因素的影響;LPCT具有輸出靈敏度高、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但它在一定的大電流下易發(fā)生飽和。因此,HOCT根據(jù)空芯線圈傳感器和LPCT的各自特點(diǎn),采用空芯線圈作為保護(hù)通道傳感元件,LPCT作為測(cè)量通道傳感元件,保證HOCT同時(shí)滿足測(cè)量和保護(hù)準(zhǔn)確度的要求。從高壓母線取得的信號(hào)經(jīng)積分器、低通濾波器等調(diào)理電路后由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)光發(fā)射模塊通過光纖將光信號(hào)串行傳輸?shù)降碗娢粋?cè),低電位側(cè)將接收到的光信號(hào)通過O/E變換后進(jìn)行信號(hào)處理,得到被測(cè)電流信息。其中,調(diào)理電路主要包括積分、放大、濾波等電路,用于對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,以滿足ADC對(duì)輸入信號(hào)的要求;數(shù)據(jù)變換單元主要由ADC、時(shí)序控制等部分組成,通過CPLD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)等;光纖收發(fā)單元主要包括O/E和E/O轉(zhuǎn)換單元,來實(shí)現(xiàn)光電和電光的轉(zhuǎn)換。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1數(shù)據(jù)交換單元的設(shè)計(jì)2.1.1a/d采樣控制ADC選用TI公司的ADS8325,具有微功耗、高采樣速率、高分辨率、低轉(zhuǎn)換時(shí)間、串行轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)。ADC是數(shù)字采集系統(tǒng)的核心部分。利用EPM240Z控制ADS8325的流程如圖2所示。本設(shè)計(jì)利用EPM240Z控制兩路ADS8325同時(shí)采樣分時(shí)轉(zhuǎn)換,初始時(shí)系統(tǒng)使能信號(hào)(enable)無效,ADS8325的片選CS=1,無DCLOCK時(shí)鐘產(chǎn)生,兩路ADS8325都不工作。當(dāng)接收到由低壓側(cè)發(fā)送的同步數(shù)據(jù)采集信號(hào)后,系統(tǒng)使能有效,兩路ADS8325的CS=0,產(chǎn)生DCLOCK時(shí)鐘,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),兩路A/D同時(shí)進(jìn)入采樣狀態(tài),在第5個(gè)DCLOCK時(shí)鐘的下降沿后,第1路A/D進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài),同時(shí)關(guān)閉第2路A/D的采樣時(shí)鐘,使第2路A/D的采樣數(shù)據(jù)暫存在ADS8325的內(nèi)部電容陣列中,第1路A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字位流采用先輸出一個(gè)低電平的起始位,最高位先送出,其余位從高到低逐一送出的方式。在隨后的16個(gè)時(shí)鐘周期里輸出,轉(zhuǎn)換結(jié)束后置CS1為高電平。在第1路A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生第2路A/D的采樣時(shí)鐘使第2路A/D進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài),轉(zhuǎn)換結(jié)果跟在第1路A/D的數(shù)字流后面依次串行輸出,轉(zhuǎn)換結(jié)束后置CS2為高電平,一個(gè)周期采樣結(jié)束。采用VerilogHDL語言設(shè)計(jì)A/D采樣控制器的上層圖和在QuartusII中的仿真波形分別如圖3、4所示。din1和din2為A/D輸入信號(hào),CS1,CS2分別為測(cè)量和保護(hù)通道的ADS8325的片選信號(hào),dclock為保護(hù)通道的控制時(shí)鐘,dout為兩個(gè)通道串行輸出。2.1.2crc校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法CRC是一種常用的校驗(yàn)方式。它是對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行檢校,對(duì)隨機(jī)或突發(fā)出錯(cuò)造成的幀破壞有很好的檢校效果。實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)的方法比較多,如查表法、長(zhǎng)除算法等。查表法需存儲(chǔ)長(zhǎng)度較大的余數(shù)表,若用CPLD實(shí)現(xiàn),會(huì)消耗其內(nèi)部大量資源,且延時(shí)較大;長(zhǎng)除算法可表示成由一些異或門和移位寄存器組成的除法電路,利用CPLD可方便地實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中采用的CRC校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式為crc-6=x6+x5+x2+1。2.2光發(fā)送器外圍驅(qū)動(dòng)電路HOCT中一、二次部件通常由電磁或電子元件構(gòu)成,之所以稱為“光電”互感器,主要是兩部件之間的信號(hào)傳輸通過光纖完成,因此,E/O轉(zhuǎn)換和O/E轉(zhuǎn)換是有源式光電互感器的重要組成部分。E/O轉(zhuǎn)換的光發(fā)送器選用Agilent公司的低功耗LED型光發(fā)送器HFBR-1414。圖5所示為HFBR-1414光發(fā)送器外圍驅(qū)動(dòng)電路。其中,74LVC1G07為漏極開路輸出的單緩沖器,使用3.3V電源時(shí),可提供最大24mA的漏極電流。LED與漏極相連,并通過可調(diào)電阻上拉至3.3V電源。調(diào)節(jié)電阻的值可改變其驅(qū)動(dòng)電流,以便在保證脈沖沿陡度的同時(shí),使驅(qū)動(dòng)電流最小,降低功耗。因使用了LVC系列器件,電路可接收5VCMOS或TTL電平信號(hào),且電路具有“反相”作用,即當(dāng)輸入為高電平時(shí),器件不發(fā)光;輸入為低電平時(shí),器件發(fā)光。該特性是針對(duì)ADS8325的輸出信號(hào)dout設(shè)計(jì)的,以保證在大部分工作時(shí)間內(nèi),器件處于不發(fā)光狀態(tài),降低電路功耗。O/E轉(zhuǎn)換的光接收器采用Agilent公司的HFBR-2412,其內(nèi)部包含一個(gè)PIN光二極管和直流放大器,并驅(qū)動(dòng)集電極開路的肖特基晶體管作為輸出,該結(jié)構(gòu)可以使出信號(hào)適合多種邏輯電平,其外圍電路如圖6所示。3測(cè)量通道和保護(hù)通道的測(cè)量采用準(zhǔn)確度為0.01級(jí)的常規(guī)電磁式標(biāo)準(zhǔn)CT對(duì)上述設(shè)計(jì)的HOCT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試,母線額定一次電流為1kA,額定二次電壓測(cè)量通道為2V,保護(hù)通道為150mV。測(cè)量通道和保護(hù)通道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)方案的A/D采樣抗干擾性好,測(cè)量準(zhǔn)確度高,測(cè)量精度符合IEC60044-8的0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn);CRC校驗(yàn)碼生成模塊可準(zhǔn)確及時(shí)地將A/D采樣得到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為帶有6位CRC校驗(yàn)碼A/D串行輸出。4a/d轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是HOCT的基礎(chǔ),其性能的改善有助于互感器整體性能的提高。本文設(shè)計(jì)的