引言
隨著新技術的不斷發展，數字化變電站正在興起。在智能電網規劃的推動下，未來數字化變電站將成為新建變電站的主流。眾所周知，電網信號量極多且相關性很強，這給采集計算和實時監測帶來了很大的麻煩。為了解決這一問題。本文的設計師基于DSP和CPLD搭建的智能IED(Intelligent Electronic Device，智能電力監測裝置)可以同時采集多路信號，并通過FFT算法得到電網運行的關鍵數據。
基于IEC61850的智能變電站的邏輯如圖1所示。IEC61850協議主要定義了變電站的信息分層結構：過程層、站控層和間隔層。本文重點研究智能IED設備，按照IEC61850協議的描述，IED檢測設備位于間隔層和過程層。其中，負責存儲測量數據、進行電網數據分析和診斷的主IED位于間隔層；與現場傳感器直接聯系的測量IED位于過程層；處于站控層的變電站現有計算機系統將存儲長期的歷史數據和診斷結果。
圖1 智能變電站邏輯框圖
1 系統硬件設計
該系統由DSP、CPLD和高速A/D轉換器搭建的算法模塊，多路選擇數據采集模塊和信號濾波模塊組成。負責DSP采集的是目前較為主流的工控DSP，CPLD采用的是Altera公司的EPM3256，A/D轉換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP專注于電網能量質量的計算，而CPLD和高速A/D轉換器構建的電路適用于多路信號的同時采集。
智能IED處理流程如圖2所示。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號。信號前端電路將執行低通濾波功能，濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A/D轉換器采集，通過A/D轉換器+CPLD電路實現，最后通過數據總線送至DSP。完成參數計算后，DSP把數據格式進行統一打包上傳給主控IED，其主要功能是接收檢測IED的數據，并上傳給數據庫。
圖2 智能IED處理流程
1.1 多路選擇開關
本系統采集的對象較多，由于計算功率因數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，本系統只是整個智能變壓器的一個數據采集模塊。所有采集信號在經過處理后還要打包傳遞給上位機。本系統采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數據傳輸到上位機，在上位機打包之后通過TCP/IP傳遞給監控中心。
1.3 數據采集和A/D轉換模塊
智能電網最少也需要采集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換成電壓信號輸入到監測裝置。
本系統要求計算到13次以上的諧波含量，FFT算法采集2個電網周期至少128個點。電網頻率為50Hz，那就意味著要在40ms里采集128個工作點，采集頻率為3200Hz。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。在整個系統中，信號采集單元的轉換精度對整個系統性能的優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，適合電網某一時刻的電壓電流同時采樣；輸入電壓的范圍是±5V，采集一路的時間為3μs，非常適合高速采集的系統。
當MAX125對采樣的8路信號轉換完畢后，其INT引腳產生中斷信號，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉換完畢，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的地址線編程實現通道的選擇，CLK信號用作A/D轉換所需的時鐘，由CPLD的時鐘提供。MA X125的數據總線(D0～D13)、時鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉換開始輸入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。由于本系統需同步采集20路前端信號，而MlAX125為8通道差分輸入A/D轉換芯片，所以本系統需用3片MAX125芯片。
1.4 信號調理電路
220kV或以上的變壓器引出的信號，要經過現場復雜的環境再進入傳感器。從傳感器進入MAX125的信號還要經過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調理電路就成為控制系統中必不可少的一部分。一般來說在差分輸入端將20mA標準電流信號轉換成1～5V的標準電壓信號，經信號調理電路調理后輸入A/D轉換器。其中輸出端電壓高于A/D轉換器的輸入電壓值，在此進行分壓后進行采樣。
電力系統中大量的非線性負載，會使得電網的電能質量大幅降低。從電網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。在數據處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網的頻率。隨后的工作就是讀取來自A/D轉換器的數據，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個數據分別進行FFT運算，運算的結果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數據采集、運算、上傳過程如圖3所示。
圖3 IED數據采集、運算、上傳過程
需要DSP計算的參數是高壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，中壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，各相電壓電流的2～13諧波的幅值和諧波畸變率，以及高中壓三相的功率因素、介損角值。DSP算法要解決的難題是計算出2～13諧波和各相的功率因數。算法的核心是FFT算法。
智能電網最少也需要采集20路信號。首先是DSP的相關功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷。然后通過普通I/O引腳作為觸發信號，依次選擇多路A/D輸入信號，這些信號通過信號調理電路在信號波形穩定后可以經過MAX125被采樣。通過數據總線傳遞給DSP，DSP經過一系列運算后得到功率因素、介損基波諧波含量，并將這些數據按照一定的數據格式打包，通過串口發送到ARM微控制器。AR M再將這些數據傳輸給上位機監控軟件。
具體代碼如下：
2.2 電網參數的計算
DSP接收到A/D轉換的數據之后就立刻進行計算。在本設計中，電網的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點。在電力系統中諧波產生的根本原因是非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據傅里葉分析原理可知，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。
諧波可以區分為偶次與奇次性，一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網電壓/電流分解為50Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。
除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外，系統還有其他參量的計算。由于調用的功能模塊十分復雜，只對部分參數的計算過程進行描述。多數參數都是通過對采集點的離散積分求得的。
高壓A相電壓有效值：
高壓A相電流有效值：
單相電壓/電流諧波畸變率：
中壓A相電流諧波含量：
高壓三相電壓總諧波畸變率：計算出各相電壓的各諧波含量和基波含量，用總諧波含量除以基波分量。
單相電壓功率因數：由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實部)的反正切值。
單相介損：將末屏電流和對應相電壓分別作FFT運算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。
3 總結
該系統應用于智能變壓器系統中，可多個通道同步采集，轉換精度高。經實驗驗證，信號采集模塊的實時性和精度上都取得良好的效果，且工作穩定可靠。該系統采用高速14位并行A/D轉換器，簡化了接口設計，提高了讀取速度以及數據處理速度。通過CPLD實現各種復雜控制信號，通過改變XF引腳的電平，可以將外擴SRAM、Flash映射到數據空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數據采集芯片MAX125實現信號的多路高速同步實時數據采集，抗干擾能力強，并利用FFT算法準確計算出電網諧波因數、功率角、介損角。
作者：陶宇 謝淵 郭文成 天津工業大學 來源：單片機與嵌入式系統應用