高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊玉坤，楊明玉

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

數(shù)據(jù)采集是電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置中最基本的功能，電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的保護(hù)功能能否準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)，在很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集是否具有實(shí)時(shí)性和精確性[1]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，繼電保護(hù)裝置數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)日益明顯，各種保護(hù)新原理的不斷提出，對(duì)電網(wǎng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、快速性要求越來越高。電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的性能也不斷提升，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)的新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)尤為重要。下面就選取一個(gè)內(nèi)部集成了采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一款高性能的DSP設(shè)計(jì)的高壓線路新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 數(shù)據(jù)采集方式及核心模塊選擇

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由交流信號(hào)濾波模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP控制模塊4部分組成，其核心部分是A/D轉(zhuǎn)換模塊和DSP控制模塊。A/D轉(zhuǎn)換器在DSP的指令下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，DSP控制A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在接到轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷響應(yīng)后，將數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行計(jì)算處理。

1.1 數(shù)據(jù)同步采集方式的選擇

通常多數(shù)多路信號(hào)采集系統(tǒng)采用共用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式，這種方式是分別將各路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)變換、低通濾波、采樣保持，再通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。在這種方式下，要做到數(shù)據(jù)的同步采集必須同時(shí)對(duì)多個(gè)采樣保持器進(jìn)行控制。這種方式會(huì)增加電路的復(fù)雜性，降低可靠性，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器也提出了更高的要求。同時(shí)，由于多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的使用，帶來了一系列的問題，如開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響、通道切換過程中尖峰電壓的處理、輸入信號(hào)電壓擺幅、高頻采樣時(shí)噪聲的抑制等[2]。還有的多路信號(hào)采集系統(tǒng)各路分別設(shè)置各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這將會(huì)使外圍電路龐大，接口復(fù)雜，電磁干擾大。新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部集成了采樣保持器與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，不需附加電路，就可以保證各通道數(shù)據(jù)采集的同步性。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇

就微機(jī)保護(hù)而言，在選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，首先要考慮2個(gè)指標(biāo)：一是分辨率，二是轉(zhuǎn)換時(shí)間。模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量的辨別能力稱為分辨率，通常用二進(jìn)制數(shù)字量的位數(shù)來表示。它決定了量化誤差的大小，反映了轉(zhuǎn)換的精度，對(duì)繼電保護(hù)十分重要。微機(jī)保護(hù)一般采用12、14和16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，理論和實(shí)踐指出，采用12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合數(shù)字濾波器可以做到200倍的精確工作范圍，當(dāng)采用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍更容易滿足微機(jī)保護(hù)的測(cè)量要求[3]。微機(jī)保護(hù)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間有一定要求，一般應(yīng)小于25 μs[4]。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說短的轉(zhuǎn)換時(shí)間是非常有利的，它可以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，把更多的時(shí)間留給后續(xù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

經(jīng)過多方面的考慮與權(quán)衡，最終選擇ADS8364作為新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8364是TI公司的一款6通道16位分辨率且具有同步采樣功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要特性有[5]。

a. 帶有80 dB共模抑制的6路全差分輸入通道，每個(gè)通道都有獨(dú)立的16位ADC和采樣保持器，確保無誤差的14位轉(zhuǎn)換精度，可實(shí)現(xiàn)所有通道在高噪聲環(huán)境下的同步、并行的采樣與轉(zhuǎn)換。

b. 采用外部時(shí)鐘輸入，最大為5 MHz時(shí)，4 μs內(nèi)可完成所有通道的轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)最大采樣速率250 ks/s，即0.8 μs的采樣時(shí)間和3.2 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，整個(gè)過程在20個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。

c. 靈活的高速并行16位數(shù)據(jù)接口，可以在直接尋址、循環(huán)采樣、FIFO等模式下運(yùn)行，每個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)都可直接作為一個(gè)16 bit的字符。

d. 模擬與數(shù)字邏輯電源均采用單+5 V電壓供電，而數(shù)字接口緩沖電源采用3～5 V電壓供電，可靈活地與TI的各種電壓類型的DSP器件進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。

e. 功耗僅為450 mW。

1.3 DSP的選擇

TI公司的高性能32位定點(diǎn)DSP(TMS320F2812)的最高頻率可達(dá)150 MHz，指令周期為6.67 ns，片內(nèi)有36 KB的RAM，256 KB的高速Flash，事件管理EVA和EVB，包括通用時(shí)鐘、PWM信號(hào)發(fā)生器等?？蓮V泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制、電力轉(zhuǎn)換以及通信設(shè)備、數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

微機(jī)保護(hù)模擬量的設(shè)置應(yīng)以保護(hù)功能為基本準(zhǔn)則，輸入的模擬量與計(jì)算方法結(jié)合后，應(yīng)能夠反應(yīng)被保護(hù)對(duì)象的所有故障特征[3]。新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要具備全線速動(dòng)保護(hù)(如高頻保護(hù)或光纖電流縱差動(dòng)保護(hù))、距離保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能。所以模擬量應(yīng)設(shè)置為Iu、Iv、Iw、3I0、Uu、Uv、Uw、3U0、Ux(為斷路器的另一側(cè)電壓，用于實(shí)現(xiàn)重合閘功能)共9個(gè)模擬量。

ADS8364輸入的模擬信號(hào)是雙極性全差分信號(hào)，輸入動(dòng)態(tài)范圍是0～5 V，對(duì)于不符合這個(gè)輸入范圍的信號(hào)，需要增設(shè)相應(yīng)電路進(jìn)行幅度調(diào)整。參考ADS8364使用手冊(cè)，使用ADS8364內(nèi)部提供的+2.5 V參考電壓，采用如圖1所示的電路，可以使各模擬量輸入端接收±5 V的雙極性電壓信號(hào)。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓幅度調(diào)理電路

每路模擬量輸入信號(hào)需3個(gè)運(yùn)算放大器，當(dāng)采用OPA4227(內(nèi)集成4個(gè)運(yùn)算放大器)時(shí)，共需7片即可滿足9路模擬信號(hào)的電壓幅度調(diào)整。其中，A1用來提高輸入阻抗，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力；A2實(shí)現(xiàn)電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換；A3是跟隨電路，用來提供2.5 V的參考電壓。電路中的電阻器影響著輸入信號(hào)的變換精度，因此必須采用溫漂較小精密電阻。

每路模擬量輸入信號(hào)經(jīng)電流/電壓變換器，通過低通濾波器即可與圖1所示的電路相連接。電壓變換器采用100 V/3.53 V的變比(二次側(cè)額定電壓為57.5 V時(shí))；電流變換器采用100 A/3.53 V的變比(二次側(cè)額定電流為5 A時(shí))。每一路模擬量輸入信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路見圖2。

圖2 每一路模擬量輸入信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路

新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于反映工頻信號(hào)的高壓線路保護(hù)，可采用無源二階濾波器，將高頻分量濾掉。此濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，過渡過程較短，能耐受較大的過載和浪涌沖擊，對(duì)保護(hù)的快速動(dòng)作十分有利。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其接口電路

圖3為模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其接口電路圖。將每片A/D的HOLDA、HOLDB、HOLDC引腳接至DSP的通用定時(shí)器信號(hào)T1PWM實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣；地址線A1、A2全置高，A0置低，設(shè)置為“循環(huán)采樣”模式；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，將2片A/D的EOC引腳經(jīng)或非門接至DSP的外部中斷引腳XINT1，由此來觸發(fā)中斷使DSP即時(shí)讀取各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果；REFOUT為內(nèi)部提供的+2.5V參考電壓，REFIN為引入外部參考電壓時(shí)的引腳，將REFOUT與REFIN直接相連，用內(nèi)部基準(zhǔn)作為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)源；將BYTE和ADD引腳置低，即設(shè)定總線寬度為16位，不包含通道信息(“循環(huán)采樣”模式按CHA0到CHC1的順序讀數(shù)據(jù))；CLK時(shí)鐘輸入信號(hào)接至DSP的信號(hào)發(fā)生器PWM1。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其接口電路

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程

a. 采樣保持。DSP的通用定時(shí)器信號(hào)T1PWM在采樣時(shí)，將2片A/D的HOLDA、HOLDB、HOLDC保持至少20 ns的低電平后，9路模擬量的采樣保持完成，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

b. 模數(shù)轉(zhuǎn)換。2片A/D共12個(gè)通道同步、并行地將采樣保持的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間后轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入各自的輸出寄存器。

c. 觸發(fā)中斷。當(dāng)A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入輸出寄存器后，EOC引腳將輸出低電平信號(hào)作為轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志。當(dāng)2片A/D均轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP的外部中斷引腳XINT1被置高電平，從而觸發(fā)中斷服務(wù)程序。

d. 中斷讀數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序(如圖4所示)首先將第1片A/D的CS引腳置低電平以將其選中，再將它的RD引腳多次置低電平，每置低一次，讀出1個(gè)通道的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。當(dāng)所有通道的數(shù)據(jù)讀取完畢后，將該片A/D的CS引腳置高電平，第2片A/D的CS引腳置低電平，以將第2片A/D選中。讀取第2片A/D數(shù)據(jù)的過程同上。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，向RESET引腳發(fā)出低電平脈沖，將A/D復(fù)位。

圖4 中斷服務(wù)程序

e. 數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)讀取完成后，DSP馬上進(jìn)入數(shù)據(jù)的處理過程。下一個(gè)采樣時(shí)重復(fù)上述過程。

4 結(jié)束語

選用ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP(TMS320F2812)芯片，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)換器ADS8364，保證了各通道數(shù)據(jù)采集的同步性，簡化了外圍電路，降低了電磁干擾，減小了系統(tǒng)軟件的開銷。系統(tǒng)對(duì)模擬量的采樣具有較高的分辨率和轉(zhuǎn)換速率，可以保證無誤差的14位轉(zhuǎn)換精度和4 μs的高速轉(zhuǎn)換時(shí)間，滿足了保護(hù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和快速性的需要。

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