35 kV數(shù)字變電站合并單元模擬信號(hào)采集卡研究

彭地卓，徐學(xué)軍，，湯 沁，李 驥

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)物電學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)計(jì)通學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004)

近年來(lái)，為貫徹落實(shí)智能電網(wǎng)“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃，變電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，其智能化建設(shè)得到快速發(fā)展。與110 kV以上高壓變電站智能化程度相比，35 kV變電站的設(shè)備數(shù)字化、系統(tǒng)智能化程度較低。目前在對(duì)35 kV變電站的數(shù)字智能化建設(shè)，主要是通過(guò)對(duì)舊站升級(jí)改造，完成數(shù)字化技術(shù)變電站的高性價(jià)比［1］。

由于原有35 kV變電站沒(méi)有合并單元這一物理器件，而合并單元作為智能變電站過(guò)程層的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不可或缺。合并單元最早是在IEC60044－7/8中提出，合并單元統(tǒng)一同步接收匯總來(lái)自高壓側(cè)互感器的電流、電壓數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)多路電流電壓信號(hào)信息進(jìn)行處理，再按照規(guī)定的幀格式發(fā)送給保護(hù)測(cè)控裝置［2－4］。對(duì)于傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬量電流、電壓信息，合并單元同樣能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和組幀［5］。

合并單元和互感器之間接口規(guī)范目前有3種方案:(1)接收數(shù)字信號(hào)的合并單元，其接收發(fā)送都是數(shù)字信號(hào)的形式，滿足數(shù)字化變電站過(guò)程層測(cè)控和采樣的需求。(2)接收模擬信號(hào)的合并單元，其接收為模擬信號(hào)，是為兼容傳統(tǒng)互感器信號(hào)而設(shè)計(jì)。(3)信號(hào)采集器與合并單元的組合，其首先將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收后再發(fā)送給合并單元。

本文依據(jù)合并單元設(shè)計(jì)要求，結(jié)合35 kV變電站互感器存在的情況。對(duì)合并單元前端數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)計(jì)模擬信號(hào)采集卡對(duì)來(lái)自互感器的模擬信號(hào)采集轉(zhuǎn)換，給出一種具體的實(shí)現(xiàn)方案。

1 模擬信號(hào)采集卡方案

根據(jù)35 kV變電站的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)智能變電站的發(fā)展現(xiàn)狀，35 kV智能化變電站會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于電子式互感器和傳統(tǒng)電磁式互感器共存的階段［6］。這就要求合并單元既能接收電子式互感器的電流電壓信號(hào)，也能接收傳統(tǒng)電磁式互感器的電流電壓信號(hào)。以南瑞繼保PCS－9250－LAV電子式電壓互感器和PCS－9250－LAC－35L電子式電流互感器為例，其信號(hào)輸出類型為模擬小信號(hào)，保護(hù)用電流輸出為225 mV，測(cè)量用電流輸出為4 V，電壓二次輸出為4 V。傳統(tǒng)互感器信號(hào)輸出類型為模擬信號(hào)，其測(cè)量用電流與電壓二次側(cè)輸出分別為5 A和100 V。

對(duì)于低壓電子式互感器，互感器的輸出信號(hào)并不是直接的數(shù)字信號(hào)，所以對(duì)35 kV變電站互感器的數(shù)據(jù)采集，需要設(shè)置兩個(gè)輸入模塊:一是接收傳統(tǒng)互感器的大電流大電壓的模擬信號(hào);二是接收電子式互感器的模擬小信號(hào)。

模擬信號(hào)采集卡原理上分為電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、低通濾波模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊3個(gè)部分［7］。模擬信號(hào)采集卡的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 模擬信號(hào)采集卡的系統(tǒng)框圖

2 模擬信號(hào)采集卡硬件設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)采集卡可根據(jù)工程實(shí)際情況，既可作為合并單元的前置處理部分，也可作為合并單元的數(shù)據(jù)接收部分，其模塊可分為電源模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、低通濾波模塊和A/D采樣模塊。模擬信號(hào)采集卡功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)采集卡功能結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電流電壓轉(zhuǎn)換模塊

電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的功能是將來(lái)自互感器的電流電壓信號(hào)，接收轉(zhuǎn)換成后續(xù)硬件平臺(tái)A/D轉(zhuǎn)換輸入量程范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。如上文所述，傳統(tǒng)電磁式互感器的二次額定輸出信號(hào)為5 A和100 V，電子式電流互感器的二次額定輸出200 mV。這些輸入信號(hào)范圍都不在A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入量程，故需要先將信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D芯片的量程范圍。模擬信號(hào)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換采用6通道AD7606芯片，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為2.5 V，輸入量程范圍可選擇為－10～+10 V。

對(duì)于傳統(tǒng)電磁式互感器，設(shè)計(jì)采用湖北天瑞電子有限公司生產(chǎn)的電流電壓互感器。檢測(cè)用電壓輸出型電流變換器選用 TR0176－6C，在額定輸入電流為100 A時(shí)轉(zhuǎn)換輸出為7.07 V;保護(hù)用電壓變換器選用TR1142－1B，在額定輸入為 100 V時(shí)轉(zhuǎn)換輸出為7.07 V。兩種型號(hào)的二次側(cè)轉(zhuǎn)換電壓均在A/D采樣芯片的輸入量程范圍。

對(duì)于電子式互感器，設(shè)計(jì)采用ADI公司的超精密運(yùn)算放大器OP177。該款芯片具有超低失調(diào)電壓(TA=25℃:25μV(最大值))、出色的失調(diào)電壓漂移(0.3μV/℃(最大值))、精度性能優(yōu)越等特點(diǎn)，符合合并單元精度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口采集卡的要求。由OP177芯片構(gòu)成的放大電路如圖3所示。

圖3 OP177的放大電路

根據(jù)AD7606芯片的輸入量程范圍，結(jié)合式(1)，在此，電阻R1和R2的取值分別為1 kΩ和19 kΩ。其電壓輸入輸出放大倍數(shù)為20倍，將225 mV放大到4.5 V。

2.2 低通濾波電路

互感器所產(chǎn)生的電流電壓模擬信號(hào)頻率低、幅值小，在傳輸?shù)胶喜卧獣r(shí)，易受外界因素的干擾，影響信號(hào)的精確性。故需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，避免干擾。本方案由于采用AD7606轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部提供了一個(gè)二階抗混疊巴特沃斯濾波器，在±5 V范圍內(nèi)，－3 dB帶寬值為15 kHz，圖4為AD7606內(nèi)部濾波器電路圖。

圖3中引腳3和6分別為輸入輸出端口，電阻R1和R2決定運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，即

圖4 AD7606內(nèi)部濾波器

2.3 A/D采集電路

AD7606芯片是ADI公司的一款16位、8/6/4通道的同步采樣的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階混疊濾波器、跟蹤放大器、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。所有通道均能以高達(dá)200 kSPS的吞吐速率采樣。具有95.5 dB SNR。

由于合并單元最多需要同步采集12路的電流電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)方案中選取兩片6通道的AD7606－6芯片，能較好地滿足智能合并單元所需要的分辨率和性能要求。AD7606的引腳配置如圖5所示。

圖5 AD7606－6引腳配置

以下是本方案中AD7606－6引腳設(shè)置幾點(diǎn)說(shuō)明:

(1)CONVST A、B引腳。AD7606－6的6個(gè)轉(zhuǎn)換通道分為兩組 V1、V2、V3和 V4、V5、V6，這兩組通道由CONVST轉(zhuǎn)換控制信號(hào)控制。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)CONVST A時(shí)同步采樣V1、V2和V3通道的模擬信號(hào)，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)CONVST B時(shí)同步采樣V4、V5和V6通道的模擬信號(hào)。當(dāng)CONVST A或CONVST B引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相應(yīng)模擬輸入的前端采樣保持電路被設(shè)置為保持。

(2)RANGE引腳。模擬輸入通道的輸入范圍可由此引腳的極性決定。在前面的放大電路中，電流電壓信號(hào)放大到±4.5 V或7.07 V，故此引腳需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。與邏輯低電平相連，所有通道的模擬輸入范圍為±5 V。與邏輯高電平相連，所有通道的模擬輸入范圍為±10 V。

(3)PAR/SER/BYTE SEL引腳。此引腳為并行/串行/字節(jié)/接口選擇輸入。將此引腳與邏輯低電平相連，選擇并行接口?；ジ衅鬏敵龅臄?shù)據(jù)DB［0∶15］將高速并行發(fā)送給合并單元。

(4)CS和RD/SCLK引腳。CS引腳為片選管腳;RD/SCLK引腳決定數(shù)據(jù)是并行或串行輸入。此方案中，由合并單元數(shù)據(jù)接收器FPGA控制兩個(gè)引腳邏輯低電平，選擇并行輸入模式下，使轉(zhuǎn)換結(jié)果DB［0∶15］輸出在并行數(shù)據(jù)總線上。

3 模擬信號(hào)采集卡結(jié)果

為驗(yàn)證方案的可行性，主要是對(duì)模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，驗(yàn)證是否滿足合并單元的精度要求［8］。

3.1 放大電路驗(yàn)證

放大電路采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)50 Hz、峰值為225 mV的模擬電壓初始信號(hào)。通過(guò)放大電路采用示波器觀察期波形、用萬(wàn)用表測(cè)試其有效值。圖6為放大器電路仿真的對(duì)比結(jié)果圖。

Channel B通道為初始信號(hào)，Channel A通道為放大20倍的信號(hào)，萬(wàn)用表測(cè)試的有效值為3.182 V。由圖可發(fā)現(xiàn)放大信號(hào)與初始信號(hào)波形保持一致未失真。

圖6 放大器仿真對(duì)比圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路驗(yàn)證

A/D轉(zhuǎn)換電路是在QuartusⅡ9.0環(huán)境下調(diào)試與驗(yàn)證的。由合并單元控制器FPGA同步接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。AD7606的讀操作模式為相連的并行模式。圖7為正電壓并行模式時(shí)序波形圖，圖8為負(fù)電壓并行模式時(shí)時(shí)序波形圖。

圖7 正電壓并行模式時(shí)序波形圖

圖8 負(fù)電壓并行模式時(shí)序波形圖

由圖7和圖8可知，在電子式互感器輸出的電壓信號(hào)放大到正負(fù)滿量程4.5 V時(shí)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其誤差均值分別為0.89%和1.02%，滿足合并單元電壓精度0.2等級(jí)。

表1 精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)合并單元的前端數(shù)據(jù)處理部分，以模塊化思路研究實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，其工作穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換速率快、輸出精度高，滿足合并單元數(shù)據(jù)采集的要求。同時(shí)，該采集卡既可作為合并單元的一部分，也可作為傳統(tǒng)變電站就地?cái)?shù)字化裝置。模擬信號(hào)采集卡可以靈活應(yīng)對(duì)35 kV變電站數(shù)字化的改造。

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