繼電保護(hù)中多路模擬量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁小波

(蘭州交通大學(xué) 電信學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

繼電保護(hù)中多路模擬量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁小波

(蘭州交通大學(xué) 電信學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

介紹了一種基于高性能浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C32、CPLD芯片XC95288和A/D采樣芯片AD976組成的多路采集系統(tǒng)的工作原理以及設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)第一路施加特殊的電壓量,在CCS開發(fā)環(huán)境下讀取采樣緩沖區(qū)的值,并利用Matlab對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了全波傅氏變換。此外,該系統(tǒng)已在繼電保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用,實(shí)踐表明,該系統(tǒng)能較好地解決多路模擬量的采集,并確保了采樣數(shù)據(jù)的安全可靠性。

多路模擬量采集;TMS320C32;CPLD;全波傅氏變換

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)電力設(shè)備的安全起著至關(guān)重要的作用。保護(hù)裝置通過采集到的多路模擬量,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后,保存在采樣緩沖區(qū),通過對(duì)每路的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,計(jì)算出線路上的電流電壓向量,根據(jù)保護(hù)判據(jù)做出諸如跳閘、合閘、發(fā)信、告警等一系列保護(hù)動(dòng)作。多路模擬量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保護(hù)裝置的重要一環(huán),設(shè)計(jì)重點(diǎn)是各路采樣數(shù)據(jù)的精確性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 16路模擬量采集的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件為單通道的AD976,而需采集的模擬通道為16路。因此,16路模擬量需經(jīng)過多路開關(guān)MAX336來進(jìn)行通道切換,從而使AD976可分別對(duì)每一路的模擬量進(jìn)行采樣,圖1為各路模擬量的采集電路。

在16路模擬量進(jìn)入A/D之前,模擬量信號(hào)并不是單一頻率的信號(hào),有可能夾雜著高次諧波,根據(jù)裝置需求,要濾除12次以上的諧波,在圖1中的前級(jí)低通濾波電路能濾除1 200 Hz以上的高次諧波。AD976的電壓輸入范圍為±10 V,因此在低通濾波電路的輸出端并聯(lián)兩個(gè)型號(hào)為UDZ-10V的穩(wěn)壓管(WY1,WY2),起到了保護(hù)后續(xù)采樣電路的作用。16路的模擬量分別接入MAX336芯片的16個(gè)輸入通道(NO1～NO16),具體AD976采樣哪路模擬量,將由通道選擇管腳A0～A3決定,當(dāng)管腳A0～A3上的信號(hào)為“0000”時(shí),選通通道1,以此類推,當(dāng)管腳A0～A3上的信號(hào)為“1111”時(shí),選通通道16。通道選擇信號(hào)以及片選信號(hào)由CPLD根據(jù)AD976的狀態(tài)發(fā)出,當(dāng)在某通道選通后,模擬量通過MAX336的COM管腳輸出,輸出的模擬量經(jīng)一個(gè)電壓跟隨器,最后才輸出到AD976模擬量的輸入端。這里面電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是輸入阻抗高,而輸出阻抗低,同時(shí)也起到了信號(hào)隔離作用,能使信號(hào)幾乎全部進(jìn)入A/D芯片,保證了信號(hào)質(zhì)量,縮小了模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差。

圖1 16路模擬量的采集電路

1.2 TMS320C32與AD976的模數(shù)接口電路

模數(shù)接口電路是采集系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD976,該芯片是ADI公司的一款16位、低功耗、高速CMOS轉(zhuǎn)換器,采用5 V供電,模擬信號(hào)電壓范圍為±10 V,最高采樣頻率為100 kHz,最高轉(zhuǎn)換時(shí)間8 μs。系統(tǒng)要求在一個(gè)50 Hz的周波內(nèi)實(shí)現(xiàn)24點(diǎn)采樣,即采樣間隔為833.3 μs,在833.3 μs內(nèi),要完成16路的同時(shí)采樣,因此8 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間完全滿足要求。該芯片可根據(jù)BYTE管腳電平的高低分為字/字節(jié)工作模式兩種,以方便與各種DSP芯片接口。TMS320C32與AD976的模數(shù)接口電路如圖2所示。

圖2 模數(shù)接口電路

在圖2中,信號(hào)VOUT即為輸入到AD976的模擬信號(hào),其由多路開關(guān)MAX336從16路模擬通道切換到其中某一路模擬信號(hào)。設(shè)計(jì)中A/D采用16位字模式,系統(tǒng)一上電A/D芯片自動(dòng)選通,因此BYTE管腳與片選CS管腳直接接地。管腳R/C接收來自外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào),當(dāng)接收到信號(hào)的下降沿時(shí),AD976采樣模擬信號(hào)并開始模數(shù)轉(zhuǎn)換,接收到的低電平最少要持續(xù)50 ns。一旦A/D該是開始采樣并進(jìn)行轉(zhuǎn)換,管腳BUSY便發(fā)出低電平信號(hào)表明轉(zhuǎn)換開始,表明A/D芯片處于忙狀態(tài),低電平最多持續(xù)8 μs,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,管腳BUSY迅速變?yōu)楦唠娖健ＴO(shè)計(jì)用了2片8位的74 HC574芯片組成了一個(gè)16位的鎖存器,通過BUSY信號(hào)的上升沿來完成16位數(shù)據(jù)的鎖存。

TMS320C32內(nèi)部有兩個(gè)32位的定時(shí)器TIMER0和TIMER1,在本設(shè)計(jì)中,A/D的模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)是由其內(nèi)部的TIMER0管腳TCLK0發(fā)出的AD_start信號(hào)同步的。定時(shí)器TIMER0內(nèi)部有3個(gè)控制寄存器,分別為:全局控制寄存器Timer0_GCR、32周期控制寄存器Timer0_Period和32位計(jì)數(shù)器Timer0_Counter,如圖3所示。全局控制寄存器可對(duì)定時(shí)器全局進(jìn)行控制,在本設(shè)計(jì)中通過對(duì)該寄存器設(shè)置,設(shè)定為計(jì)時(shí)脈沖選用內(nèi)部的,計(jì)時(shí)脈沖的頻率為2/H1(10 MHz),管腳TCLK0輸出的為脈沖模式。計(jì)數(shù)脈沖使計(jì)數(shù)器的值逐次加1,當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于周期寄存器內(nèi)部的設(shè)定值時(shí),TMS320C32通過管腳TCLK0發(fā)出所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換同步開始信號(hào)。

圖3 TMS320C32內(nèi)部定時(shí)器

圖4 A/D轉(zhuǎn)換邏輯

2 系統(tǒng)測試

利用北京博電測試儀對(duì)第一路加上電壓量,其中基波50 Hz、相位、幅值50 V;3次諧波150 Hz、相位、幅值10 V;6次諧波300 Hz、相位、幅值10 V;12次諧波600 Hz、相位、幅值10 V。在CCS開發(fā)環(huán)境下用仿真器讀取第一路采樣緩沖區(qū)的地址,圖5為緩沖區(qū)采樣值。

圖5 第一路的采樣緩沖區(qū)

對(duì)緩沖區(qū)的值進(jìn)行全波傅氏變化,Matlab仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 采樣數(shù)據(jù)的Matlab仿真

仿真結(jié)果表明了根據(jù)緩沖區(qū)的采樣值能較好地計(jì)算出模擬量中的基波與諧波分量,但12次諧波幅值發(fā)生了頻率混疊,結(jié)果并不正確,根據(jù)采樣定律可知,若要得到更高的諧波分量,必須提高采樣頻率。

3 結(jié)束語

文中給出了多路模擬量采集系統(tǒng)的工作原理以及設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)用一片CPLD芯片代替了多個(gè)傳統(tǒng)邏輯芯片的組合,通過內(nèi)部編程,生成了16路采樣脈沖,這樣就利用單通道的AD976實(shí)現(xiàn)了多通道的模擬量采集。通過系統(tǒng)測試,并對(duì)采樣緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全波傅氏變換,能真實(shí)地反應(yīng)出模擬量的基波與諧波分量。測試證明,系統(tǒng)滿足保護(hù)裝置對(duì)模擬量采集的要求。

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Design of a Multi-channel Analog Collection System in Relay Protection

DING Xiaobo

(School of Telecommunications,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

This article describes an operating principle and design method to achieve a multi-channel collection system based on high-performance floating-point DSP chip TMS320C32,CPLD chip XC95288 and A/D sampling chip AD976.By applying a special voltage to the first channel,the value of the sample buffer in the CCS development environment is read.The sampling data is transformed in full-wave Fourier using the Matlab.This system has been widely used in relay protection.Practice shows that this system can achieve the collection of multi-channel analog and ensure the security and reliability of sampling data.

multi-channel analog collection;TMS320C32;CPLD;full-wave Fourier transformation

2014- 09- 16

丁小波(1987—),男,碩士研究生。研究方向:電路與系統(tǒng)。E-mail:893123320@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.038

TM77

A

1007-7820(2015)04-142-04