基于dsPIC30F系列芯片和準(zhǔn)同步采樣算法的三相電量采樣裝置設(shè)計(jì)*

趙 煜, 楊 璽, 陳 皓, 王 然, 王秋銀, 楊婷娜, 鄢順才

(云南省能源研究院有限公司, 云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步,在電力系統(tǒng)中數(shù)字化測量技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍,因此很大程度上提高了其自動化程度。本文主要研究準(zhǔn)同步采樣的基本原理和測量交流電氣參數(shù)的相應(yīng)方法,并對電量數(shù)據(jù)采樣裝置硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。一般情況下,應(yīng)用同步采樣方式測量電氣參數(shù),該方式對電網(wǎng)頻率和采樣間隔要求非常嚴(yán)格,要求兩者必須同步。通常設(shè)計(jì)采樣設(shè)備時(shí),會選擇電網(wǎng)頻率鎖定以及外部硬件鎖相環(huán)電路跟蹤,為了保證采樣頻率發(fā)生變化,還要求完成AD采樣時(shí)鐘的自動化更新[1]。在一般情況下,相較于電網(wǎng)頻率,鎖相環(huán)電路的輸出頻率更低,因此整個(gè)系統(tǒng)在同步過程中會有誤差,從而導(dǎo)致采樣無法同步。而且電網(wǎng)內(nèi)部具有非正弦波,可能會對過零檢測產(chǎn)生了一定的干擾,更甚者,可能會導(dǎo)致PLL鎖相故障,影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。本文所設(shè)計(jì)的三相電量采樣裝置,巧妙地利用了dsPIC30F系列芯片強(qiáng)大的DSP內(nèi)核計(jì)算功能,通過準(zhǔn)同步采樣方法和數(shù)據(jù)迭代運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)了三相電量數(shù)據(jù)基波和高次諧波的高精度采樣,并可以實(shí)現(xiàn)同步采樣的效果和精度[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 裝置整體硬件結(jié)構(gòu)

本文研究的三相電量數(shù)據(jù)采樣設(shè)備由主CPU、三相電壓、LCD顯示部分、看門狗復(fù)位、ICD2仿真調(diào)試接口、RS-485通信、數(shù)字信號輸入輸出以及裝置開關(guān)電源電路等組成。CPU主控芯片選用Microchip公司高性能帶DSP運(yùn)算內(nèi)核的 dsPIC30F6014A高性能的16位系列單片機(jī),裝置設(shè)有4 路開關(guān)量輸入端子,用于裝置TA變比、TV變比、通信地址等數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)定等。還設(shè)有兩路數(shù)據(jù)輸出接口,實(shí)現(xiàn)電能脈沖輸出功能,提供一個(gè)RS-485串口,用于數(shù)據(jù)傳輸。三相電量采樣裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相電量采樣裝置硬件結(jié)構(gòu)

1.2 電源部分

本文所設(shè)計(jì)的三相電量數(shù)據(jù)采樣裝置開關(guān)電源單元是一種反激式電源變換器。裝置開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 裝置開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理

電源單元工作時(shí)交流電壓通過整流和濾波處理后,作為輸入電壓輸入到T1的一次側(cè)繞組上。箝位電路的構(gòu)成包括電阻R2、R3、電容C3、二極管VD5和穩(wěn)壓管VR1,其作用就是將漏極的漏感關(guān)斷電壓最大尖峰值控制在安全閾值之內(nèi)。齊納二極管VR2用于對輸出電壓的調(diào)節(jié),若將該電壓和光偶LED正向電壓降兩者相加仍然低于輸出電壓時(shí),電流的流向?yàn)楣馀糒ED方向,進(jìn)而對晶體管的電流起到下拉作用。對于使能引腳閾值電流而言,若該電流更高時(shí),會對后面的開關(guān)周期產(chǎn)生抑制作用。對于反饋閾值而言,輸出電壓下降的更低時(shí),會使能一個(gè)開關(guān)周期。借助于對該周期總量的調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)輸出電壓。如果電路中的負(fù)載減小,使能周期也會變小,因此開關(guān)頻率也會隨之減小,電路中的負(fù)載作為依據(jù)減小了開關(guān)損耗。如果在負(fù)載非常小的條件下,就能夠保證效率的恒定性,從而符合能效標(biāo)準(zhǔn)的要求。在該裝置應(yīng)用中需要DC 5 V和DC 2.5 V電源,使用L7805ABV及分壓電路分別實(shí)現(xiàn)。

1.3 電壓信號采樣

本文設(shè)計(jì)的裝置中三相電壓采樣采用直接電阻分壓采樣方式實(shí)現(xiàn),電壓信號采樣和調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 電壓信號采樣和調(diào)理電路

電網(wǎng)電壓信號采樣放大電路的采樣回路是電阻分壓電路,輸入端相電壓加在R3、R10、R12串聯(lián)回路上,C2、C3和R8、R10電阻組成電橋并聯(lián)在R10采樣電阻上,電橋的一個(gè)對角短接、接模擬地,信號則從另一對角引出,輸出電壓信號送入U(xiǎn)1B跟隨器,目的是提高輸入電阻并起到信號隔離的作用。由于dsPIC30F6014A芯片AD轉(zhuǎn)換通道信號轉(zhuǎn)換電壓為0～5 V DC信號。需要將采樣電壓信號調(diào)理到適合的范圍,通過基準(zhǔn)電壓電路和加法器電路,將雙極性的采樣電壓信號抬升2.5 V形成0～5 V的單極信號,使得信號類型和幅值符合dsPIC30F6014A芯片AD信號輸入要求。

1.4 電流信號采樣

裝置選擇應(yīng)用電流互感器TA和信號放大及調(diào)理方式完成三相電流信號的采樣,電流信號采樣和調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電流信號采樣和調(diào)理電路

裝置電流信號采樣,首先采用專用儀表互感器(TA變比5 A/2.5 mA)將大電流信號變?yōu)樾‰娏餍盘?通過R48、R52采樣電阻將電流信號變換為電壓信號接入加法器同相端;其次,通過信號疊加、隔離、信號極性變換和放大等信號處理,使得信號類型和幅值符合dsPIC30F6014A芯片AD信號輸入要求。

1.5 通信

該裝置設(shè)計(jì)有RS-485通信接口,可實(shí)現(xiàn)對裝置的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和后臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信,RS-485通信電路如圖5所示。

圖5 RS-485通信電路

本裝置中RS-485通信接口采用MAX485CPA通信管理芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)。一端與核心控制芯片dsPIC30F6014A芯片的UART接口連接,一端與外部通信系統(tǒng)聯(lián)結(jié),數(shù)據(jù)收發(fā)通過高速光耦進(jìn)行電氣隔離,R77為120 Ω電平匹配電阻,TVS1、TVS2、TVS3為雙端穩(wěn)壓管,可有效防止外部通信線路過電壓信號燒毀通信管理芯片。裝置通信協(xié)議采用的是Modbus RTU 協(xié)議,通過RS-485通信接口與PC相連,可以實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)整定和精度校準(zhǔn),也可實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)和設(shè)備之間RS-485通信等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 準(zhǔn)同步采樣算法

2.1.1 準(zhǔn)同步采樣算法原理和實(shí)現(xiàn)過程

同步采樣與準(zhǔn)同步采樣相對比而言,必須要求電網(wǎng)頻率和采樣間隔之間的同步性,因此為了能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率準(zhǔn)確跟蹤,就要求外加硬件鎖相環(huán)電路進(jìn)行配合,同時(shí)為了使采樣頻率發(fā)生改變,還需要完成AD時(shí)鐘的自動化更新。相較于電網(wǎng)頻率而言,鎖相環(huán)輸出頻率通常會存在滯后性,因此會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部在同步性上具有誤差,完全同步采樣不能實(shí)現(xiàn)[3]。如果電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)存在諧波電流的情況,就會對電路過零檢測產(chǎn)生干擾,更甚者還會造成電路發(fā)生故障,無法正常工作。但是,在實(shí)用性方面準(zhǔn)同步采樣方法具有自身的優(yōu)點(diǎn),在時(shí)間電網(wǎng)中短時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)的頻率變化不是很大,能夠應(yīng)用等間隔采樣,就不需要對同步性提出嚴(yán)格要求[4]。本裝置在定期采樣電氣參數(shù)時(shí),選擇應(yīng)用準(zhǔn)同步采樣方式,不需要與電網(wǎng)頻率保持嚴(yán)格的同步性。

準(zhǔn)同步采樣原理如圖6所示[5]。

圖6 準(zhǔn)同步采樣原理圖

將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,再進(jìn)行迭代計(jì)算,就能夠?qū)⒉蓸硬煌綍r(shí)形成的干擾誤差去除,從而保證基波以及高次諧波的精準(zhǔn)度。在處理數(shù)據(jù)的過程中,為了保障測量的精準(zhǔn)度可以適當(dāng)提高迭代次數(shù),通常都會進(jìn)行3～5次迭代運(yùn)算,就能夠獲得很好的精度效果。同時(shí),完成迭代數(shù)量、采樣點(diǎn)數(shù)以及數(shù)值求積方式確定后,就能夠確定準(zhǔn)同步函數(shù)的系數(shù),從而完成準(zhǔn)同步函數(shù)數(shù)組的提前創(chuàng)建[6-9]。在進(jìn)行應(yīng)用時(shí),采樣的模擬信號要求為連續(xù),同時(shí)需要通過離散算法處理采樣數(shù)據(jù)。以上過程可通過下列迭代表示。

第一次迭代,當(dāng)n=1時(shí),

(1)

第二次迭代,當(dāng)n=2時(shí),

(2)

第三次迭代,當(dāng)n=3時(shí),

(3)

第N次迭代,當(dāng)n=N時(shí),

(4)

f(xi)——第i個(gè)采樣數(shù)據(jù);

n——迭代次數(shù);

N——第N次迭代;

Pi——權(quán)重系數(shù),由數(shù)字求積公式?jīng)Q定。

該裝置準(zhǔn)同步采樣算法使用復(fù)化梯形求積算法來實(shí)現(xiàn),準(zhǔn)同步采樣算法3周期迭代過程如圖7所示。

圖7 準(zhǔn)同步采樣算法3周期迭代過程

在本文設(shè)計(jì)的裝置應(yīng)用中,相鄰周期內(nèi)電網(wǎng)頻率偏差 Δ 通常很小,通過3次的迭代即能獲得好結(jié)果。

式中:ηi——權(quán)重系數(shù);

Qi——準(zhǔn)同步窗函數(shù)。

完成數(shù)值求積方式以及采樣點(diǎn)的確定之后,就能夠確定準(zhǔn)同步窗函數(shù)的系數(shù),在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行準(zhǔn)同步窗函數(shù)序列的提前創(chuàng)建。通過該函數(shù)對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)就等同于數(shù)據(jù)同步的過程,同時(shí)在實(shí)現(xiàn)算法上也相對容易,只要求將準(zhǔn)同步窗函數(shù)序列和初始數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法運(yùn)算即可[10-12]。完成數(shù)據(jù)處理后,獲取周期信號的頻率分量以及周期和初始數(shù)據(jù)一致,同步誤差也會縮小。準(zhǔn)同步窗函數(shù)特性曲線和數(shù)據(jù)處理(64點(diǎn)/周期)如圖8所示。

圖8 準(zhǔn)同步窗函數(shù)特性曲線和數(shù)據(jù)處理(64點(diǎn)/周期)

2.1.2 準(zhǔn)同步采樣的數(shù)據(jù)分析算法

通常情況下,電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電流以及電壓信號中都存在諧波分量的周期信號,能夠用指數(shù)或三角傅里葉級數(shù)表示。周期為T,周期信號的表達(dá)式為

(5)

其中,

(6)

如令g(t)=f(t)cos(kωt),且周期為 2 π。從而可證明g(t)也是周期為T的周期函數(shù)。對g(t)在[0～T]內(nèi)求平均值,可得

(7)

將式(7)帶入式(6)中,可得

(8)

(9)

綜合以上分析,基波電壓和各次諧波電壓可表示為

Uk(t)=uakcos(kωt)+ubksin(kωt)=

ucksin(kωt+Ψuk)

(10)

總電壓均方根可表示為

(11)

基波電流和各次諧波電壓可表示為

(12)

總電流均方根可表示為

(13)

根據(jù)相關(guān)定義,可將基波和不同諧波的有功功率以及無功功率表示為

(14)

(15)

將AD采樣獲得的電流、電壓數(shù)據(jù)采用復(fù)化梯形算法進(jìn)行準(zhǔn)同步處理,再進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)和運(yùn)算,即可獲得三相基波及諧波電流、三相基波及諧波電壓、功率、電能等電量參數(shù)。

2.2 裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置軟件系統(tǒng)開發(fā)通過MPLAB IDE集成軟件開發(fā)平臺進(jìn)行,采用C語言和匯編語言混合編程,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化設(shè)置、三相電壓和電流采樣、準(zhǔn)同步處理、離散傅里葉變換(DFT)、電量參數(shù)計(jì)算、顯示、通信、人機(jī)交互等功能,系統(tǒng)主程序軟件框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序軟件框圖

3 裝置樣機(jī)和試驗(yàn)效果

按照以上設(shè)計(jì),完成了三相電流及電壓采樣電路、開關(guān)電源及通信、LCD液晶顯示電路等設(shè)計(jì)和PCB電路板制作,并完成了裝置的組裝和測試。裝置試驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

圖10 裝置試驗(yàn)樣機(jī)

4 準(zhǔn)同步采樣算法和非同步采樣算法的精度分析

當(dāng)計(jì)算電壓、有功/無功功率以及電流的過程中選擇應(yīng)用準(zhǔn)同步采樣算法進(jìn)行計(jì)算,在補(bǔ)償以及算法上的約束比較嚴(yán)格(對比中心頻率來說,偏移量的閾值范圍必須保證在1%以內(nèi)),3次迭代準(zhǔn)同步采樣誤差分析如圖11所示。

圖11 3次迭代準(zhǔn)同步采樣誤差分析

當(dāng)測量頻率在47.5～52.5 Hz時(shí),算法迭代運(yùn)算良好,具有相對較高的精度,以上4個(gè)參數(shù)的計(jì)算誤差均在2.5%以下;當(dāng)測量頻率接近50.25 Hz時(shí),計(jì)算誤差最小,幾乎接近于真實(shí)值;同時(shí)可以看出隨著頻率偏離范圍的增大,誤差出現(xiàn)了明顯增加的趨勢。非同步采樣算法要求將電網(wǎng)頻率假設(shè)為一個(gè)固定值,以該值和一個(gè)周期內(nèi)的采樣數(shù)量為依據(jù)完成定時(shí)器定時(shí)值的確定,從而滿足同步的要求[13-15]。如果該值和電網(wǎng)頻率不相同或者出現(xiàn)改變的情況,非同步采樣的同步誤差相當(dāng)大,對精度要求較高的場景是不適用的。

5 結(jié) 語

本文提出了一種適用于中低壓電網(wǎng)的新型電量數(shù)據(jù)采樣裝置的設(shè)計(jì)方案,并成功完成了裝置樣機(jī)的研制,設(shè)計(jì)采用dsPIC30F系列處理器、電源管理芯片、通信管理控制芯片等構(gòu)成,軟件上采用基于復(fù)化梯形的準(zhǔn)同步采樣頻率測量算法,結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、數(shù)據(jù)精度高,能夠高精度測量三相電網(wǎng)中的所有常用電力參數(shù),如無功功率、三相電壓、功率因數(shù)、有功功率、視在功率、三相電流諧波、三相電流、頻率、三相電壓諧波、四象限電能等功能。該裝置具有安裝方便、接線簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種能源管理系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)、開關(guān)成套設(shè)備等應(yīng)用場景中。