基于DSP+CPLD的智能IED设计

本文的设计师基于DSP和CPLD搭建的智能IED(Intelligent Electronic Device，智能电力监测装置)可以同时采集多路信号，并通过FFT算法得到电网运行的关键数据。
   　　基于IEC61850的智能变电站的逻辑如图1所示。IEC61850协议主要定义了变电站的信息分层结构：过程层、站控层和间隔层。本文重点研究智能IED设备，按照IEC61850协议的描述，IED检测设备位于间隔层和过程层。其中，负责存储测量数据、进行电网数据分析和诊断的主IED位于间隔层;与现场传感器直接联系的测量IED位于过程层;处于站控层的变电站现有计算机系统将存储长期的历史数据和诊断结果。
  
   　　
   
   　　图1 智能变电站逻辑框图
   　　1 系统硬件设计
   　　该系统由DSP、CPLD和高速A/D转换器搭建的算法模块，多路选择数据采集模块和信号滤波模块组成。负责DSP采集的是目前较为主流的工控DSP，CPLD采用的是Altera公司的EPM3256，A/D转换器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP专注于电网能量质量的计算，而CPLD和高速A/D转换器构建的电路适用于多路信号的同时采集。
   　　智能IED处理流程如图2所示。检测的信号主要是三相电压、三相电流信号。信号前端电路将执行低通滤波功能，滤除对信号影响比较大的杂波。随后信号被高速A/D转换器采集，通过A/D转换器+CPLD电路实现，最后通过数据总线送至DSP。完成参数计算后，DSP把数据格式进行统一打包上传给主控IED，其主要功能是接收检测IED的数据，并上传给数据库。
   　　
   
   　　图2 智能IED处理流程
   　　1.1 多路选择开关
   　　本系统采集的对象较多，由于计算功率因数角和介损角必须是同相同时刻的电压和电流之间的相位差，因此必须同时采集三相电压对应的三相电流值和三相末屏电流值。MAX125是双通道8路采集，每一路可以采集4路信号，在本系统中将用到其中3路，另一路信号可以被闲置。
   　　1.2 与上位机通信接口
   　　实际上，本系统只是整个智能变压器的一个数据采集模块。所有采集信号在经过处理后还要打包传递给上位机。本系统采用简单的RS232传输方式。将一次所有的数据传输到上位机，在上位机打包之后通过TCP/IP传递给监控中心。
   　　1.3 数据采集和A/D转换模块
   　　智能电网最少也需要采集20路信号。包括高中三相电压、三相电流、三相末屏电流和中性点电流。这些信号通过传感器转换成电压信号输入到监测装置。
   　　本系统要求计算到13次以上的谐波含量，FFT算法采集2个电网周期至少128个点。电网频率为50 Hz，那就意味着要在40 ms里采集128个工作点，采集频率为3200 Hz。为了保证采集的点集中在两个完整的周期里，需要利用DSP定时中断采集工作点。在整个系统中，信号采集单元的转换精度对整个系统性能的优劣起着至关重要的作用。MAX125自带采样保持器，通道同时采样，采样精度14位，适合电网某一时刻的电压电流同时采样;输入电压的范围是±5 V，采集一路的时间为3μs，非常适合高速采集的系统。
   　　当MAX125对采样的8路信号转换完毕后，其INT引脚产生中断信号，与CPLD中自定义的INT引脚相连表示转换完毕，DSP可以通过响应中断对采样信号进行读取与处理。MAX125通过对A0～A3的地址线编程实现通道的选择，CLK信号用作A/D转换所需的时钟，由CPLD的时钟提供。MA X125的数据总线(D0～D13)、时钟输入CLK、片选输入CS、写输入WR、读输入RD、转换开始输入CONVST和中断输出INT引脚，均与CPLD中自定义的相应功能I/O引脚相连。由于本系统需同步采集20路前端信号，而MlAX125为8通道差分输入A/D转换芯片，所以本系统需用3片MAX125芯片。
   　　1.4 信号调理电路
   　　220 kV或以上的变压器引出的信号，要经过现场复杂的环境再进入传感器。从传感器进入MAX125的信号还要经过长线传输。它的信号通常不能被控制单元直接接收，因此信号调理电路就成为控制系统中必不可少的一部分。一般来说在差分输入端将20 mA标准电流信号转换成1～5 V的标准电压信号，经信号调理电路调理后输入A/D转换器。其中输出端电压高于A/D转换器的输入电压值，在此进行分压后进行采样。
   　　电力系统中大量的非线性负载，会使得电网的电能质量大幅降低。从电网中采集的信号如果不做任何处理将会影响DSP的运算精度。本系统中对信号的处理采用的是低通滤波器。低通滤波模块一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成所需要的频率特性电路。一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号，并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。2 系统软件设计
   
   　　2.1 软件流程
   　　首先是DSP相应功能的初始化，包括串口、定时中断、部分用作控制线的I/O口。在数据处理之前首先要开启一个EVA模块用于捕捉电网的频率。随后的工作就是读取来自A/D转换器的数据，一组128个分别对应两个周期的电压电流和末屏电流值。每128个数据分别进行FFT运算，运算的结果将进一步分析以得出功率因素、介损角等值。IED数据采集、运算、上传过程如图3所示。
   　　
   
   　　图3 IED数据采集、运算、上传过程
   　　需要DSP计算的参数是高压A、B、C三相电压、三相电流的有效值，中压A、B、C三相电压、三相电流的有效值，各相电压电流的2～13谐波的幅值和谐波畸变率，以及高中压三相的功率因素、介损角值。DSP算法要解决的难题是计算出2～13谐波和各相的功率因数。算法的核心是FFT算法。
   　　智能电网最少也需要采集20路信号。首先是DSP的相关功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模块和定时中断。然后通过普通I/O引脚作为触发信号，依次选择多路A/D输入信号，这些信号通过信号调理电路在信号波形稳定后可以经过MAX125被采样。通过数据总线传递给DSP，DSP经过一系列运算后得到功率因素、介损基波谐波含量，并将这些数据按照一定的数据格式打包，通过串口发送到ARM微控制器。AR M再将这些数据传输给上位机监控软件。
   　　具体代码如下：
   　　
   
   　　2.2 电网参数的计算
   　　DSP接收到A/D转换的数据之后就立刻进行计算。在本设计中，电网的谐波含量和谐波因素是计算的一个重点。在电力系统中谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据傅里叶分析原理可知，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。
   　　谐波可以区分为偶次与奇次性，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多、更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。利用FFT算法可以将电网电压/电流分解为50 Hz基波和多次谐波的叠加。如此一来某个特定频段上的谐波就显而易见了。
   　　除了谐波的计算需要使用到FFT算法之外，系统还有其他参量的计算。由于调用的功能模块十分复杂，只对部分参数的计算过程进行描述。多数参数都是通过对采集点的离散积分求得的。
   　　高压A相电压有效值：
   　　
   
   　　高压A相电流有效值：
   　　
   
   　　单相电压/电流谐波畸变率：
   　　
   
   　　中压A相电流谐波含量：
   　　
   
   　　高压三相电压总谐波畸变率：计算出各相电压的各谐波含量和基波含量，用总谐波含量除以基波分量。
   　　单相电压功率因数：由FFT算法得出基波有效值的(虚部/实部)的反正切值。
   　　单相介损：将末屏电流和对应相电压分别作FFT运算，所得的相位作差，该相位差角度为介损角。
   　　3 总结
   　　该系统应用于智能变压器系统中，可多个通道同步采集，转换精度高。经实验验证，信号采集模块的实时性和精度上都取得良好的效果，且工作稳定可靠。该系统采用高速14位并行A/D转换器，简化了接口设计，提高了读取速度以及数据处理速度。通过CPLD实现各种复杂控制信号，通过改变XF引脚的电平，可以将外扩SRAM、Flash映射到数据空间或程序空间。DSP芯片通过CPLD芯片连接高精度数据采集芯片MAX125实现信号的多路高速同步实时数据采集，抗干扰能力强，并利用FFT算法准确计算出电网谐波因数、功率角、介损角。