基于DSP和CPLD开发容性设备介损在线监测终端

摘  要： 为了在完成数据采集的同时还能进行各种处理和控制，设计开发了一种基于DSP和CPLD技术的高压容性设备介损在线监测终端。阐述了该终端中高速A/D转换电路与 DSP接口电路、锁相倍频电路及其他通讯接口电路的具体实现方法，以及基于DSP采用优化的傅里叶变换求取介质损失角正切(tgδ)的方法。经试验表明，系统工作稳定可靠。
       关键词： 高压容性设备； DSP； CPLD； 介损测量； 在线监测
   
       电容型设备(电流互感器、耦合电容器、电容式电压互感器和高压套管等)在电力系统设备构成中占相当大的比重，这些设备的安全可靠是实现整个电力系统运行的基础。而电气设备(尤其是高压设备)损坏事故中很大一部分是绝缘损坏引起的，通过对其介电特性的监测可以发现尚处于早期发展阶段的缺陷。绝缘材料的介质损失角正切(tgδ)是反映高压电气设备绝缘性能的一项重要指标，通过测量tgδ可以发现电力设备绝缘系统的整体性缺陷或较大的集中性局部缺陷[1-2]。而及时、有效地发现绝缘存在的缺陷对于保障电网安全具有重要意义。
       介质损失角正切(tgδ)的在线监测，关键是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差。早期采用在模拟信号处理基础上的“过零比较法”[3]，通过计数器方式获得两个信号的时间差，然后再根据信号周期转换成相位差。该方法对硬件电路稳定性要求高，电路自身的漂移及谐波的干扰影响均难以克服。本文以电容性设备中的高压套管为例,讨论一种基于DSP+CPLD模式的容性设备介质损耗在线监测终端的开发与设计。
   1 高压容性设备介损在线监测系统结构及原理
       系统结构如图1所示。监测终端在接收到数据处理服务器发出的同步采集命令后，系统电压监测终端及容性设备监测终端跟踪系统频率,并利用参考源实现同步采样。各监测终端采样处理后，电压监测终端将采集处理后的结果数据向系统广播，容性设备监测终端接收到系统电压监测终端的数据后做数据处理，并将结果数据通过CAN现场总线发送到安装在控制室内的数据处理服务器。数据处理服务器处理、存储数据，并通过专家诊断系统进行横向纵向比较、诊断、预警，从而实现绝缘状态的在线监测。
   
   
   
       工作原理：由于被测设备末屏电流很小，在测试时易受现场各种干扰的影响，因此，在设计信号取样方式时，采用穿芯式零磁通电流传感器技术，补偿温度变化给测量带来的漂移；利用琐相环及CPLD实现跟踪电网频率，使每周波采样点数相同，动态改变采样周期，消除电网频率变化给测量带来的影响；采用DSP及高精度A/D同步采样技术及优化的傅里叶分析法，求得幅度、相位和相位差等，进而得到所需的介质损耗、泄漏电流、等值电容等电气参数。
   2 现场监测终端硬件结构
       基于DSP+CPLD的现场监测终端硬件结构示意图如图2所示。现场监测终端的主要任务是接收到数据处理服务器的命令后，同步高速采集4路模拟信号(A、B、C及参考源4路电流)，对所采集的周波数据做离散傅立叶变换，得到各路信号基波及3、5、7、9次谐波的幅度及相位；再计算A、B、C各相与参考源的相位差及各相的电流幅值。介损值是利用两个相同结构的监测终端的同相相位差相减，得到介损角δ，再求取tgδ。
   
   
   
   2.1 数字信号处理器TMS320F2812[4-5]
       该终端的主处理器采用美国TI公司的DSP芯片TMS320F2812,该芯片是工业控制领域的一款高端产品，是技术先进、功能强大的32位定点DSP 芯片。采用哈佛总线结构，具有3个32位高性能的CPU定时器，时钟频率支持动态改变锁相环的频率，片上资源扩展性强，处理速度高达150 MIPS，最高频率为150 MHz，指令周期为6.67 ns，采用8级流水线的工作方式。它既具有数字信号处理能力, 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特别适用于有大批量数据处理的测控场合[1]。具体如下[4,6]：
       (1) 静态CMOS,主频可达150 MHz,低功耗(核电压1.8V、I/O电压3.3 V) ;
       (2) 128K×16 bit片上Flash、18K×16 bit上SRAM、4K×16 bit上BootROM。
       (3) 外部存储空间接口:最多可达1M×16 bit,提供3个独立的片选信号,读/写时序可编程。
       (4) 动态PLL ,可由软件编程修改主频和片上看门狗定时器的计数值。
       (5) 外设中断扩展模块,最多支持45个外部中断。
       (6) 用于电机控制的外设:2个事件管理器(与C240x 器件相容) 。
       (7) 多种标准串口外设:1个SPI 同步串口、2个UART 异步串口、1个增强型CAN总线接口、1个McBSP 同步串口。
       (8) 12位A/D转换器:16通道、双采样/保持器、2×8多路切换器;
       (9) 56个独立可编程、复用型、通用I/O口。
       采用TMS320F2812的另一原因是它可方便地实现2 048点FFT算法的需求，利用Altera公司CPLD器件丰富的I/O引脚,可通过编程方便地控制每个引脚的状态以及相互间的逻辑关系[4]。
   2．2 跟踪电网频率及锁相倍频电路设计
       在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号的一个周期或多个周期进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。同步采样有利于离散傅立叶变换，减少频谱泄漏，进而减小误差。
       锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统。锁相环主要由相位比较器、压控振荡器和低通滤波器三部分组成，如图3所示。其工作原理是压控振荡器的输出U0接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号UI与来自压控振荡器的输出信号U0相比较，比较结果产生的误差输出电压 正比于UO和UI两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定,即同步,称作相位锁定[2,5]。
   
   
   
       A/D采集的控制信号由锁相环倍频输出决定，锁相环跟踪电网频率，利用CPLD将电网信号倍频，可准确控制每周波信号内固定采集2 048或4 096点，假设信号频率是50Hz，即采集频率为102.4 kHz或204.8 kHz。本终端锁相倍频电路设计如图4所示，电网频率信号经调理电路调理后，再经LM311、TLP121、CD4093整形隔离后输入到锁相电路CD74HC4046，锁相电路的输出信号VCO经CPLD倍频后输入到CPIN。
   
   
   
   2.3 A/D转换电路设计
       为满足较高速度同步采集及系统精度要求的需要，本监测终端选用了ADI公司的6通道16位AD7656芯片，图5为具体的A/D转换应用电路。
   
   
   
       (1) V1～V4是接经互感器并调理后的四路输出电压信号，DB0～DB15及/RD经隔离及电平转换后分别接DSP的数据线D0～D15及/XRD。
       （2） CONVST、/CS、BUSY、RANGE、RESET经隔离及电平转换后接到CPLD上。CPLD得到DSP采集开始电平信号后，使片选/CS有效，控制CONVST启动转换，转换结束后BUSY通过CPLD使DSP产生中断，DSP读取并暂存数据。
   2.4 其他电路
       除了以上基本模块外, 还有一些辅助电路, 如CAN总线接口电路。TMS320F2812集成了CAN控制器，扩展一片CAN收发器就构成了CAN接口电路、CPLD测量电网频率部分电路、参考电源电路、高速光耦隔离电路等。它们也是系统中不可缺少的部分。
   3  监测终端底层软件设计
       借鉴实时操作系统编程思想，在嵌入式软件设计中利用定时触发并引入消息处理的方法。监测终端的消息可分为：数据处理服务器命令、其他监测终端的广播信息、系统接口电路产生的状态信息、定时触发消息。消息的接收采用中断方式，确保消息可靠及时接收。自检故障处理消息优先处理，在中断中直接完成。图6是本终端的主程序流程图，可用来完成数据的采集、处理和传送。
   
   
   
       监测终端数据处理软件主要功能由DSP来完成，DSP把这些消息处理后的结果通过CAN总线打包上传。
   4 数字化介损测量技术的实现
       测量工作流程如下：
       (1) 上位机（或通信控制器）发一条广播命令，命令所有现场监测单元在接到广播命令后立刻同时采样；利用参考源实现同步。
       (2) 容性设备监测终端接到广播命令后，对泄漏电流IX和基准源U0i同步采样，将采样的数据进行离散傅里叶变换(DFT)，分别得到两信号的基波傅里叶系数。电压监测单元执行同样的操作计算出PT二次电压UX和基准源U0i的基波傅里叶系数。
       (3) 现场监测单元测量结束后，系统电压监测单元广播该单元的测量结果。
       (4)容性设备监测终端接收到系统电压监测单元的数据后做数据处理，并将结果数据通过CAN现场总线发送到安装在控制室内的数据处理服务器。
       (5) 计算IX、U0i的相角差，UX、U0i的相角差，则如图7所示的电容型设备的介损角δ和电容量C由下式求得：
      
   
   
   
       (6) 重复步骤(1)～(5)进行N次测量，并将其结果进行平均值计算，所得的平均值即为本次一相设备测量的结果。
   5 试验应用
       对本监测终端进行电磁兼容性能测试，试验时样品无损坏，试验后可正常工作，测量数据正常。同时也进行了高低温、交变湿热测试，结果表明，各项指标均满足系统要求,该终端经三个月的实践试验各项指标均达优秀,被试设备可正常运行。表1为交变湿热试验结果。  
   
   
   
       本文介绍了高压容性设备绝缘在线监测系统中的主要监测终端的软硬件设计与实现,利用给设备供电的工作电源作为参考源，实现两路远距离信号的同步采集。基于DSP采用优化的傅里叶变换求取各路信号相位,再求取相位差，并将采集信号就地进行数字化处理以消除干扰，解决了被测模拟信号的长距离传输问题。该方法最大优点是不需要使用复杂的模拟处理电路，长期工作稳定可靠，且有效抑制了谐波干扰。为消除电网频率变化所带来的测量误差，利用锁相环及CPLD分频实现电网频率跟踪，使每周波采样次数相同；利用CPLD的高速计数器测量信号频率，同时简化DSP与ADC的接口电路。充分利用DSP及CPLD技术，使得监测终端真正实现了集数据采集、频谱分析、数据处理、CAN现场总线通信于一体，成为分布式系统结构的高压容性设备绝缘在线监测系统的智能节点，避免了电流或电压信号长距离传输带来的衰减及外部干扰的影响，值得应用和推广。
   参考文献
   [1] 唐炬,刘明军. 基于虚拟仪器的电容性设备介损在线监测系统[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2007,3(30):26-29.
   [2] 许褆海. 高压容性设备绝缘在线监测[J].计算机应用,2007，26(5):66-69.
   [3] 夏盛国,文远芳. 高电压绝缘的tgδ数字测量方法[J].高压电器,  2002,36(2):38-40.
   [4] 张卫宁.TMS320C28x 系列DSP的CPU与外设[M].北京：清华大学出版社,2004.
   [5] 合众达电子.SEED-DSP2812用户指南,SEED-DSP2812原理图[z]. 2003.
   [6] 王淑芳，基于DSP的数据采集系统开发与实现[J].北京石油化工学院学报，2005,13(3):7-12.