基于dsp的電力互感器數據采集系統設計

0電子式電流東北部的應用隨著電氣系統電壓等級的提高和傳輸能力的增加，以往的電磁式電流控制器問題變得越來越明顯。例如，體積大、動態范圍小、使用頻率低、鐵磁作用頻率窄、二次蒙太奇、二次蒙太奇等。因此，有必要尋求更理想的新能源堿性伴奏。新型的電子式電流互感器較傳統的電流互感器做了很多改進之處,在結構上用光纖把高低壓兩端隔離開來,具有很好的絕緣效果;在硬件上采用洛夫斯基線圈作為傳感頭,14位的AD7894和新型的具有強大的控制功能、高速的數據處理能力的DSP2812芯片結合的軟件設計使傳統互感器暴露出來的問題得到了很好的解決。而且電子式電流互感器也適應了電力計量和保護數字化、微機化和自動化發展的潮流。電子式電流互感器主要包括數據采集系統和數據處理系統,整個系統的精度主要取決于設計的數據采集系統的精度。本研究給出一種基于DSPTMS320F2812為核心的數據采集系統的設計方案。1模/數轉換單元電子式電流互感器數據采集系統主要包括信號調理電路、模/數轉換單元、光纖傳輸系統3部分。首先通過Rogowski線圈傳感器從電網中感應出電流模擬信號,Rogowski線圈是電子式電流互感器最常用的傳感元件,通常采用空芯線圈和LPCT作為電流傳感元件,具有良好的線性度和準確度。再經過信號調理電路對信號的抗混疊濾波、放大、反相積分等處理,模/數轉換單元負責把調理電路輸出的符合A/D采樣電壓范圍的模擬信號按A/D變換時序轉換為數字信號。為保證傳輸速度和質量,采用光纖進行傳輸,光纖兩端分別配備電/光轉換器和光/電轉換器。低壓端的DSP一方面對一路光纖傳過來的數字信號進行處理,另一方面提供時鐘信號,通過另一路光纖傳輸,并經分頻電路分頻后產生A/D轉換器所需的時序,從而達到信號同步采樣的效果。數據采集系統設計原理圖如圖1所示。2數據采集系統的設計2.1反相積分器t當被測電流i(t)通過Rogowski線圈時,線圈輸出電壓U1(t)和被測電流i(t)的關系為:U1(t)=?R1MR+R1di(t)dt(1)U1(t)=-R1ΜR+R1di(t)dt(1)式中R—線圈繞組和引線的總電阻;R1—采樣電阻;M—線圈互感系數。從式中可以看出輸出電壓與被測電流成微分關系,而且由于傳感頭Rogowski線圈的互感系數低,感應出的電壓很小,為防止其經過積分器后被衰減掉,因此信號處理部分需加入放大積分環節。信號調理電路圖如圖2所示。設計中U1(t)和U2(t)之間是放大電路,放大倍數主要由R3和R4的比值所決定的。U2(t)和U0(t)之間是反相積分電路,考慮到積分漂移問題,所以在理想積分器的基礎上,在積分電容C3兩端并聯一個兆歐級的反饋電阻R8,而且在放大和反相積分之間加了一個簡單的RC低通濾波器,對于信噪比的改善起到了很大的作用。由圖2可得:U2(t)=R3+R4+R5R4U1(t)(2)U2(t)=R3+R4+R5R4U1(t)(2)?U2(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(3)-U2(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(3)所以:?R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(4)-R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt+R6R8U0(t)(4)當R8?R6時,R6R8≈0R6R8≈0。式(4)則變成:?R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt(5)-R3+R4+R5R4U1(t)=R6C3dU0(t)dt(5)即:U0(t)=?R3+R4+R5R4R6C3∫U1(t)dt(6)U0(t)=-R3+R4+R5R4R6C3∫U1(t)dt(6)把式(1)代入到式(5)中,得:U0(t)=?R3+R4+R5R4R6C3×(?R1MR+R1)i(t)=(R3+R4+R5)R1M(R+R1)R4R6C3i(t)(7)U0(t)=-R3+R4+R5R4R6C3×(-R1ΜR+R1)i(t)=(R3+R4+R5)R1Μ(R+R1)R4R6C3i(t)(7)從式(7)中可以看出U0(t)和i(t)是同相位且成比例的。2.2模型數轉換單元2.2.1模/數轉換電路模/數轉換單元主要由模/數轉換器、時序控制等部分組成,通過低壓端的DSPTMS320F2812器件來實現同步檢測并控制A/D的采樣、轉換和校驗。根據電子式電流互感器的精度要求(達到0.2級)以及設定的采樣頻率,應該選用精度比較高的模/數轉換器。此外,為了保證信號中的7次以下諧波分量不失真,模/數轉換器的轉換速度也要求比較快且轉換精度受溫度影響小。綜合以上考慮本研究選用AD7894AR-10模/數轉換芯片。AD7894AR-10是一款低功耗、低成本、高性能的快速14位模/數轉換器,采用5V單電源供電,轉換時間為5μs,內置1個逐次逼近型模/數轉換器、1個片內采樣保持放大器、1個片內時鐘和1個高速串行接口。控制模/數轉換的方法有很多,本研究采用由CD4020計數/分頻器等組成的分頻電路來控制模/數轉換的進行,CD4020是一款14位二進制串行計數/分頻器。分頻電路圖如圖3所示。圖3中CD4020的10腳接收連續時鐘信號CLK,此時鐘信號由低壓端DSP中的定時器產生,CD4020對其進行32分頻,從6腳輸出周期為32倍于CLK的方波信號,該方波信號反向后同CLK相與,作為AD7894的讀數據時鐘信號。同樣CD4020的6腳輸出經過電阻電容電路產生短時脈沖信號,驅動施密特觸發器CD4093,CD4093的輸出可以作為AD7894的轉換開始信號CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ。用Multisim軟件對此分頻電路的功能進行仿真得到仿真波形,如圖4所示(其中1為上圖中CD4020的輸入波形,3為上圖中非門74HC04的輸出波形,4為上圖中74HC08輸出的SCLK波形,Term4為上圖中CD4093輸出的CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ波形)。根據這些輸出波形可以看出,當AD7894的CONVSTˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉCΟΝVSΤˉ引腳接收到Term4的低電平觸發信號時開始轉換,經過5μs的轉換后,跟隨SCLK時鐘波形讀取轉換數據。數據格式為16位,包括2個起始零和14位的轉換數據,這樣就完成了一次轉換。2.2.2dsp的操作目標AD7894的采樣時鐘和使能信號由DSPTMS320F-2812的通用定時器產生并經分頻電路來提供。DSPTMS320F2812芯片是TI公司的一款高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片,具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能。能在1個周期內完成32×32位的乘法累加運算,時鐘頻率最高可達150MHz。帶有3個定時器,2個事件管理器,2路SCI、1路SPI、56個獨立配置的通用多功能I/O。由采樣定理可知,A/D的采樣頻率fs應大于抗混疊濾波器截止頻率fc的2倍。電力系統信號頻率為50Hz,每周期采256個點,而AD7894完成一次轉換的時間設定為10μs,所以設定DSP的通用定時器每隔68μs發送一串頻率為3.2MHz的連續時鐘信號。當A/D接收到分頻器產生的轉換開始信號即開始轉換,當采滿256個點后,DSP進入中斷,將AD7894輸出寄存器中的數字信號輸入到DSP中。DSP的編程工具采用C語言和匯編語言混合編程的方法,把C語言的優點和匯編語言的高效率有機結合起來。控制程序流程圖如圖5所示。2.3光纖繼續發揮發送器和市場等金融體系的作用光纖傳輸系統原理為:一個LED發射器將電信號轉變成光信號,并將其耦合進入傳輸光纖中,光信號通過光纖到達光接收器,它把接收到的光信號恢復成原來的電信號輸出。光纖傳輸系統主要包括E/O轉換器及驅動電路、O/E轉換器及接收電路、光纖等。光纖收發電路圖如圖6所示。E/O轉換的光發送器選用Agilent公司的低功耗LED型發送器HFBR1414,其外圍驅動電路采用3路與非門74F3037并聯輸出驅動光發射器HFBR1414,以產生足夠大的光功率。O/E轉換的光接收器采用Agilent公司的HFBR2412,以實現數字光通信時HFBR2412后需加一接收電路。接收電路中,在VCC與電源之間接了1個10Ω的限流電阻和1個0.1μF的旁路電容以去除噪聲。本研究用光發送/接收單元傳輸模/數轉換器的移位時鐘來測試光纖數字傳輸系統,移位時鐘是頻率為1MHz的方波。從測得的整個光纖傳輸系統的輸入/輸出波形圖中可以得到該光纖數字傳輸系統的輸出延遲時間約為150ns,符合電子式電流互感器系統所允許的誤差范圍之內。3測量通道實驗結果本研究用準確度為0.01級的常規電磁式標準互感器對上述設計的電子式電流互感器數據采集系統進行了測試,測量通道實驗結果如表1所示。從表1中看出實驗結果中數據的線性度很好,通過示波器的觀察發現,采樣時鐘信號中參雜了很多的高頻干擾信號,A/D轉換結束后信號振蕩現