（检测技术与自动化装置专业论文）同步相量测量单元中信号同步采集与处理模块的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，基于同步相量测量装置的广域测量系统因其在提高电网安全稳定性 方面的优势，已成为现代电力系统领域的热门研究课题。同步相量测量装置在高 精度同步时钟的触发下对电网中各监测点的状态进行同步监测，并将其状态信息 发送至控制中心服务器，从而实现对电网的全局动态观测。本文主要对同步相量 测量装置中的信号同步采集与处理模块进行了研究，并基于c p l d 和d s p 对该模 块进行了设计与实现。 文中首先介绍了信号同步采集与处理模块的总体结构，并按照功能将其划分 为三个子模块：模拟信号检测模块，同步采样脉冲发生模块和数据处理与通信模 块。在文章后续内容中，文章分别对这三个模块进行详细介绍。 模拟信号检测模块包括信号调理电路和模数转换电路两部分；前者主要包括 滤波电路、幅值调节电路和限幅保护电路；后者基于a d s 7 8 6 4 芯片完成。 同步采样脉冲发生模块为信号采样的同步性提供了保证。该模块利用数字锁 相环技术，跟踪时钟同步单元的秒脉冲信号，产生同步的采样脉冲信号。该模块 的设计基于c p l d 和v e f i l o g 语言实现。 数据处理与通信模块的设计基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 完成。文中首先分 析比较了同步相量测量常用算法，并选取了一种直接修正离散傅里叶法。然后结 合d s p 芯片，完成了算法的软件实现。在数据的通信上设计了与网络传输模块的 通信接口和用于功能扩展和调试的接口，前者在设计上采用了i e e e l 4 5 1 2 协议中 规定的t i i 接口，使其更具通用性，后者采用了r s 2 3 2 串口通信接口，方便与p c 机进行通信。 最后，文章进行了相关仿真和测试实验。仿真和实验结果表明，所设计信号 同步采集与处理模块能很好地完成对信号的采集，处理和数据通信功能，满足设 计要求。 关键词：同步相量测量，数字锁相环，离散傅里叶变换，d s p ，c p l d a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c ho fw i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s m m ，w h i c hi sb a s e do n s y n c h r o n i z e dp h a s o rm e a s u r e m e n t , h a sb e c o m eap o p u l a rs u b j e c t , b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e si ne n h a n c i n gt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s y n c h r op h a s o r m e a s u r e m e n td e v i c e sm o n i t o rs t a t u so fn o d e si np o w e r g r i da tt h es y n c h r o n i z e dt r i g g e r o fh i g h - p r e c i s i o nc l o c k ，a n ds e n dt h ei n f o r m a t i o nt ot h es e r v i c ec e n t r e ，s ot h a ta c h i e v e t h eo v e r a l ld y n a m i co b s e r v a t i o no fp o w e rg r i d t h i st h e s i sm a i n l ys t u d yo nt h e s y n c h r o n i z e ds i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gm o d u l eo fp h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t , a n d d e v e l o pt h em o d u l eb a s e do nd s pa n dc p l d a g e n e r a li n t r o d u c t i o ni sg i v e na tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s t h em o d u l ei s d i v i d e di n t ot h r e es u b m o d u l e s ：a n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，s y n c h r os a m p l i n g c o n t r o lm o d u l ea n dd a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e d e t a li n t r o d u c t i o ni s g i v e ni nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t a n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ec o n s i s t so fs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n d a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tc o n s i s t so ff i l t e rc i r c u i t , a m p l i t u d ea d j u s t m e n tc i r c u i ta n dl i m i t e rc i r c u i t a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i ti s d e v e l o p e db a s e do na d s 7 8 6 4 s y n c h r os a m p l i n gc o n t r o lm o d u l ep r o v i d e sag u a r a n t e et ot h es y n c h r o n i z a ：f i o no f t h es i g n a ls a m p l i n g t h em o d u l eg e n e r a t e ss y n c h r o n o u ss a m p l i n gp u l s eu s i n gd p l l ， a n d t r a c k i n gp u l s es i g n a lo fs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e t h ed e v e l o p m e n to ft h i sm o d u l ei s b a s e do nc p l da n d v e r i l o gh d l t h ed e v e l o p m e n to fd a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n sm o d u l ei sb a s e do nd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12 d i f f e r e n tw a y so fd a t ap r o c e s si sc o m p a r e df i r s t ；t h e n , a l l i m p r o v e dd f ti sc h o s e n t h ed e v e l o p m e n to ft h ea r i t h m e t i ci sb a s e do nd s et h e t h e s i sd e v e l o p st w od i f f e r e n ti n t e r f a c e s ：o n ei sf o rc o m m u n i c a t i o n 、析mn e t w o r kc a p a b l e a p p l i c a t i o np r o c e s s o ra n o t h e ri sf o rd e b u g g i n ga n de x t e n s i o n t h ef o r m e ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oi e e e 14 51 2 ；t h el a t t e ri s d e s i g n e da c c o r d i n gt or s 2 3 2 ，w h i c hc a n c o m m u n i c a t ew i mp ce a s i l y a tl a s t , r e l a t i v ee x p e r i m e n t si sm a d e ，w h o s er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d u l ec a n a b s t r a c t c o m p l e t et a s ko fs i g n a ls a m p l i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n , m e e t i n gt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s y n c h r op h a s o rm e a s u r e m e n t ，d i g i t a lp h a s e - l o c k e dl o o p ，d f t , d s p , c p l d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特，i i j ) j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 醐：1 “驯日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 新虢蕴乒 醐：1 年6 胪旧 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 随着现代社会对用电需求的不断增加，电力系统的规模日益扩大，现代电力 系统进入了大机组、高电压、大电网、远距离输电的时代。大电网运行因其在合 理开发利用资源、节省投资与运行费用、提高供电可靠性等方面的优越性，已成 为世界各国电力工业发展的趋势。但大电网运行在发挥其优越性的同时也使电力 系统变得更加庞大和复杂，给电网安全运行带来了潜在威胁。一些局部故障往往 会导致临近区域的连锁性故障，从而有可能造成大面积停电。因此，为了将事故 影响控制在小范围内，运行人员需要对各子站处的电压、电流基波信号的幅值、 频率、相角等信息进行同步监测，从而实时动态地了解电网的全局运行状况，以 便在系统发生故障初期及时采取相关措旌【l 】。 应用于电力系统的传统监测手段主要有各种故障录波仪和监控与数据采集系 统( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa e q u i s i t i o n ，s c a d a ) 。前者侧重于记录电磁暂态 过程，但由于采用瞬时值记录系统动态过程，使得系统整体动态特性分析困难； 后者侧重于监测系统稳态运行情况，但数据刷新间隔较长，只能用于分析系统稳 态特性。此外，二者还具有一共同的不足，即不同地点之间缺乏准确的共同时间 标记，记录数据只是对局部有效，难以用于对全系统动态特性的分析工作。 近年来，基于同步相量测量的广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n t s y s t e m m w a m s ) 在电力系统中的应用，为上述问题的解决提供了新的技术手段【z j 。 广域测量系统中的同步相量测量单元利用全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m - - g p s ) 的高精度授时信号，对电力系统广域范围内的各个节点动态信息进 行同步采集，从而实现对全网的实时监测和控制。该系统在电力系统中的应用为 解决电网安全稳定问题，提高电网动态安全水平提供了新的技术途径；系统中的 同步相量测量单元获取的数据也为电力系统在线应用领域中的分析、控制功能的 研究开发提供了新的信息源。 目前我国正处于电力发展的高峰期，全国性联网规模大，电源和负荷分布不 均衡，跨区域、远距离传输容量高，极有可能出现系统不稳定的问题。及时建立 和发展广域测量系统，从而对电网进行统一管理与调度，实时分析稳定性并排除 电子科技大学硕士学位论文 安全隐患，对保障经济高速发展将起到极为重要的作用。 本课题所研究的信号采集和数据处理模块是同步相量测量装置的重要组成部 分。该模块完成对各处电信号的同步采集和对采集数据的处理任务，其性能直接 关系到信息监测的准确性和同步性。因此，对它的研究具有很大的现实意义。 1 2 同步相量测量技术综述 1 2 1 同步相量测量技术原理概述 1 2 1 1 广域测量系统基本原理和结构简介 广域测量系统对广域范围内的电信号进行全局动态监控。图1 1 为广域测量系 统的结构图。该系统中各子站在时钟同步系统的控制下对电信号信息进行同步监 测，并将其对应状态监测信息发送至控制中心，从而实现对电网的全局动态监测。 图1 - 1 广域测量系统结构图 1 2 1 2 同步相量测量技术基本原理概述 同步相量测量技术是广域测量系统的关键技术。该技术的基本原理是利用高 精度时钟同步系统的触发对电网中各监测点的电压( 电流) 进行同步采样，并通 过分析计算，向控制中心提供该监测点的频率、相角、幅值等信息，便于对电力 系统全网状态进行同步监测。但长期以来，由于缺乏高精度的广域同步时钟，难 以保证各处信号采集的同步性，使同步相量测量技术的发展受到了制约。 2 第一章绪论 全球定位系统g p s 的出现，为解决了这一难题提供了一种有效的手段瞄j 。g p s 系统由空间分布的2 4 颗卫星、地面测控站和用户接收机三大部分组成，可向全球 提供免费的时间和地理坐标信息，这种信息全球都可以接收，且无气象条件限制。 其授时时间与国际标准时间u t c 误差小于l u s ，对5 0 h z 工频信号来说，其相位误 差不超过0 0 1 8 度。可以说，g p s 是广域时钟同步的有效的解决方案。 同步相量测量单元的基本组成单元结构图1 2 所利4 】。按照功能它可划分为时 钟同步系统、信号同步采集与处理模块和网络传输模块。 图1 - 2 同步相量测量单元基本结构 时钟同步系统主要功能是产生广域范围内的同步秒脉冲信号，触发各站点监 测的同步进行。一方面由于g p s 接收机有可能出现短期卫星失锁造成p p s 信号的 丢失；另一方面卫星试验、太阳风暴，运行现场强烈的电磁干扰等因素也有可能 导致p p s 秒脉冲误差过大。因此g p s 的秒脉冲信号不能直接用于同步监测的触发， 而需要先经过时钟同步系统进行处理。时钟同步系统的功能是产生广域范围内同 步的秒脉冲信号，具体来说，它在g p s 信号正常时提供以g p s 信号为基准的秒脉 冲信号，而在g p s 信号出现故障时提供一定误差范围内的替代秒脉冲信号。该模 块是同步相量测量同步性的重要保障。 信号同步采集与处理模块主要功能是以来自时钟同步系统的同步触发秒脉冲 信号为基准产生采样脉冲信号控制信号同步采集，并将采集数据经处理后发送至 网络传输模块。该部分包括采样脉冲发生器、信号采集单元和数据处理单元。采 样脉冲发生器跟踪时钟同步系统的触发秒脉冲信号产生规定采样频率的采样脉冲 信号，而时钟同步系统触发秒脉冲信号的同步性保证了采样脉冲发生器产生的采 3 电子科技大学硕士学位论文 样脉冲信号的同步性；信号采集单元完成对所规定的电信号的采集功能，将其转 换为数字信号；数据处理单元完成对采集单元采集得到的数字信号的处理任务， 以求取电压、电流基波分量信号的幅值、相角、频率等信息，并将处理后的数据 发送至网络传输模块。该模块是同步相量测量单元的重要组成部分，其性能直接 关系到对全网监测的准确性和同步性。 网络传输模块的主要功能是完成同步相量测量单元与控制中心的通信。它将 收到的来自信号采集与处理模块的数据经过网络传输至控制中心，并通过网络接 收来自控制中心的命令。该模块是连接各子站出同步相量测量单元与控制中心的 枢纽，是使监测具有全局性的关键。 1 2 2 同步相量测量的发展与研究现状 同步相量测量的研究始于2 0 世纪7 0 年代后期p h a d k e 等学者的研究1 7 j ，他采 用递推方式进行“对称分量离散傅立叶变换 ，解决了当时多种故障保护中硬件计 算能力不足的缺陷，首次在工程中应用了相量测量的概念。1 9 9 3 年美国研制出第 一台同步相量测量装置( p m u ) ，标志着同步相量测量技术的实用化，使同步相量 测量技术上升到一个新的阶段。此后，西方国家逐步把p m u 应用到电网监测中。 目前美国w s c c ( 西部电力系统协调委员会) 已经基本建成了以p m u 为基础的广域 测量系统( w a m s ) ，有近百个p m u 投入使用。在过去的几年里，这些p m u 记录 了电力系统中的多次事故，包括对1 9 9 6 年夏季美国两次大停电事故进行了全面准 确的记录，对事故原因分析提供了可靠的暂态过程数据。此外，日本和韩国也相 继研制出了p m u ，并进行了一些相应的控制理论的研究。一股使用p m u 加强对 大型电力系统监控的热潮正在全世界各国电力公司兴起瞄j 。 我国同步相量技术的研究工作开始于1 9 9 5 年前后，并在近几年得到了广泛的 重视和应用【1 0 1 。1 9 9 6 年清华大学用相量测量装置进行了动模实验研究，并在黑龙 江实现了相位测量和相邻点间相位观测，但该p m u 由于其主要功能是进行同步数 据采集，因而它没有在电力系统动态安全在线监测和稳定控制中发挥作用。中国 电力科学研究院先后在国调系统、南方电网、华东电网、东北电网、华中电网、 西北电网组建了多个电力系统实时动态监测系统，积累了丰富的研究和工程应用 经验。电科院将p m u 应用于发电厂就地监测系统，对电网状态、尤其是关系电网 稳定性的参数进行实时监视。该监控系统应用于华东电网系统，实时在线监测系 统的送电端和受电端的功角摆动及潮流变化情况，捕捉系统低频振荡信息资料， 4 第一章绪论 为华东电网的安全稳定运行提供强有力的技术支持，确保华东电网的安全可靠稳 定运行。此后，清华大学四方电力系统稳定控制研究所、北京四方继保自动化股 份有限公司联合推出了基于相量测量装置的c s s 一2 0 0 电网动态安全监测系统，南 瑞也研制了自己的同步相量测量产品s m u i l l l 。 随着现代电子技术的发展，新的技术和协议标准的出现和应用为同步相量测 量装置的开发研究提供了新的有力平台，而模块化的设计更有利于同步相量测量 装置的商品化，从而推动以同步相量测量装置为基础的广域测量系统的发展。因 此，新的电子技术和的应用和协议标准的应用和模块化设计将成为同步相量测量 装置开发研究的重要发展方向。 1 3 本文的主要工作 本课题的主要任务是对同步相量测量单元( p m u ) 中信号同步采集与处理模 块进行研究，并以d s p 和c p l d 为基础对其进行了软硬件的设计与实现。在对信 号采集的同步采样控制上设计了基于数字锁相环的采样控制系统，提高了同步采 样的准确性和可靠性；在对采集数据处理上，采用了改进的离散傅立叶变换法， 从而减小了数据处理结果的误差，并保证了数据处理的实时性。 本文具体工作及章节安排如下： 1 ) 在第二章中对p m u 的信号采集和数据处理模块进行了初期的研究与分 析，完成了模块的总体方案设计，并按照功能将其划分为模拟信号检测 模块，同步采样脉冲发生模块和数据处理与通信模块三个子模块。 2 ) 论文第三章介绍了模拟信号检测子模块的相关电路设计。该部分工作主 要包括信号调理电路设计和模数转换电路设计。 3 ) 论文第四章介绍了设计了同步采样脉冲发生子模块的设计。该部分的设 计利用了数字锁相环技术，并基于c p l d 和v e r i l o g 语言实现。 4 ) 论文第五章介绍了数据处理与通信子模块的设计。该部分工作主要包括 d s p 相关硬件电路设计、相量测量常用算法分析与选取、算法在d s p 中 的软件设计与实现以及数据通信设计。 5 ) 论文第六章对所设计信号同步采集与处理模块的进行了总体性能测试。 通过对测试结果的分析，证明了设计的正确性。 6 ) 最后，论文在第七章中对全文进行了总结和展望。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章信号同步采集与处理模块总体设计 2 1 信号同步采集与处理模块功能定义 信号同步采集与处理模块是同步相量装置的重要组成部分，它以来自时钟同 步系统的同步触发秒脉冲信号为基准产生广域范围内同步的采样脉冲信号控制信 号同步采集，并将采集数据经处理后发送至网络传输模块，其性能直接关系到对 全网监测的准确性和同步性。根据电力系统实时动态监测系统技术规范的要 求和本文设计的具体需要，对信号同步采集与处理模块进行了功能定义，对其功 能要求如下： 1 ) 模拟信号检测功能。该功能要求对三相电压、电流信号进行检测，将其变 换为适合采样的电压信号后将其转换为数字信号。它包括对电信号的信号 调理和对调理后信号的模数转换功能。 2 ) 同步采样脉冲发生功能。该功能要求以来自时钟同步系统产生的同步秒脉 冲信号为同步基准，产生在广域范围同步的采样脉冲信号。该采样脉冲信 号需要对来自时钟同步系统的同步秒脉冲信号进行跟踪，以保证广域范围 内采样的同步性。 3 ) 数据处理功能。该功能要求对模数转换得到的数据进行处理，并经过分析 计算得到三相电压基波相量、三相电流基波相量和频率。 4 ) 数据通信功能。该功能包括两个方面的内容，一方面要求将计算结果输出 至网络传输模块，另一方面为了模块的功能扩展和调试，增加了r s 2 3 2 串口设计需求。 2 2 信号同步采集与处理模块总体设计 本文所设计的信号同步采集与处理模块的基本结构图如图2 1 所示。按照模块 设计的功能定义，本文所设计的信号同步采集与处理模块可以进一步划分为三个 子模块：模拟信号检测模块，同步采样脉冲发生模块和数据处理与通信模块。本 文在后面的章节内容中将围绕这三个子模块的设计进行详细介绍。 6 第二章信号同步采集与处理模块总体设计 嘉h 墨 到也 辩 i 滤i 1 波r i _ j 信号调理 冈 + i 波r 翥h 訾 到匡 酮限 磊h 蓬 理l l 路 采样脉冲发生单元h 同步秒脉冲信号 相同 时刻 采样 保持 模数 转换 数 据 总 线 田讧$ 3 2 0 f 2 8 1 2 恒回 土 u a r i 接口 t 通 信 接 口 r s 2 3 2 接口hr s 2 3 2 电平转换 网络 传输 模块 图2 - 1 信号同步采集与处理模块基本结构 模拟信号检测模块包括信号调理电路和模数转换电路两部分。其中信号调理 电路完成将待测信号转换为适合采样和a d 转换的电信号，它包括滤波电路、幅 值调节电路和限幅保护电路。滤波电路在信号采样前对信号进行滤波处理，消除 信号中的高频成分，满足采样定理，以避免混叠现象的产生；幅值调节电路主要 对传感器采集的得到的信号进行调幅处理，以满足采样及a d 转换器件的输入要 求；限幅电路在输入信号过大时将其幅值限制在允许范围内，从而对后续采样和 模数转换电路起到保护作用。模数转换电路是连接模拟信号与数字信号的桥梁。 电力系统要求在对三相电流电压信号采样时应保证具有同时刻性，并在进行下一 次采样前完成所有通道的模数转换。设计中选用了a d s 7 8 6 4 芯片，它具有6 通道 同时采样的功能，每个通道最小转换时间位2 u s ，转换精度为1 2 位，满足上述信 号采样和模数转换要求。 同步采样脉冲发生模块为广域范围内信号采样的同步性提供了保证。它利用 数字锁相环技术，跟踪时钟同步系统的秒脉冲信号，产生广域范围内同步的采样 脉冲信号。该模块的设计基于c p l d 和v e r i l o g 语言实现。c p l d 的连续式布线结 构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而f p g a 的分段式布线结构决定了 其延迟的不可预测性。因此，选用c p l d 能够更好地保证采样信号的同步性。 数据处理与通信模块的设计基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 完成。由于广域测 量对同步性的要求，在数据处理上选用了定频采样离散傅里叶算换法。但是由于 电力系统的频率并非始终为额定工频5 0 h z ，而会围绕工频出现一些波动，因此在 7 电子科技大学硕士学位论文 定频采样的情况下无法保证采样频率为实际工作频率的整数倍，将造成栅栏效应 和频谱泄漏现象，给计算结果带来较大误差。因此本设计选用了一种改进的d f t 算法，以减小计算误差。d s p 开发软件中的傅里叶变换等相关库函数给算法的软 件编程实现带来了方便。数据的通信主要包括与网络传输模块的通信和调试串口 的通信。在与网络传输模块的通信上采用了i e e e l 4 5 1 2 协议中规定的t i i 接口； 为了方便调试和功能扩展，本文还设计了r s 2 3 2 串口通信接口，方便与p c 机进 行通信。 2 3 本章小结 本章根据信号同步采集与处理模块的功能定义，完成了该模块的总体设计方 案，并按照功能将信号同步采集与处理模块的设计划分为了三个子模块：模拟信 号检测模块，同步采样脉冲发生模块和数据处理与通信模块。在文章后续内容中， 将以这三个子模块的设计为主线进行介绍。 8 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 模拟信号检测模块完成将模拟待测电信号转换为数字信号，它包括信号调理 电路和模数转换电路两部分。本章详细讲述了该模块的设计原理，并给出了具体 设计电路。 3 1 信号调理电路设计 由于幅值和杂波干扰等原因，待测信号通常不能直接用作信号采样和模数转 换，因此需要信号调理电路对其进行调节。本文中待测信号需要进行的调理主要 包括通过传感器进行信号采集、滤波、幅值调理和限幅保护。 3 1 1 信号调理电路的组成 信号调理由信号采集传感器、滤波电路、幅值调理电路和限幅电路四部分组 成，如图3 1 所示。信号采集传感器采集被测电信号后，将采集得到的模拟信号送 入滤波电路，进行抗混叠滤波。滤波后的信号经过幅值调理电路，将其幅值线性 变换到适合采样的范围内。限幅电路在电路中起着保护作用，防止电压过高造成 后端电路的损坏。 图3 - 1 信号调理的组成 3 1 2 传感器的选择和使用 由于待测强电信号不适宜直接进行信号采集，因此首先需要将其变换为弱电 信号。该功能由信号采集传感器完成。本设计选用了北京耀华公司的t a v l 4 互感 器作为传感器进行信号采集。其性能指标如表3 1 所示。 9 电子科技大学硕士学位论文 表3 1t a v l 4 精密电流电压互感器性能参数表 输入输出 功能变比抗电强度非线性度取样电阻相移 范围电压 3 0 0 0 ：16 v3 6 0 0 q 电流互感器5 a6 0 0 0 v5 1 5 0 0 ：l 3 v 0 3 9 0 0q 电压互感器 1 5 0 0 ：1 5 0 0 3 8 0 v3 0 0 0 v2 4 v4 0 0 q3 0 按照图3 2 不同的接线方式，该互感器可分别用做电流互感器和电压互感器。 3 1 3 滤波电路设计 图3 - 2t a v l 4 互感器接线图 柰奎斯特采样定理要求采样率大于等于信号中的最大频率成分的2 倍，否则 会引起混叠现象。信号采样单元的采样率决定了信号中允许含有的最高频率成分。 因此，对传感器采集的信号，需要经过低通滤波器，滤除高频信号以满足采样定 理要求。 本文在设计上选用了基于运放的有源低通滤波器。与无源滤波器相比，有源 滤波器由于不使用电感，因此具有体积小、重量轻等优点，也不存在电感带来的 损耗和非线性；同时由于运放具有增益大、输入阻抗高、输出阻抗低等特点，因 而它兼有放大和缓冲作用。但由于运放带宽的限制，运放有源滤波器主要用于中、 低频段【l2 。 有源滤波器的研究已经成为一个很成熟的课题，已有很多经典电路。本小节 选用了“s a l l e na n dk e y 电路的二阶有源低通滤波器，并根据本文设计需要对滤 波器电路参数进行了选择，并通过m a t l a b 仿真对其性能进行了分析，完成设计。 1 0 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 3 1 3 1 有源滤波器基本结构及原理 “s a l l e na n dk e y ”电路构成的二阶有源低通滤波器由一个运算放大器、四个电 阻和两个电容构成，如图3 3 所示。 图3 - 3s a l l e na n dk e y 电路组成的二阶有源滤波器 为简化设计，在电路中取电阻r 3 = r 4 = r , 电容c i = c 2 = c ，可以得到此时有源滤 波器的闭环增益、自然角频率和阻尼系数 如= l + r 2 r 1 1 2 丽 孝= 寺( 3 一如) 再根据二阶低通滤波器频率特性通式 加咖两 可以得到此时二阶滤波器的幅频特性和相频特性分别为 日( 回) = 咆卜一 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 由此可知，二阶低通滤波器的滤波特性主要取决于阻尼系数孝和自然角频率 电子科技大学硕士学位论文 哝。其中阻尼系数孝决定了滤波器的幅频特性有无峰值。研究表明，当孝= 1 芝时， 通带最平坦，但过渡带下降缓慢，此时3 d b 带宽角频率为；当孝 1 互时，通带内幅频特性曲线无峰值，但因带外抑制特性 较差，这种情况通常不使用【1 2 1 。 3 1 3 2 有源滤波器参数选择及性能分析 根据上一小节中所讲述f 对滤波器性能的影响，结合信号放大的要求，本设计 选择r 1 = r 2 ，此时4 ，= 2 ，善= 2 ，3 d b 截止频率为蛾。 以国蛾为自变量，在m a t l a b 中仿真得出幅频特性曲线和相频特性曲线。 其中图3 - 4 为幅频特性曲线，其横坐标为国魄，纵坐标为2 0 1 9 1 日f 缈) l ，单位为d b ， 图3 5 为相频特性曲线，其横坐标为国奴，纵坐标为相角口( 缈) 的角度值。 根据本文设计的要求，滤波器需要让5 0 i - - i z 左右的基波信号很好地通过。因此 在设计时应尽量减小滤波器对基波信号幅值和相角的影响。从图3 - 4 的和图3 5 可 以看出，在c a c a , , 为1 附近，幅频特性和相频特性曲线都出现较大波动，因此通带 截止频率的选取应大于5 0 h z ，避免本文所需要保护的频段频率国与蛾的比值 国蛾落在1 附近。因此选择了通带截止频率为2 0 0 h z 左右。 图3 4 幅频特性曲线 1 2 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 ； 。 。 。i 图3 - 5 相频特性曲线 本设计中的信号采样率为6 4 0 0 h z ，因此根据采样定理，滤波器需要滤除大于 3 2 0 0 h z 的频率成分，因此选定滤波器阻带起始频率为3 2 0 0 h z ，并设定阻带最小衰 减为4 0 d b 。 根据上述参数选择及性能要求，初步选定电路参数值r l = r 2 = r 3 = r 4 = 4 7 0 0 欧 姆，c 1 = c 2 = 1 微法。其中，在对r 1 和r 2 阻值选择时要尽量选择与r 3 和r 4 阻 值相等，以保证运放两输入端的直流电阻相等。 根据以上选择参数，可以得到此时通带截止频率约为2 1 2 8 h z ，阻带最小衰减 为4 1 d b ，满足设计要求。 由于电力系统稳态运行时的基波频率波动范围在4 9 h z 5 1 h z t l 3 】，因此本文特 别对滤波器在该频段的特性进行了分析，以对保证稳态运行时的测量具有更高的 精度。以频率国为横坐标，日( 缈) 为纵坐标，利用m a t l a b 画出该频段的幅频特 性曲线如图3 - 6 所示；以频率国为横坐标，相角9 ( 国) 的角度值为纵坐标，利用 m a t l a b 画出该频段的相频特性曲线如图3 7 所示。 从图3 - 6 中更可以看到，在该段频率中日( 国) 具有很小的变化，因此该波动对 该频段信号幅值的影响可以忽略。而从图3 7 中的相频特性曲线可以看出滤波器对 该频段的相位具有较大延迟，需要在数据处理时对相位计算结果进行补偿。 印 加 扣 。 加 加 舶 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 64 9 - 51 h z 频段幅频特性曲线 图3 74 9 5 1 h z 频段相频特性曲线 从图3 7 中可以看出相位与频率关系近似为一条直线，通过计算可以得到此直 线方程为： 0 = - 0 2 9 9 8 f + 1 0 2 1 3 1 4 ( 3 - 3 ) 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 其中厂为当前频率值，口为对应的角度值。数据处理得到频率厂后，在精度要求不 高时，可以利用式( 3 3 ) 进行相角的补偿，以减小滤波对相位的影响。此外，从 图3 - 5 可以看出，当国q 值在0 l 时c o c o 与相角o ( c o ) 可以近似为线性关系，因 此，在频率超出4 9 - 5 1 h z 的范围时同样可以利用此公式进行补偿计算。当精度要 求较高时，可以利用式( 3 2 ) 的相频特性公式得出准确角度补偿值，但计算量相 对较大。 3 1 4 幅值调理电路设计 由于互感器采集的信号的幅值不满足a d 转换器的输入范围，因此需要对采集 的信号进行调理后再输入后续a d 转换电路。本设计中互感器采集得到的信号需 要经过两方面的调理：信号幅值的放大和中心偏置电压的加入。信号幅值放大主 要是因为互感器采集得到的信号幅值过小，使转换的精度降低，该部分功能在有 源滤波器电路中已完成；中心偏置电压的加入主要是因为设计中采用的a d s 7 8 6 4 芯片不允许输入负电压，否则会造成a d 转换芯片的损坏。 中心偏置电压调理电路设计如图3 8 所示。设计中选用了放大器o p a 2 2 2 7 。 o p a 2 2 2 7 是t i 公司的一款高精度、低噪声运算放大器，其噪声密度为3 n v 勉， 最大偏移电压为7 5 u v 。在放大器电路设计上采用同相输入负反馈电路，其优点是 输入阻抗高，输出信号相位不发生变换。 经过放大后的信号经过电阻r 5 接入中心电压偏置电路，并将a d s 7 8 6 4 芯片 的r e f o u t 引脚输出2 5 v 电压连接到电阻r 7 上，将电阻r 7 与r 5 相连。若r 5 左端的输入电压为v j ，则其右端电压为( 2 5 r 5 + r 7 v , ) ( r 7 + n s ) 。当取r 5 = r 7 时， i b 右端电压为( 2 5 + v , ) 2 ，此电压经过放大倍数为2 倍的同相放大器，经过采样 限幅电路，输入a d s 7 8 6 4 芯片的+ 烈端，输入电压为( 2 5 + ) ，从而可以将输入 的2 5 v 一2 5 v 电压线性变换到0 - - - 5 v 的范围内。 图3 - 8 信号放大调理电路 电子科技大学硕士学位论文 3 1 5 限幅电路设计 3 1 5 1 限幅电路原理 在数据采集模块中，一旦a d 转换芯片毁坏，就不能完成对信号的检测和监控。 输入信号幅值过大是a d 转换芯片烧毁的一个重要原因。因此，在设计中通常需 要加入限幅电路，将输入信号的幅值限定在a d 转换芯片允许的输入范围内，从 而对a d 转换芯片起到保护作用。 传统的限幅电路从功能上看没有问题，但是却存在拐点不陡峭，二极管等效电 阻与采样电阻并联改变输入阻抗等缺点，从而影响了采样的精度。本文参考文献 1 4 提出的采样限幅电路，结合本项目的具体需求，设计了一种双向限幅电路。 该电路能将输入信号幅度限制在r e f r e f + 范围内，并且具有拐点陡峭，对采样 精度影响小等优点。 双向限幅电路原理图如图3 - 9 所示。其中r e f + 和r e f 为正负的电压限幅值。 以r e f + 的限幅工作原理为例，对该电路工作原理进行分析。 图3 9 双向限幅电路 当输入信号幅值低于r e f + 而高于r e f 时，此时与r e f + 相连的放大器输出正 电压，且电压高于输入电压，二极管d 2 反偏截止；而与r e f 相连的放大器此时 输出负电压，且此电压低于输入信号电压，使二极管d 1 反偏截止。因此此时 a d s 7 8 6 4 i n + 引脚的电压与输入信号电压相等。 当输入信号幅值高于输入r e f + 时，此时二极管d 1 反偏截止，而与r e f + 相连 的放大器输出电压低于输入信号，使二极管d 2 导通，从而该放大器形成负反馈电 路，输出电压为r e f + ，从而将此时i n + 引脚的电压幅度限制为r e f + 。 当输入信号幅值低于输入r e f 时，此时二极管d 2 反偏截止，而与r e f 相连 1 6 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 的放大器输出电压高于输入信号，使二极管d 1 导通，从而该放大器形成负反馈电 路，输出电压为r e f ，从而将此时烈+ 引脚的电压幅度限制为r e f 。 在本设计中a d s 7 8 6 4 输入引脚的输入范围为0 5 v ，因此，选择r e f + 为5 v ， r e f 为0 v ，达到限幅的目的。 3 1 5 2 限幅电路功能测试 本小节利用t e k t r o n i x 公司的生产的t d s 5 0 3 2 b 示波器对输入信号幅值在限幅 电压范围内和范围外时电路的输出进行了测试。本文设计的限幅电压范围为o 5 v 。 图3 1 0 为输入电压在限幅范围内时的波形对比。图中上面的曲线为输入的信 号，由c 1 通道测试得出，下面的曲线为经过限幅电路后的曲线，由c 2 通道测试 得出。由该图中c 1 通道和c 2 通道的测试结果可以看出，该限幅电路在输入信号 幅值在限幅范围内时对波形几乎没有影响。二者幅值的微小差别主要是由于图3 - 9 中电阻r 2 1 的分压作用造成。在精度要求不是特别高时，该影响可忽略不计。对 精度要求较高情况，可以通过软件处理对计算结果进行补偿。 图3 1 0 输入电压在限幅范围内时的波形对比 图3 1 l 为输入电压在限幅范围外时的波形对比。图中上面的曲线为输入的信 1 7 电子科技大学硕士学位论文 号，其幅值超过了限幅电路的限幅范围，由c 1 通道测试得出；下面的曲线为经过 限幅电路后的曲线，由c 2 通道测试得出。由该图中c 1 通道和c 2 通道的测试结 果可以看出，该限幅电路在输入信号幅值在限幅范围外时能有效地将幅值限制在 所设定范围内，对后续电路起到了保护作用。 图3 1 l 输入电压在限幅范围外时的波形对比 3 2 模数转换电路设计 3 2 1 交流采样的原理及要求 本设计中对信号的采集采用了交流采样技术。交流采样技术是对互感器二次 回路中的交流电压信号和交流电流信号直接采样，根据一组采样值，通过对其模 数转换将其变换为数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率、电能等电气量 值。与变送器测量法相比，交流采样具有成本低，测量精度高等优点，因此得到 广泛的应用【1 5 j 。 交流采样在设计中需要考虑两方面的要求：一是对各路信号的采样需要具有 同时刻性，二是采样率的选取。 1 8 第三章模拟信号检测模块的设计与实现 按照功率的定义，一条线路上的交流电压、电流的采样应同时测取，为此， 对于按相电压、相电流测取功率的，需要6 个采样保持器进行同时采样测取。 a d s 7 8 6 4 芯片具有6 路采样保持输入，通过操作相关控制引脚，可以对输入的6 路信号同时进行采样保持。 为了避免混叠现象的出现，系统采样率需要满足奈奎斯特采样定理。在实际 设计中，由于前端滤波电路中过渡带的存在，因此采样率选取高于信号中所含最 高频率的2 倍，以避免过渡带对需要提取信号幅值和相位的影响。另一方面，过 高的采样率又会造成硬件成本的增加，同时也使数据处理更复杂化。因此采样率 应该以奈奎斯特采样定理为依据，并结合实际需求进行选取。电力系统实时动态 监测系统技术规范对应用于电力系统中交流采样的采样率做出了详细规定。以 此为标准，结合本设计的具体情况，选取采样率为6 4 0 0 h z 。 3 2 2 信号采样及a d 转换电路设计 3 2 2 1a d s 7 8 6 4 芯片介绍 依照电力系统实时动态监测系统技术规范的对测量精度的要求，本设计 中选取了芯片a d s 7 8 6 4 进行信号采样和a d 转换电路设计。a d s 7 8 6 4 是 b u r r - b r o w n 公司( 已被德州仪器公司收购) 开发的双1 2 位a d 转换器，其引脚图如 图3 1 2 所示。 求； 图3 1 2 a d s 7 8 6