基于ARM与CPLD的电网过电压采集系统设计

36 第45卷第3期 2009年6月 高压亡譬 HigIl Voltage App啪tu8 V01 45 No 3 Jun 2009 基于A蹦与CPLD的电网过电压采集系统设计 刘伟明1 杜林2 司马文霞2 王有元2 1 广州电力设计院 广东广州510610 2 重庆大学输配电装备及系统安全与 新技术国家重点实验室 重庆400030 摘要 介绍了一种基于ARM与CPLD的电网过电压采集系统 该系统包括数据采集 模块和监控模块两部分 采集模块采用 CPLD作为控制核心芯片 支持预触发和变频采样功能 监控模块处理器采用ARM 芯片 将过电艟信号数据存人CF卡中 并通 过以太网传输给PC工作站 该系统具有体积小 联网灵活方便 性价比高等优 点 实验测量结果表明 采集系统测量精度高 工 作稳定可靠 满足电网过电压监测要求 达到了预期设计目标 关键词 嵌入式系统 电网过电压 数据采集 以太网 中图分类号 TM886 文献标志码 A 文章编号 100卜1609 2009 03 0036 04 Data Acquisition System for Power System oVervoItage Based on ARM and CPLD UU Wei min91 DU Lin2 SIMA Wen xia2 WANG You yuan2 1 Guangzhou Electric Power DesigrI InBtitute Guangzhou 510610 China 2 S协te Key Labomtory of Tmnsmission Distribution Equipment and Power Sy8tem Safe y and New Techn0109y chongqing Univers时 Chongqing 400030 China Abst聃ct A data acqui8ition system for ovenroltage in power system based on ARM aIld CPLD is discussed ne system includes 8 data acquisition moduie and a monitoring module T1le data acquis ion moduIe with pre trigger acquisition and Variable sampling speed technique employs a CPLD 舾its main contml chip An ARM chip is adopted as the CPU in monitoring unit which stores the over voltage data in CF card舳d tmnsmi协them to t le PC work station thmugh Et lemet nIe sy8tem h鹊many adv蚰tages such 鹊small dimension convenient networking and high pe怕rnl卸ce t0 price ratio The test results indicate t lat the acquisition 8ystem has high accumcy and stabilit t0 sati虹 tIle requirements of overvoltage monitoring for po 佗r system 1 ey words embedded system power system overvoltage data acquisition ethemet O 引言 电力系统的工作可靠性与其绝缘水平和过电压 大小密切相关 运行经验表明 电力系统的绝缘事故 主要由过电压引起 因此对电网过电压进行在线 监测 实时获取电网过电压波形及其特征参数 并根 据监测数据进行合适的绝缘配合设计 对保证电网 安全运行具有重要意义 引 目前国内外过电压采集系统大多采用基于工控 机和通用采集卡的集中式监控 这种监控结构简 单 技术成熟 可靠性较高 但由于测量系统阻抗难 以精确匹配 过电压高频模拟信号的长距离传输 信 号会衰减和畸变 且集中式监控扩展不灵活 成本高 等缺点也限制了过电压在线监测系统的实际应用 为此 提出了一种新型过电压采集系统的设计方案 它与传统监测系统相比 具有技术先进 扩展方便 联网灵活 性价比高等优点 1 过电压在线监测系统总体结构 过电压在线监测系统主要分为后台监控主机和 前台过电压采集单元两大部分 数据采集单元通过 交换机与监控主机互连 双方通过以太网进行数据 交换 后台监控主机采用变电站内监控屏工业控制 机或是局内远程MIS系统工作站 其任务是设置过 电压采集单元参数 接收其采集的过电压数据 经分 析处理 将波形及计算结果保存到数据库 过电压采 集单元处于现场高压母线分压器附近 其数量由被 监测的电压回路数目决定 可根据现场实际情况方 收稿日期 2008一09 0l 修回日期 20019 O卜23 基金项目 重庆市科委自然科学基金重点项目资助 2005BA6021 作者简介 刘伟明 1980 男 硕士 主要从事电力系统规划设计 万方数据 2009年6月杰压亡z 第45卷第3期 37 便扩充 过电压采集单元采用模块化设计 主要包含 监控模块和采集模块两部分 采集模块负责电网过 电压信号的实时高速采集 在电网出现过电压时 触 发采集模块自动实现波形记录 数据存储在采集模 块的缓存中 监控模块将故障数据存入CF卡后 启 动采集模块进行下一次的过电压波形记录 存储于 CF卡的波形数据由监控模块定时或在需要时通过 以太网发送给后台监控主机 以便由相应的分析软 件进行波形特征分析 过电压采集系统的总体结构 见图l 过电压采集单元 控制室现场佻 诵 监控l光纤辑 主 二机J r一乜U r q囵咽 图l 监测系统的总体结构图 2数据采集模块的实现 交流电力系统中的电气设备 在运行中除了有 持续工频电压作用外 还受到过电压的作用 电力 系统中的过电压类型多种多样 其产生原因也各不 相同 究其根本来说 可分为内过电压和外过电压两 大类型 外过电压波头陡 持续时间短 根据实测 大部分雷电冲击的波前时间在0 5 10汕s 根据傅 里叶分析 波前时间为0 5 s的雷电过电压信号 不考虑波前的振荡信号 最高频率成分为2 MHz 据采样定理要求 要重现原始信号 采样率必须大于 或等于信号频率的两倍 实际工程应用中 通常取采 样频率为信号频率的5到lO倍来精确呈现原始信 号 因此电网过电压的采集要求有很高的采样频率 文中外过电压的采样频率为40 MHz 内过电压波头 较缓 等效频率较低 但其持续时间相对较长 若以 采集外过电压的高速采样频率完整采集内过电压 则数据量大 对数据存储 传输 分析都会增加许多 麻烦 如何在较小容量的存储器条件下完整记录电 网内 外过电压是过电压信号数据采集的主要技术 难点 2 1数据采集模块的硬件结构 采集模块共有3个模拟输入通道 分别对应电 网的3相电压输入 单通道的存储深度为256 k 字 模数转换器采用12位AD芯片ads807 最大转 换速率为53 M 采集模块采用ALl ERA公司的 CPLD芯片EPM3256ATCl44作为控制核心 采集模 块的硬件结构见图2 输入l 输入29 输入3 g 外触发廷一母署酬恒2琴 嶝陋瑟触发逻辑l 控制 内部时钟时钟 时序控制 图2采集模块硬件结构框罔 ARM 总线接口 2 2 D采样与数据存储控制 CPLD将内部时钟分频后作为A D的采样时钟 和RAM地址发生器的计数时钟 在进行采样的同 时 同步提供RAM地址信号和写信号 把每次的结 果直接存到RAM 且自动递增RAM地址 当加转 换的数据采样点数超过存储器的最大容量 新数据会 由零地址起覆盖I臼数据 采集单元若没有收到触 发信号 这个过程是周而复始的 若触发 存储器存 满后 停止采样 通过中断通知监控单元读取数据 采样与数据存储控制功能的Maxplus 仿真波 形见图3 CLK为输入时钟 ADCLK为采样时钟 ADOE为AD的片选信号 Addclk为地址计数器时 钟 RAMCE RAMWE RAMOE分别为RAM的片选 写信号与读信号 Rdadd 17 o 为RAM的地址信号 H I K 0 l 1 嗣一IIcDIV 30 H Dc O i J JE l 叫dClk 0 i J McE i ll wE O IH OE l Mv n九 n T nn月nc l 网3 AD采样与数据存储控制功能仿真波形 2 3预触发变频采集技术 采集模块具有预触发功能 能够记录电网故障 前一段时间内的电网电压信号 为了能在存储器容 量一定的条件下完整记录电网内 外过电压 采用了 变频采样技术 预触发变频采样技术实现原理 设整个存储器 的长度为L 保存电网故障前电压波形的数据长度 为L 厶吐 称为预触发长度 以低速采样频率足 采样得到的数据长度为L 称为变频采样长度 在 电网正常情况下 采样卡一直以高速采样频率E连 续采样 当电网出现过电压 CPLD同时启动其内部 的两个计数器分别从零开始计数 当计数器2计数 到 一 广 后 自动将A D采样和地址发生器时钟 切换为设定的频率R 当计数器1计数到 一厶 时 万方数据 38 High Voltage Appamtus 停止采样 设出现过电压信号时对应的RAM地址 为触发点 AD采样停止后对应RAM地址起点为 预触发点 采用预触发变频采样模式采集完成后 整个RAM中数据存储的格式见图4 预触发点触发占蛮频点 图4变频预触发采样原理 将高频采样频率E设置为40 Msps 其采样长 度为1 ms 低频采样频率R设为100 ksps 则其采 样长度为2 2 s 这样既可以采集高频快速的外过电 压 又可在较长时间内记录系统内部过电压的发生 情况 从而可记录不同形式的过电压 3监控模块的实现 3 1监控模块硬件结构 监控模块负责采集模块控制 故障数据的读取 并将数据以故障文件的格式存盘 然后定时或在需 要的时候通过网络控制单元将数据与后台服务器以 TCP IP协议方式进行高速通信 监控单元硬件结构 见图5 71 I兰竺竺竺I牟 专 鹱 爿接u 阿砧LPC2214 曙习 悟256 k字r叫 图5监控模块硬件结构框图 监控模块采用基于ARM7TDMI内核处理器 LPC2214作为处理器 为了实现TCP IP协议栈 利 用其Bank 口外扩了256 k字的SRAM CPU通过外 部总线与采集模块 CF卡接口电路和网卡控制器进 行连接 时钟芯片PCF8563通过12C总线与CPU相 连 复位监控芯片CATl025内部集成了2 k位 EEPROM 可用于保存网卡地址 采集单元的控制参 数等基本信息 系统中扩展了一片CPLD器件构成 接口电路并实现各种泽码功能 3 2采集模块控制 系统上电运行时 监控模块要对采集模块进行 初始化操作 当采集模块完成一次数据采集后 监控 模块读取对应的采集模块中的数据存盘 数据读完 启动采集模块进行下一次采样 采集模块通过I O端口发出读写地址控制信 号 建立起与监控模块之间的联系 地址选择控制电 路由基址和变址译码单元组成 基地址由CPU的片 选信号CS 与地址线A A笠译码产生 变址是A A0 监控对采集模块的操作共有16种读写命令 采 集模块中的CPLD对监控单元命令进行译码 决定 进行何种操作 3 3 CF卡接口控制 CF卡是一种基于闪存技术的通用存储器件 具 有存取速度快 体积小 重量轻 功耗小 抗冲击能力 强 可靠性高等优点 系统使用512 MB的Compact Flash CF 卡作为存储媒体 用于存储过电压信号 使用CF卡的Tme IDE模式与ARM处理器接 口 由于LPC2214的总线时序与CF的操作时序不 一致 设计中采用CPLD来实现时序转换 CF卡内 部存储空间分扇区管理 每个扇区512字节 使用 LBA模式寻址各扇区 CF卡一次性最多可连续读写 256个扇区 即128 k字节的数据 设计中经测试发 现 在一次性读写数据不超过128 k字节的情况下 CF卡的读写速度与一次性读写数据量的大小成正 比关系 为了提高读写效率 设计中每次连续读写 256个扇区 3 4以太网接口控制 网络控制芯片选用10 100M自适应芯片 DM9000A 该芯片集成度高 功能强大 体积小 性 价比高 非常适用于嵌入式系统设计 网卡控制器采用16位模式 16位数据总线直 接与CPU数据总线相连 片选信号CS由译码电路 产生 命令 数据使能端CMD与ARM的地址线赴 相连 读写控制信号分别与ARM的读写控制器相 连 由于复位信号PWRST与处理器的复位信号 nRST同为低电平有效 因此町将这两个引脚相连 这样在系统上电复位处理器的同时也对网络控制器 进行硬件复位 网络控制接口电路见图6 EINT INT CS A MD 来自复化电路以冬网 nRD 10R PWRS r nWR lOW 叫Hs 日 觜 n D nI Dl 图6网络控制接口示意图 网络控制软件主要分为底层的网卡驱动程序和 上层的通信协议两大部分 驱动程序主要包括 DM9000A的初始化 接收数据和发送数据3个部 分 上层通信协议部分采用TCP IP协议 由于嵌入 式硬件资源和实时性的限制 要求TCP IP协议占用 存储资源尽可能小 处理速度足够快 应针对应用的 万方数据 2009年6月杰压亡譬第45卷第3期 39 特点对TCP厂 P进行必要的裁减与优化 该系统的联 网只是一个通信手段 主要用于传输二进制数据 所 以只需选择最小结构 只要保证借助Intemet能正 确传输二进制数据即可 笔者采用的网络协议程序 流程图见网7 图7网络协议程序流程图 实际应用中 将各过电压采集单元作为客户端 监控主机作为服务器 客户端定时调用连接函数与 服务器进行连接 服务器实时监听端口 当连接成功 后 双方按照规定的通信规约进行数据交换 4系统测试 为了验证设计的采集系统性能 在实验室进行 了标准雷电冲击测试试验 利用冲击电压发生器产 生标准雷电冲击电压信号 运用设计的系统和标准 测量系统同时采集雷电波形 并对测量结果进行分 析比较 实验设备主要包括 2 400 kV 260 kJ型冲击电 压发生器 电容分压器MWF400一1600 标准测量系 统 过电压监测系统 高压引线以及同轴电缆等 实 验结构示意图见图8 图8中 为高压引线 C 为分 压器高压臂电容 C 为低压臂电容 O 冲击 电压I c2丰I 发生器I电容 I I竺L 图8实验结构示意图 实验测得的典型雷电冲击试验波形见图9 图9 a 为标准测量系统测量的波形 其波头时间为1 56肛s 幅值约为127 kV 图9 b 为过电压测量系统测量的 波形 其波头时间约为1 58 s 幅值为127 4 kV 测 量误差在l 以内 经过多次试验 可以得出 采集系统测量标准雷 电冲击的波前时间误差在 5 以内 当雷电波峰值 在10 200 kV以内 测量峰值误差在 1 以内 表 岜 出 脚 时间 岫 a 标准测量系统测量的波形 时间 LLs b 过电压监测系统测量的波形 图9雷电冲击电压试验波形 明测量系统在测量波前时间不小