电气工程及其自动化变电站绝缘在线监测系统的研究

1、. . 变电站绝缘在线监测系统的研究 装订线. . . 摘要：IAbstractII引言11 存在的问题和解决方式21.1 定期检修的现状及存在的问题21.2 在线监测技术的先进性22 绝缘在线监测系统的理论基础42.1 系统在线监测方法42.1.1 电容性设备介质损耗(tan)在线监测42.1.2 其他在线监测72.2 变电站绝缘在线监测系统的现场通信82.2.1 CAN总线介绍82.2.2 变电站绝缘在线监测系统的通信方案93 绝缘在线监测系统的总体设计103.1 绝缘在线监测系统的总体架构103.2 绝缘在线监测板卡的总体方案设计114 绝缘在线监测系统下位机的硬件设计134.1 信号调

2、理电路的设计134.2 DSP及其外围电路设计154.3 CPLD的电路设计及功能分析174.4 CAN总线通信的电路设计204.5 电源电路设计205 绝缘在线监测系统的软件设计225.1 CPLD的软件设计225.2 DSP的软件设计235.2.1 DSP的主程序流程235.2.2 FFT子程序的设计236 绝缘在线监测系统低压模拟试验27 总结与展望31参考文献32致谢33ContentsAbstractII 变电站绝缘在线监测系统的研究【摘要】变电站大型电力设备的可靠性水平对于保证电网的安全运行和提高供电质量极为重要，设备发生故障会导致大面积停电从而造成巨大的经济损失和社会影响。运用分

3、立的在线监测系统实现变电站的多设备在线监测，则存在系统构建功能的冗余，因此对变电站核心电力设备绝缘进行综合在线监测非常重要。本课题研究目标旨在实现变电站全自动绝缘在线监测，对变电站中的一些设备如耦合电容、电压互感器、电流互感器、避雷器等绝缘状态进行实时在线监测，对每台设备的绝缘参数进行一系列的数据处理、存储、越限值报警，并且实现数据远距离传输。本文介绍了现在电网设备中的检修状况，简要的说明了各种检修的特点。并且给出了信号采集的部分接线，以及各种处理器的应用问题。关键词：变电站 绝缘 在线监测 检修Study on the on-line monitoring system for Substa

4、tion InsulationAuthor： Zhang Haibin Supervisor：Lou Wei(Mechanical & Electrical Engineering College, Shandong Agricultural University)Abstract Substation reliability of large power equipment to guarantee the safe operation of power grid and improve the quality of power supply is extremely importa

5、nt, when equipment failures leading to blackouts will result in huge economic losses and social impacts.The research project goal is to achieve automatic substation insulation online monitoring of substation equipment in the coupling capacitor, transformer, voltage transformers, current transformers

6、 and surge arresters and other equipment, real-time monitoring of the state theaters, each device on different insulation parameters, data processing, storage and more limits alarm, remote transmission of data.This article describes the current status of network equipment maintenance, a brief analys

7、is of a variety of maintenance features. And gives the signal acquisition part of the wiring, as well as application processorsKeywords: Substation; Insulation; Line monitoring; Maintenance引言 检修技术伴随着变电站技术发展到今天，可大致分成三个阶段，或者可以说成是历经了两次改革，事故检修-定期检修-状态维修：第一阶段大约是发生在第二次世界大战前，那个时候是设备坏了才检修；第二阶段，大约延续到了70年代，检修

8、的特征是实现预测性检修（Preventive Maintenance），就是按照规定的时间进行检修；从第二阶段到第三阶段，是伴随着一种革新的观点和策略，是以可靠性为核心并具有预测性的检修，也称为状态检修。状态检修的时间间隔根据的是，包括设备的历史运行状态和数据的连续监测。监测的定义为在线的数据收集，包括传感器技术、测量技术和信号处理技术；诊断的定义为对所有的在线和离线数据进行全面判断1。电力设备的检测正在从定期预防性检测、故障后维修向预测性检测维修过渡。电力设备检测技术发展经历了从单片机的检测装置到DSP技术检测装置，再到计算机技术检测系统阶段，目前正向新型总线技术和网络技术综合检测系统进行发

9、展。一些目前的检测技术如光纤技术、信号采集与处理技术、PXI测控总线技术等已经在电力设备的检测中得到广泛应用。单台电力设备的绝缘在线监测技术以及产品已经有大量的研究并且得以应用，但电力设备的在线检测已经不再局限于对单个对象、单个模型具体化的研究，而是从单个设备、单项参数进行检测，诊断向多设备、多项参数进行综合检测与诊断的高集成方向进行发展，并且可以对在网络平台实现变电站内的电力设备进行综合在线检测与诊断，从而促进了电力系统自动化的长久发展。变电站电气设备的在线监测技术发展大致经历了3个阶段2 3：带电测试阶段，该阶段起始于70年代，当时只是为了不停电而对电气设备某些绝缘参数（主要是泄露电流等）

10、进行的直接测量，其结果简单，测试的项目极少，并且要求被试设备必须对地绝缘，而且测试的灵敏度非常差，因此应用的范围比较小，没有得到普遍应用。从80年代开始，出现了各种专用的带电测试仪器，从而使在线监测技术的发展开始从传统的模拟量测试逐渐走向数字化测量的轨道，摆脱了以前那种将测试仪器直接接入测试回路的测量模式，取而代之的是利用传感器将测量量转换为数字仪器可以直接测量的电气信号。同时，还出现了一些其他的用非电量测量反映设备状况的测试仪器，比如远红外装置、超声装置等。该时期比较具有代表性的带电测试仪器是日本研制的LCD-4型避雷器泄露电量测试仪。 从90年代开始，出现微机多功能在线监测系统，该系统主要

11、用以采集和处理数字波形。利用一系列高新技术，如先进的传感器技术、计算机技术、数字波形采集和处理等，从而实现了更多的绝缘参数（比如截止损失角正切值、电容量、泄漏电流、局部放电、色谱等）的在线监测。这种监测系统能够实时连续的巡回监测各个被测量量，因此，监测内容非常丰富，信息量非常大，处理速度极快，对与监测结果可显示、存储、打印、远传以及越限报警，从而实现了绝缘监测的全部自动化，也代表了现代在线监测的发展方向4 5。1 存在的问题和解决方式1.1 定期检修的现状及存在的问题电力系统中的各种高电压设备经常在不同的电压等级工作环境中，这些设备会引起一系列的绝缘特性变化，只有按照有关标准定期对这些参数实行

12、严格的测试，才可以确保电力系统的可靠地正常地工作，因此这些实验又称之为与反方向实验。计划预修制度是在1932年由苏联的一个工厂提出的，并且在1954年开始引进我国，对我国的设备管理制度起到了非常重要的作用6。该制度的主要内容包括：（1）日常维护；（2）定期检查；（3）计划修理，它是一种时间为基础的“定期维修”的预防维修制度。该制度的典型特征是设备运行一定的时间（规定周期）后，不管设备是否有无缺陷或问题都必须要停下来检查、实验、修理，就是所说的“到期必修”。这种管理制度也存在非常大的弊端，其中显著的弊端是极大的盲目性，修试过剩问题和修试不足问题同时存在。从目前供电企业的设备来看，主要存在的问题是

13、修试过剩，以至于造成大量人力、才力、物力白白投入，从而影响到供电企业可靠性的提高，甚至造成大量的人身事故和误操作事故。造成了绝缘老化的原因有很多，其中一些是设备制造时就潜伏下的因素，而另一些则是在外界的作用的影响下发展起来的，外界作用包括工作电压、过电压、大气影响、机械力、热、化学等等。因此在早期就发现电气设备绝缘劣化，以及在电力系统中经常进行一些预防性实验，从而及时发现缺陷，这些措施都可以减少事故的发生。这种传统的测试中也存在了许多缺陷，比如试验时需要停电、试验时间过于集中、工作量比较大，试验电压低（远低于设备的运行电压）、诊断的有效性非常值得研究；周期太长，无法及时发现设备劣化；受环境的温

14、湿度影响比较大，以及受现场强电场干扰比较大。1.2 在线监测技术的先进性供电设备中采用了在线监测系统后，可以向状态检修进行过渡，状态检修的优越性主要有以下几个方面7：适时的检修缺陷，这样可以预防一些设备事故的发生，从而提高运行了的可靠性；提高状态检修的质量和效率，增强状态检修的针对性，并且可以节省大量的人力物力；也可以延长检修周期，还可以提高设备的可用系数，减少了停机的时间和开停机的次数，最终可以极大地延长设备的使用寿命。美国国家电力研究院（EPRI）和国家工业设备维修公司（CSI）的统计数据表明8：在线电力系统设施的状态检修可以把设备利用率提高到2%-10%，并且可以把检修费降低25%-30

15、%，可以提高设备使用寿命到10%-15%。国家电力部DL/T596-1996电力设备预防性试验规程8也已明确地规定了“如过经使用考核证明，利用带电测量和在线监测技术可以达到停电试验的效果，经批准能做不停电试验或者适当延长试验周期。”从上所述，开展状态检修必将为电力企业带来非常大的经济和社会效益，这必然是检修发展的方向。绝缘在线监测技术是一项新科技，并且是状态检修中必不可少的技术手段之一9 10。2 绝缘在线监测系统的理论基础对采集到的传感器的信号进行分析处理是绝缘在线监测系统的研究关键，从而可以得到可靠的能够真实反映当前电气设备绝缘状况的参数数据。在系统设计的初期，对于不同设备可以检测到的参数

16、信号具体有哪些、这些参数信号能不能确切的显示当前电气设备的绝缘状态、这些检测方法的有哪些优缺点以及这些通讯方式该怎样选择等必须先有一个清楚深刻的分析，才能在总体得设计时游刃有余，从而可以确定出一套最佳的设计方案。表2-1 绝缘在线监测系统的监测范围及参数绝缘在线监测系统监测范围及参数设备名称在线监测参量变压器油中、等溶解气体含量;变压器局部放电量;高、中、低压侧套管绝缘介损、电容值、泄漏电流值;变压器铁心电流及是否多点接地的判断。氧化锌避雷器(MOA)总泄漏电流值、阻性电流有效值、阻性电流正峰值、负峰值、阻性电流峰峰值、功率损耗电压互感器(TV)一次电流电流互感器(TA)电容电流值、电容值、介

17、损值耦合电容器(OY)电容电流值、电容值、介损值电容式压变(CVT)电容电流值、电容值、介损值变电站支柱污秽泄漏电流变电站环境环境湿度、温度2.1 系统在线监测方法2.1.1 电容性设备介质损耗(tan)在线监测介质损耗是由于介质存在电导，极性介质中的偶极子转动时摩擦以及包含在介质中的空气间隙放电所造成的，介质损耗是表征绝缘材料以及绝缘设备的一项重要性能指标，它是只与材料的特性有关而与材料的尺寸及体积无关的物理量。具有损耗的电容性电气设备一般用并联电容或者电阻的等效电路来表示，图2-1和图2-2分别表示了其等效电路和等效电路的相量图。我们可以用并联电容和电阻的等值电路来计算电容性设备的介质损耗

18、(tan)。 其中，表示被测设备的运行电压，表示总泄漏电流。由图2-1中我们可以得到介质损耗： （2-1） （2-2） 由式（2-1）、（2-2）可得，角可以直接反映出介质损耗的大小，一般情况下都比较小，因此，习惯上也可以称tan为介质损失角。对于一些性能良好的绝缘介质来说，R非常大，然而却很小。 图2-1 电容性设备的等值电路图2-2是等效电路的相量图，我们可以用/2减去电压、电流的相位差从而计算出角的大小。 （2-3） 图2-2 等效电路向量图介质损耗的相量图满足狄里赫利条件电力系统的电压、电流，可按傅立叶级数分解为： （2-4） （2-5） 式（2-4）、（2-5），是电压的直流分量，是

19、电流的直流分量，是电压各次谐波幅值，是电流各次谐波幅值，是电压各次谐波相角 ，是电流各次谐波相角。式（2-4）、（2-5）可以表示为： （2-6） （2-7）我们可以根据两个三角函数乘积在一个周期内定积分为零的正交特性，将式（2-6）的两边同乘以，取一周期内的定积分并化简，可得：所以： （2-8）同理，由式（2-6）两边同时乘以，并取一周期内的定积分可得： （2-9）令k=1，式（2-8）除以式（2-9），可得电压基波相角： （2-10）按照相同的方法，可以由式（2-7）推得电流基波相角 ： （2-11）纯容性的试品，电流相角超前电压90°，介质损失正切： （2-12）考虑硬件电路对

20、电压、电流具有不同的相移，电压、电流间存在着一固定的相差，所以，应扣除影响，即： （2-13）对、进行离散数字化处理后，按照式（2-10）、（2-11）、（2-12）可求得容性设备介质损失角正切值。从式（2-10）、（2-11）可知，根据三角函数的正交特性，、中的直流分量不受硬件电路零漂的影响。介质损耗的测量分为以下两种方法： （1）模拟测量方法过去介质损耗的测量采用的主要有谐振法、瓦特表法、西林（Schering）电桥法。 （2）数字测量方法数字测量方法的原理其实是先将从传感器上采样的信号转变成数字信号，再送入单片机或者DSP进行数字信号处理，然后得到需要的绝缘参数值。数字测量方法包括过零电

21、压比较法、过零时差比较法、自由矢量法、异频电源法、谐波分析法等等。2.1.2 其他在线监测（1）变压器环境温度与湿度的在线监测我们通常采用气象部门常用一种叫做的木制百叶箱式测量方法。安装时，我们要将百叶箱放到变压器附近，这样可以感应现场的环境温度、湿度。传感器的线性度以及取样电阻稳定性决定了测试精度。（2）变压器铁心接地电流在线监测变压器的铁心电流数量级在几十毫安至几安培，有的甚至更大，通常采用程控放大器放大信号，来满足测量的要求。（3）变压器局部放电在线监测局部放电的在线监测系统是由高频谐振式电流传感器、抗干扰调节系统和信号采集系统组成的。抗干扰调节系统是局部放电在线监测系统重要的组成部分。

22、整个信号采集系统为电路设计为三个部分：a.模拟信号调制部分:包括信号放大、滤波、整形以及电压的提升。b.数据的采集、存储部分：包括A/D的转换、数据的存储等。c.控制部分包括：控制模拟量的调制、数据的采集与通讯等。 （4）变压器油中溶解气体在线监测变压器油中的溶解气体分析在线监测方法，以油中的溶解气体来反映故障的特征量，在线监测的变压器油中、CO、等溶解气体的组分、含量及产气速率等，能够及早发现变压器内部所存在隐性故障。比较上面所述各种测量方法后发针对电容性电气设备介质损耗、氧化锌避雷器泄漏电流、阻性电流等谐波分析法，无论从抗干扰性、通信要求、精确度的要求等方面都时符合本系统需要而适合采用，其

23、他测量方法都存在实现困难、精度低、抗干扰性等缺点。2.2 变电站绝缘在线监测系统的现场通信绝缘在线监测系统现场通信是通过总线来实现的。工业领域中应用广泛的总线主要有：RS-485、现场总线（Lonworks、CAN、FF、Profibus）等。2.2.1 CAN总线介绍 （1）CAN总线特点a.CAN节点要求高优先级的数据最多可以在134us内得到传输。b.CAN通信灵活，可以提高系统的可靠性。c.CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。在网络负载很重的情况下也可以高速运行。d.CAN有点对点、一点对多点及全局广播等几种通讯方式可以通过对报文的标识符滤波实现。e.CAN的直接通讯距离最远可以达10k

24、m（通信速率5kbps）通讯速率最高可达1 Mbps（通信距离为40m）。f.CAN的单一网络理论上可挂接无数个节点。实际在应用中节点数目是受网络硬件的电气特性所限制。g.报文标识符可达2032种而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符不受限制。h.CAN报文采用的是短帧结构传输，时间短受干扰概率低具且具有极好的检错效果。i.CRC校验和其他检错机制保证了极低数据出错率。J.CAN节点在错误严重情况下具有自动关闭输出的功能，以切断该节点与总线的联系可以使总线上的其它节点抗干扰能力强可靠性高。k.CAN的通信介质可以为双绞线、同轴电缆、光纤等。CAN总线已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防

25、护等领域中得到广泛应用。 （2）CAN总线技术规范为了达到设计的透明度，CAN被细分为对象层、传输层、物理层三个不同的层次。对象层的作用主要查找被发送的报文，确定由实际要使用的传输层接收哪个报文，并且为应用层相关硬件提供接口。传输层的作用主要是传送规则。发送新报文及开始接收报文都要在传输层里确定。位定时一些普通功能也可看作是传输层的一部分。因此传输层的修改是受限制的。物理层对于所有节点必须相同。CAN总线通信线路是由两根导线组成分别是CANH和CANL，这两根导线也就是CAN网络的总线的所有网络节点挂接在该总线上通过这两根导线交换数据。CAN总线有两种逻辑状态：隐性和显性对应于数字电路的逻辑1

26、和0。显性（0）：3.5V1.5V2V；隐性（1）：2.5V2.5V0VCAN总线有以下四个不同的帧类型： （1）数据帧：数据帧携带数据由发送器到接收器。 （2）远程帧：总线单元发出的远程帧请求发送具有同一识别符数据帧。 （3）过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加延时。 （4）错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。变电站绝缘监测系统现场通信特点及要求如下： （1）变电站绝缘监测系统对现场通信要求十分高，系统通信要求抗干扰性好、可靠性高。 （2）变电站众多通信线路长、数据量大、通信传输速率高。2.2.2 变电站绝缘在线监测系统的通信方案变电站绝缘在线监测系统

27、通信方案需要比较以上各种通信方式优劣并且结合变电站绝缘在线监测系统实际通信要求来最终确定。Lonworks总线和Profibus总线涉及到网络模型需要专门的开发工具和相应经验丰富的开发人员，开发成本较高并且系统调试维护成本很复杂，开放性和可扩充性差也不在本系统考虑之列。CAN总线可以很好弥补这些缺点RS-485总线、CAN总线优缺点，如下表2-2所示。表2-2 RS-485总线和CAN总线优缺点比较特性RS-485CAN-bus成本低廉稍高总线利用率低高网络特性单主节点单主节点数据传输率低高容错机制无可靠地错误处理和检错机制节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响通讯距离1.5Km可达10K

28、m网络调试困难容易开发难度简单需要一定的基础技术通过上表比较可知RS-485总线变电站绝缘在线监测系统中对可靠性、容错能力要求使得CAN总线无疑是一种比较优越的方案。3 绝缘在线监测系统的总体设计变电站中的电气设备种类繁多，如电容型电气设备、氧化锌避雷器、电力变压器等系统的。变电站绝缘在线监测系统的计划主要包括：电容型设备监测装置、避雷器监测装置、电压型数据采集装置、铁心电流监测装置、环境监测装置。因为各装置实现原理是一样的，均是经过信号调理、数字信号处理、现场通信三个环节的，各装置主板硬件设计是大致相同的，所以可以设计出通用型硬件电路板，通过改变软件部分来实现并且达到不同的功能。3.1 绝缘

29、在线监测系统的总体架构绝缘在线监测系统需要满足对变电站中不同种类电气设备实现监测。其系统主要由传感器、绝缘在线监测板卡、现场总线网络、远程监控端组成系统总体架构如图1-4所示。该系统中的各个部分具体功能介绍如下：（1）电容性电气设备、变压器、避雷器是变电站电气设备的重要组成部分也是绝缘在线监测系统的主要监测的对象。（2）传感器在变电站绝缘在线监测系统中起着关键作用，其性能好坏直接影响到测量的精度和可靠性。传感器采样电气设备的电压电流信号转换为系统可接受范围的电压电路信号并送入绝缘在线监测板卡进行分析。（3）绝缘在线监测板卡是系统的核心作为变电站电气设备和现场总线之间的接口模块板卡接受来自传感器

30、的信号，经过信号调理放大后转换为数字信号然后进行数字信号处理，将有效的绝缘参数数据通过板卡上的现场总线通信接口发送至远程监控端或工程师站。（4）扩展板卡的目的在于未来系统功能扩展。扩展板卡可以通过绝缘在线监测板卡上外部扩展接口很方便与之进行通信，使系统功能具有很强扩展性。（5）现场总线是系统采用的现场通信方式。需要采用抗干扰性高、速度快的现场总线作绝缘参数数据传输的中介，它是绝缘在线监测系统现场端与远程监控端之间的桥梁。图3-1 绝缘在线监测系统的总体架构 （6）绝缘在线监测系统远程监控端硬件核心是总线适配卡，它能把系统现场各节点数据上传到远程监控端，同时又可以把远程监控端的命令和数据下传到各

31、节点设备。总线适配卡可以直接购买成熟的产品也可以自己设计。我们选用采用了第二种方案。 （7）远程监控端-整个变电站绝缘在线监测系统的大脑。它监控着系统现场各节点设备的状态，对数据进行存储、分析并且可以通过以太网接口实施专家远程决策等，可以大大提高系统监控的灵活性。3.2 绝缘在线监测板卡的总体方案设计绝缘在线监测系统涉及到了信号采集、数字信号处理、现场总线通信等多方面知识，因此绝缘在线监测系统单板电路也由信号采集调理电路、主处理芯片及其外围电路、总线通信电路三部分组成。信号采集调理电路采集传感器微弱信号经过滤波、放大、采样后转为控制器可识别的数字信号。主处理芯片把数字信号进行分析处理后提取有用

32、的信息经现场总线传送至远程监控端或者工程师站，工程师站可浏览当前设备状态，远程监控端可实现数据的浏览分析及存储。上一节分析了变电站绝缘在线监测系统整个组成结构，我们可以看出绝缘在线监测板卡在整个系统中的地位十分重要，归纳总结出绝缘在线监测板卡在系统中应具备以下功能。（1）绝缘在线监测板卡是绝缘在线监测系统的核心，首要任务是接收来自传感器的电压电流信号并且对信号进行滤波、放大等操作。（2）绝缘在线监测板卡同时需要对经过调理得到得模拟信号进行模数转换转换为CPU可以识别数字信号，同样板卡上需要有精度较高的模数转换电路来提高信号的采样精度。（3）绝缘在线监测板卡需要对转换的数字信号进行FFT变换从而

33、提取有效的参数，另外还需要有通信接口。（4）绝缘在线监测板卡需要控制板卡上各芯片可靠运行而且不冲突，可以通过地址分配来实现，同时各芯片还存在一些I/O开关量也需提供一套完整的I/O输入输出接口得解决方案。下面进行绝缘在线监测板卡设计。CAN总线是作为目前应用中比较优秀的一种总线方式且符合本系统的要求。绝缘在线监测板卡实现一些数字信号处理，希望有数据运算能力强大、速度快的CPU实现。DSP微处理器完全具有运算能力强、高速、高效的能力，它比起单片机来具有明显的优势所以应用DSP器件作为绝缘在线监测板卡的CPU。还有对于一般的系统处理器和外围芯片的接口可以直接相连，实现不需要或者需要很少的逻辑电路进

34、行逻辑编码译码处理。然而绝缘在线监测板卡上DSP的外围元器件种类繁多与DSP的接口比较复杂，其地址的分配要求合理，逻辑关系要求清晰，不仅要求实现基本的逻辑控制功能还需要实现板卡系统的地址分配等。如果只用DSP进行控制是根本不可能实现的。CPLD可以很好得解决这一问题作为外围芯片与DSP器件的中介其丰富的逻辑单元和I/O口使得系统设计简化。另外由于CPLD芯片是可编程的可以随时修改程序而不需修改硬件，且灵活性比较强。综合上面的分析绝缘在线监测板卡的大体设计框架如图3-2所示。图3-2 绝缘在线测板卡的总体设计4 绝缘在线监测系统下位机的硬件设计由第二章的理论分析可知绝缘在线监测系统测量信号属于高

35、电压、弱电流的性质而变电站工作环境恶劣，信号干扰大很难准确的测量这些信号以反映电气设备真实绝缘情况。为保证测量真实性，系统下位机硬件电路具有监测灵敏度高、温漂低和抗干扰性好特点因此硬件电路的设计十分重要。本章将分别从传感器的设计、信号调理电路、DSP及其外围电路、CPLD电路、CAN总线通信电路、电源电路几个方面来介绍各部分硬件工作原理及实现方式。有源传感器是使用超微晶作铁芯有源电子电路网络与副边绕组直接相连构成自适应动态调整回路，可以保持很高稳定度而且测量精度也有较大幅度提高抗干扰能力很强。变电站中电气设备一般为高压设备，一般选用基于电磁耦合原理闭环穿心式小电流传感器。由于电流传感器本身输出

36、、输入信号间存在比值误差及相角误差，需要进行一定误差补偿。电流传感器的设计不是本课题研究重点本课题没有花太多精力在传感器设计上而是结合以往现场使用的经验直接采用特制电流传感器它具有以下几个优点： （1）精度高且线性度好，能精确测得小电流信号； （2）采用了单匝穿芯式接线，不会对一次线路产生影响； （3）加入了放大电路，使互感器可以输出较大电压信号。4.1 信号调理电路的设计系统设计成在放大电路前端用模拟多路复用器来选择不同放大倍数通道。部分电路电阻选用精度高、温漂小精密电阻，运算放大器选用了Analog公司高精度、低温漂的单运放OP27。一个时刻只能对一相设备进行测量，系统设计了三二通道，模拟

37、多路复用器74HC4503交替接通该相信号及基准信号。如若要对A相设备进行测量时先调节74HC4501，使放大电路有合适增益再切换74HC4503交替接通A相传感器信号及基准信号进行测量。另外在运算放大器输出端加入了钳位电路，由背对背二极管1N4148分别接±5V。当输出一旦超出±5V时，钳位二极管导通将输出拉回到±5V左右，这样就可以不会超出模数转换电路输入范围。低通滤波电路主要作用是抗混叠及作为模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）缓冲。采用运算放大器为Analog公司四运放芯片OP282。滤波电路是二阶巴特沃斯（Butt

38、erworth）低通滤波器（LPF，Low-passFilter）低通滤波电路电路原理图见附录所示。低通滤波器引起附加相位偏移设计时要尽量使附加相移小。由于现场的次信号波形较好低通滤波器可以选大一点截止频率，来减小附加相移。利用Orcad软件进行仿真可以得到电路参数仿真出幅频特性曲线如图4-1所示。图4-1 低通滤波电路的幅频特性曲线经过调理放大模拟信号要经过模数转换器转换成为DSP可以识别的数字信号。基本要求如下： （1）对A、B、C三相传感器的信号进行采样模数转换器需至少3路转换通道； （2）采样信号为小信号模数转换器要有不低于12bit采样分辨率； （3）采样速度至少12800（50&#

39、215;256）Hz模数转换器需有不低于20 kSPS转换速度； （4）采样信号为交流信号，模数转换器需要有双电源供电； （5）采集数据量较大模数转换器需有高速数据传输接口。最终确定为Analog公司AD7656，其主要参数如下：·六个独立转换通道；·16-bit逐次逼近型ADC；·电源±10 V或±5 V可选（外部管脚或内部编程配置）；·最高采样速率为250 kSPS；·5V电源250 kSPS采样时功耗低至140 mW；·宽带宽输入：输入频率为50kHz时信噪比(SNR，Signal Noise Ratio）为

40、85dB；·片上有2.5V基准电压源及基准缓冲器；·并行、串行(菊花链接口模式可选）；·与SPI/QSPI/Wire/DSP兼容的高速串行接口；·采用iCMOS工艺技术；·64引脚QFP。由以上可见AD7656完全满足本系统中模数转换器的要求。4.2 DSP及其外围电路设计DSP是整个系统控制算法核心元件。本课题仍选用了TI公司DSP芯片。目前TI公司DSP芯片几个主流系列：2000系列主要侧重于控制优化多应用于工业控制及电机控制方面；5000系列主要侧重于功耗降低多应用于音频处理及其他便携式产品当中；6000系列主要侧重于性能提高多应用于高性

41、能音频和视频/成像等。根据系统要芯片选型本课题对DSP性能要求如下： （1）涉及到了大量实时算法具有一定处理速度； （2）需要采样定时及通信定时要求两个以上定时器； （3）宽度合适地址、数据、IO总线接口； （4）具有便于系统功能扩展通信接口。结合以上要求综合用接口、性价比及开发难易度等几方面来考虑选择了5000系列的DSPTMS320VC5402。TMS320VC5402的外围电路设计： （1）电源输入电路TMS320VC5402采用双电源（1.8V和3.3V）其中I/O采用3.3V电源供电芯片核采用1.8V电源供电一般电源芯片无法满足这样双电压输出要求。在有一定安全措施保障前提下，允许两个

42、电源同时加电，两个电源都必须要在25 ms内达到规定电平95。 （2）DSP的时钟输入TMS320VC5402的时钟输入可以采用有源晶振无源晶振两种方式。相比无源晶振有源晶振更加可靠和稳定，并且不需要额外添加晶振电容，本系统选择了频率为10MHz的3.3V有源晶振，为DSP提供可靠时钟输入经内部PLL电路5倍频后为50MHz。有源晶振时钟端连至DSPXTAL2DSP的XTAL1悬空。 （3）DSP调试接口的设计标准JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO分别为模式选择、时钟、数据输入、数据输出线。本系统JTAG接口电路如图4-2所示其中EMU0及EMU1引脚分别接仿真器第0、1引脚。

43、图4-2 JTAG接口电路 （4）存储器扩展电路 TMS320VC5402内部有16K DARAM由于程序调试需要更大的SRAM空间所以本系统需通过外部总线扩展了64K SRAM。另外由于TMS320VC5402片上没有FLASH调试结束后不方便进行程序烧写及以后系统的升级，因此还需要外部总线扩展一定大小FLASH。设计中SRAM采用了ISSI公司IS61LV6416芯片。该芯片为16Megabit（64K×16 Bit）高速CMOS SRAM存取时间为8ns左右3.3V供电兼容TTL电平。FLASH采用的是SST公司SST39VF400芯片。该芯片为4Megabit（256K

44、15;16Bit）FLASH存取时间7090ns左右3.3V供电。其擦写寿命100000次数据保存期限10年。存储器电路均为3.3V供电可以很方便与DSP相连而中间不需要再加电平转换电路。通过TMS320VC5402外部总线接口来扩展存储器。如图4-3所示。图4-3 TMS320VC5402的RAM/FLASH扩展 （5）主机接口电路主机接口HPI可以很方便实现板卡与其他板卡通信包括实时交换DSP内部数据为系统的升级扩展提供了很大便利。主机接口HPI是5000系列定点芯片内部具有一种接口部件主要用于DSP与其它总线或者CPU进行连接。TMS320VC5402提供了增强型8位HPI接口由一个8位

45、数据总线及用于设置及控制接口的控制信号线组成HPI接口通过HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID、HPI内存块实现与主机之间通信。HPI是8位数据总线接口由于TMS320VC5402是16位所以与主机通信数据都是由两个连续字节组成，由HBIL引脚指示正在传输是第一个还是第二个字节。主机使用HCNTL0/1指定所访问是HPI控制寄存器HPIC或者HPI数据寄存器HPID或者HPI地址寄存器HPIA也可以用地址自动增加方式访问数据寄存器HPID具体方式如表4-1所示。表4-1 主机控制信号定义HCNT0HCNT1说明00主机可以读写HPI的控制寄存器HPIC01主机可以读

46、写HPI的控制寄存器HPID，每次读后HPIA加1，每次写前加110主机可以读写HPI地址寄存器HPIA11主机可以读写HPI数据寄存器HPID，对HPI口的操作，HPIA不受影响 （6）DSP监控电路本系统采用了Intersil公司CPU监控芯片X5163。X5163是一片带16Kb SPI EEPROMCPU监控器具有如下特点：·可选择看门狗定时器；·低VCC检测并产生复位信号；·16Kb EEPROM；·2MHz SPI接口方式。系统工作环境恶劣很容易出现受干扰导致程序跑飞等情况，因此必须为系统运行加设看门狗电路X5163同样集成了看门狗定时器功能

47、。程序设计时DSP在运行每隔一定时间触发CS/WDI引脚“喂狗”，一旦出现程序跑飞等异常情况X5163触发RESET信号。4.3 CPLD的电路设计及功能分析CPLD选型时主要需要考虑其内部逻辑单元个数I/O管脚等参数。基于对Altera产品熟悉程度和性价比等选用Altera公司MAX7000S系列EPM7128S芯片。EPM7128S所实现硬件原理框图如图4-4所示。图4-4 EPM7128S 的接口原理图本系统中用到CAN总线控制器时5V电平接口其CS、RD、WR，由于是通过CPLD译码产生，因此可以直接驱动，但其地址/数据复用线不能和DSP直接连接中间，必须采用电平转换芯片在随后的CAN

48、总线。下面对以上实现功能进行进一步分析阐述其硬件设计实现原理。 （1）与DSP接口硬件设计EPM7128S主要实现DSP数据存储空间、程序存储空间和、IO空间的地址分配。EPM7128S与DSP接口硬件接口图如图4-5所示。图4-5 EPM7128S与DSP的硬件接口图 （2）与信号调理电路接口的硬件设计EPM7128S与信号调理电路接口硬件接口图如图4-6所示。图4-6 EPM7128S与信号调理电路接口的硬件接口图 （3）与CAN总线控制器接口的硬件设计EPM7128S主要实现CAN控制器选通、读写信号的输出等。EPM7128S与CAN总线控制器硬件接口图如图4-7所示。图4-7 EPM7

49、128S与CAN总线控制器的硬件接口图4.4 CAN总线通信的电路设计目前设计中使用最为普遍是Philips提供独立CAN总线控制器SJA1000。CAN总线控制器SJA1000主要由由以下几部分构成：接口管理逻辑；发送缓冲器能够存储1个完整报文（扩展的或标准的）；验收滤波器；接收FIFO（First In First Out）；CAN核心模块。 本系统以SJA1000为基础设计CAN总线通信电路。由于SJA1000输入输出电平信号为5V但是输入管脚可以3.3V驱动，因此选通、读写等管脚均由CPLD直接引出驱动。由于暂不清楚现场中的通信效果如何，考虑可能需要进行阻抗匹配不合适电阻会使数据通信抗

50、干扰性以及可靠性大大降低，为此PCA82C250输出增加了跳线使用匹配电阻匹配电阻阻值为120欧。4.5 电源电路设计本系统涉及多种不同电平电压主要分为：1.模拟部分 （1）运算放大器OP27、电压比较器LM311、模数转换器AD7656以及其他外围芯片+12V供电电源； （2）运算放大器OP27、电压比较器LM311、模数转换器AD7656以及其他外围芯片12V供电电源； （3）模拟多路复用器74HC4051、模拟多路复用器74HC4053、运算放大器OP282、模数转换器AD7656以及其他外围芯片的+5V供电电源； （4）模拟多路复用器74HC4051、模拟多路复用器74HC4053、运

51、算放大器OP282以及其他外围芯片5V供电电源。2.数字部分 （1）DSP TMS320VC5402（内核）+1.8V供电电源； （2）DSP TMS320VC5402（I/O）、模数转换器AD7656以及其他外围芯片+3.3V供电电源； （3）CPLD EPM7128S、CAN总线控制器芯片SJA1000及其他外围芯片+5V供电电源。本系统共涉及到了+12V、12V、+5V（模拟）、5V、+1.8V、+3.3V、+5V（数字）等。一般而言说目前系统中电源设计通常可以有三种途径这两种途径应用于不同范围有各自优缺点。 （1）线性稳压芯片目前系统中低压且对效率不十分敏感电源设计，一般采用线性稳压芯

52、片线性稳压芯片突出优点在于噪声低、体积小、成本低、静态电流小。针对这类要求低压差电源需求许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器（LDO，Low Dropout Voltage Regulator）。 （2）开关电源大电流高功率设计建议直接采用AC/DC开关电源；低电压输出电源设计可以考虑使用DC/DC芯片加外围电路构成。 （3）直接采用电源模块表4-1 三种电源方案的比较低压差线性稳压器开关电源电源模块优点所需外部元件数量少，使用方便，成本低，所需电路板空间小，纹波小，无电磁干扰效率高，输入电压范围较宽，价格比电源模块便宜很多效率高，输入电压范围较宽，输出功率大，使用方便，电磁干扰小缺点效率很

53、低，功耗较大设计较复杂，有电磁干扰，需要一定的设计能力价格昂贵三种方案优缺点比较还有根据设计成本、功率及实现难易程度上考虑最终确定Cosel公司PMC100E-1型AC-DC开关电源为系统的总±12V电源输入其输出共三路：+5V/13.0A+12V/2.0A12V/1.0A。选择线性稳压芯片对±12V逐步降压提供±5V、3.3V、1.8V电压。绝缘在线监测板卡上集成了信号调理电路、DSP及其外围电路、CPLD电路、CAN总线通信电路、板卡电源电路、外部接口六大功能。5 绝缘在线监测系统的软件设计5.1 CPLD的软件设计Max+plus II是Altera公司的早期产品在较老一些产品设计中有广泛的应用。最新推出的Quartus II软件属于第四代PLD（Programmable Logic Device）开发平台。相比较MAX+PLUS II软件而言Quartus II软件比MAX+PLUS II更加可靠用户界面更加友好且有更好性能表现更多功能如下所示： （1）支持更多器件。 （2）更大性能提升。改进了性能、提升了功能性、解决了潜在设计延迟等。 （3）采用快速适配选项缩短编译时间。Quartus II软件