基于ads8325的混合式光电电流互感器数据采集系统

基于ads8325的混合式光电电流互感器数据采集系统

0电子式电流溶液工作原理电力传感器是重要的电气系统控制、保护和测量设备。它的精度和可靠性对电气系统的安全、可靠性和稳定性有重要影响。随着电力系统的不断发展,对电流互感器提出了更高的要求。而常规的电磁式电流互感器在运行中暴露出的一系列严重缺点,难以满足数字化电站要求。因此,新型的电子式电流互感器取代传统的电磁式电流互感器成为发展的必然趋势,而且国际电工委员会颁布了IEC电子式电流互感器相关标准。标准将电子式电流互感器分为两种:无源光学电子式电流互感器(OCT)和有源混合式光学电子式电流互感器(HOCT)。OCT主要基于法拉第磁光效应,其准确度容易受环境温度影响,性能不稳定。HOCT采用低功率电磁式电流传感器(LPCT)或空心线圈取样母线电流,以光纤作为信号传输媒质,把高压侧变换的光信号传输到低压侧进行信号处理,是电子式互感器的重要发展方向。HOCT准确度和性能主要受高压侧数据采集系统的影响。本文设计的数据采集系统采用16位微功耗高速ADS8325作为A/D转换器,采用零功耗、低成本、高性能的EPM240Z芯片作控制器件,设计了低功耗的光纤收发单元驱动电路,保证了数据采集单元的精确性、实时性和低功耗。1电流传感元件HOCT一次侧数据采集系统的原理如图1所示,主要包括传感器,调理电路,数字变换单元(图1虚线框内),光纤传输单元等。其中,数字变换单元是把由调理电路输出的符合A/D采样电压范围的模拟信号按A/D变换时序转换为数字信号并得到带有CRC校验位的数字输出。由图1可知,数据采集系统由测量通道和保护通道组成。通常HOCT采用空芯线圈和LPCT作为电流传感元件。空芯线圈采用非磁性材料作为骨架,具有测量动态范围宽、不饱和等优点,但其测量精度易受环境温度及外界磁场等因素的影响;LPCT具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定等优点,但它在一定的大电流下易发生饱和。因此,HOCT根据空芯线圈传感器和LPCT的各自特点,采用空芯线圈作为保护通道传感元件,LPCT作为测量通道传感元件,保证HOCT同时满足测量和保护准确度的要求。从高压母线取得的信号经积分器、低通滤波器等调理电路后由ADC转换为数字信号,数字信号驱动光发射模块通过光纤将光信号串行传输到低电位侧,低电位侧将接收到的光信号通过O/E变换后进行信号处理,得到被测电流信息。其中,调理电路主要包括积分、放大、滤波等电路,用于对传感器的输出信号进行适当的变换,以满足ADC对输入信号的要求;数据变换单元主要由ADC、时序控制等部分组成,通过CPLD器件来实现同步检测并控制A/D的采样、转换和校验等;光纤收发单元主要包括O/E和E/O转换单元,来实现光电和电光的转换。2数据采集系统的设计2.1数据交换单元的设计2.1.1a/d采样控制ADC选用TI公司的ADS8325,具有微功耗、高采样速率、高分辨率、低转换时间、串行转换等特点。ADC是数字采集系统的核心部分。利用EPM240Z控制ADS8325的流程如图2所示。本设计利用EPM240Z控制两路ADS8325同时采样分时转换,初始时系统使能信号(enable)无效,ADS8325的片选CS=1,无DCLOCK时钟产生,两路ADS8325都不工作。当接收到由低压侧发送的同步数据采集信号后,系统使能有效,两路ADS8325的CS=0,产生DCLOCK时钟,计数器开始计数,两路A/D同时进入采样状态,在第5个DCLOCK时钟的下降沿后,第1路A/D进入转换状态,同时关闭第2路A/D的采样时钟,使第2路A/D的采样数据暂存在ADS8325的内部电容阵列中,第1路A/D转换结果的数字位流采用先输出一个低电平的起始位,最高位先送出,其余位从高到低逐一送出的方式。在随后的16个时钟周期里输出,转换结束后置CS1为高电平。在第1路A/D转换结束时产生第2路A/D的采样时钟使第2路A/D进入转换状态,转换结果跟在第1路A/D的数字流后面依次串行输出,转换结束后置CS2为高电平,一个周期采样结束。采用VerilogHDL语言设计A/D采样控制器的上层图和在QuartusII中的仿真波形分别如图3、4所示。din1和din2为A/D输入信号,CS1,CS2分别为测量和保护通道的ADS8325的片选信号,dclock为保护通道的控制时钟,dout为两个通道串行输出。2.1.2crc校验实现方法CRC是一种常用的校验方式。它是对一个数据块进行检校,对随机或突发出错造成的帧破坏有很好的检校效果。实现CRC校验的方法比较多,如查表法、长除算法等。查表法需存储长度较大的余数表,若用CPLD实现,会消耗其内部大量资源,且延时较大;长除算法可表示成由一些异或门和移位寄存器组成的除法电路,利用CPLD可方便地实现。本设计中采用的CRC校验码生成多项式为crc-6=x6+x5+x2+1。2.2光发送器外围驱动电路HOCT中一、二次部件通常由电磁或电子元件构成,之所以称为“光电”互感器,主要是两部件之间的信号传输通过光纤完成,因此,E/O转换和O/E转换是有源式光电互感器的重要组成部分。E/O转换的光发送器选用Agilent公司的低功耗LED型光发送器HFBR-1414。图5所示为HFBR-1414光发送器外围驱动电路。其中,74LVC1G07为漏极开路输出的单缓冲器,使用3.3V电源时,可提供最大24mA的漏极电流。LED与漏极相连,并通过可调电阻上拉至3.3V电源。调节电阻的值可改变其驱动电流,以便在保证脉冲沿陡度的同时,使驱动电流最小,降低功耗。因使用了LVC系列器件,电路可接收5VCMOS或TTL电平信号,且电路具有“反相”作用,即当输入为高电平时,器件不发光;输入为低电平时,器件发光。该特性是针对ADS8325的输出信号dout设计的,以保证在大部分工作时间内,器件处于不发光状态,降低电路功耗。O/E转换的光接收器采用Agilent公司的HFBR-2412,其内部包含一个PIN光二极管和直流放大器,并驱动集电极开路的肖特基晶体管作为输出,该结构可以使出信号适合多种逻辑电平,其外围电路如图6所示。3测量通道和保护通道的测量采用准确度为0.01级的常规电磁式标准CT对上述设计的HOCT数据采集系统在实验室内进行了测试,母线额定一次电流为1kA,额定二次电压测量通道为2V,保护通道为150mV。测量通道和保护通道的实验结果如表1和表2所示。试验结果表明,本设计方案的A/D采样抗干扰性好,测量准确度高,测量精度符合IEC60044-8的0.2级标准;CRC校验码生成模块可准确及时地将A/D采样得到的串行数据转换为带有6位CRC校验码A/D串行输出。4a/d转换电路数据采集系统是HOCT的基础,其性能的改善有助于互感器整体性能的提高。本文设计的