基于dsp的电力互感器数据采集系统设计

基于dsp的电力互感器数据采集系统设计

0电子式电流东北部的应用随着电气系统电压等级的提高和传输能力的增加，以往的电磁式电流控制器问题变得越来越明显。例如，体积大、动态范围小、使用频率低、铁磁作用频率窄、二次蒙太奇、二次蒙太奇等。因此，有必要寻求更理想的新能源碱性伴奏。新型的电子式电流互感器较传统的电流互感器做了很多改进之处,在结构上用光纤把高低压两端隔离开来,具有很好的绝缘效果;在硬件上采用洛夫斯基线圈作为传感头,14位的AD7894和新型的具有强大的控制功能、高速的数据处理能力的DSP2812芯片结合的软件设计使传统互感器暴露出来的问题得到了很好的解决。而且电子式电流互感器也适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。电子式电流互感器主要包括数据采集系统和数据处理系统,整个系统的精度主要取决于设计的数据采集系统的精度。本研究给出一种基于DSPTMS320F2812为核心的数据采集系统的设计方案。1模/数转换单元电子式电流互感器数据采集系统主要包括信号调理电路、模/数转换单元、光纤传输系统3部分。首先通过Rogowski线圈传感器从电网中感应出电流模拟信号,Rogowski线圈是电子式电流互感器最常用的传感元件,通常采用空芯线圈和LPCT作为电流传感元件,具有良好的线性度和准确度。再经过信号调理电路对信号的抗混叠滤波、放大、反相积分等处理,模/数转换单元负责把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。为保证传输速度和质量,采用光纤进行传输,光纤两端分别配备电/光转换器和光/电转换器。低压端的DSP一方面对一路光纤传过来的数字信号进行处理,另一方面提供时钟信号,通过另一路光纤传输,并经分频电路分频后产生A/D转换器所需的时序,从而达到信号同步采样的效果。数据采集系统设计原理图如图1所示。2数据采集系统的设计2.1反相积分器t当被测电流i(t)通过Rogowski线圈时,线圈输出电压U1(t)和被测电流i(t)的关系为:U1(t)=−R1MR+R1di(t)dt(1)U1(t)=-R1ΜR+R1di(t)dt(1)式中R—线圈绕组和引线的总电阻;R1—采样电阻;M—线圈互感系数。从式中可以看出输出电压与被测电流成微分关系,而且由于传感头Rogowski线圈的互感系数低,感应出的电压很小,为防止其经过积分器后被衰减掉,因此信号处理部分需加入放大积分环节。信号调理电路图如图2所示。设计中U1(t)和U2(t)之间是放大电路,放大倍数主要由R3和R4的比值所决定的。U2(t)和U0(t)之间是反相积分电路,考虑到积分漂移问题,所以在理想积分器的基础上,在积分电容C3两端并联一个兆欧级的反馈电阻R8,而且在放大和反相积分之间加了一个简单的RC低通滤波器,对于信噪比的改善起到了很大的作用。由图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)当R8≫R6时,R6R8≈0R6R8≈0。式(4)则变成:−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)从式(7)中可以看出U0(t)和i(t)是同相位且成比例的。2.2模型数转换单元2.2.1模/数转换电路模/数转换单元主要由模/数转换器、时序控制等部分组成,通过低压端的DSPTMS320F2812器件来实现同步检测并控制A/D的采样、转换和校验。根据电子式电流互感器的精度要求(达到0.2级)以及设定的采样频率,应该选用精度比较高的模/数转换器。此外,为了保证信号中的7次以下谐波分量不失真,模/数转换器的转换速度也要求比较快且转换精度受温度影响小。综合以上考虑本研究选用AD7894AR-10模/数转换芯片。AD7894AR-10是一款低功耗、低成本、高性能的快速14位模/数转换器,采用5V单电源供电,转换时间为5μs,内置1个逐次逼近型模/数转换器、1个片内采样保持放大器、1个片内时钟和1个高速串行接口。控制模/数转换的方法有很多,本研究采用由CD4020计数/分频器等组成的分频电路来控制模/数转换的进行,CD4020是一款14位二进制串行计数/分频器。分频电路图如图3所示。图3中CD4020的10脚接收连续时钟信号CLK,此时钟信号由低压端DSP中的定时器产生,CD4020对其进行32分频,从6脚输出周期为32倍于CLK的方波信号,该方波信号反向后同CLK相与,作为AD7894的读数据时钟信号。同样CD4020的6脚输出经过电阻电容电路产生短时脉冲信号,驱动施密特触发器CD4093,CD4093的输出可以作为AD7894的转换开始信号CONVST¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯CΟΝVSΤ¯。用Multisim软件对此分频电路的功能进行仿真得到仿真波形,如图4所示(其中1为上图中CD4020的输入波形,3为上图中非门74HC04的输出波形,4为上图中74HC08输出的SCLK波形,Term4为上图中CD4093输出的CONVST¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯CΟΝVSΤ¯波形)。根据这些输出波形可以看出,当AD7894的CONVST¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯CΟΝVSΤ¯引脚接收到Term4的低电平触发信号时开始转换,经过5μs的转换后,跟随SCLK时钟波形读取转换数据。数据格式为16位,包括2个起始零和14位的转换数据,这样就完成了一次转换。2.2.2dsp的操作目标AD7894的采样时钟和使能信号由DSPTMS320F-2812的通用定时器产生并经分频电路来提供。DSPTMS320F2812芯片是TI公司的一款高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片,具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。能在1个周期内完成32×32位的乘法累加运算,时钟频率最高可达150MHz。带有3个定时器,2个事件管理器,2路SCI、1路SPI、56个独立配置的通用多功能I/O。由采样定理可知,A/D的采样频率fs应大于抗混叠滤波器截止频率fc的2倍。电力系统信号频率为50Hz,每周期采256个点,而AD7894完成一次转换的时间设定为10μs,所以设定DSP的通用定时器每隔68μs发送一串频率为3.2MHz的连续时钟信号。当A/D接收到分频器产生的转换开始信号即开始转换,当采满256个点后,DSP进入中断,将AD7894输出寄存器中的数字信号输入到DSP中。DSP的编程工具采用C语言和汇编语言混合编程的方法,把C语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。控制程序流程图如图5所示。2.3光纤继续发挥发送器和市场等金融体系的作用光纤传输系统原理为:一个LED发射器将电信号转变成光信号,并将其耦合进入传输光纤中,光信号通过光纤到达光接收器,它把接收到的光信号恢复成原来的电信号输出。光纤传输系统主要包括E/O转换器及驱动电路、O/E转换器及接收电路、光纤等。光纤收发电路图如图6所示。E/O转换的光发送器选用Agilent公司的低功耗LED型发送器HFBR1414,其外围驱动电路采用3路与非门74F3037并联输出驱动光发射器HFBR1414,以产生足够大的光功率。O/E转换的光接收器采用Agilent公司的HFBR2412,以实现数字光通信时HFBR2412后需加一接收电路。接收电路中,在VCC与电源之间接了1个10Ω的限流电阻和1个0.1μF的旁路电容以去除噪声。本研究用光发送/接收单元传输模/数转换器的移位时钟来测试光纤数字传输系统,移位时钟是频率为1MHz的方波。从测得的整个光纤传输系统的输入/输出波形图中可以得到该光纤数字传输系统的输出延迟时间约为150ns,符合电子式电流互感器系统所允许的误差范围之内。3测量通道实验结果本研究用准确度为0.01级的常规电磁式标准互感器对上述设计的电子式电流互感器数据采集系统进行了测试,测量通道实验结果如表1所示。从表1中看出实验结果中数据的线性度很好,通过示波器的观察发现,采样时钟信号中参杂了很多的高频干扰信号,A/D转换结束后信号振荡现