基于DSP與CPLD設(shè)計(jì)智能變電站電網(wǎng)的IED

　　引言

　　隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動下，未來數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。眾所周知，電網(wǎng)信號量極多且相關(guān)性很強(qiáng)，這給采集計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測帶來了很大的麻煩。為了解決這一問題。本文的設(shè)計(jì)師基于DSP和CPLD搭建的智能IED（Intelligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測裝置）可以同時(shí)采集多路信號，并通過FFT算法得到電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　基于IEC61850的智能變電站的邏輯如圖1所示。IEC61850協(xié)議主要定義了變電站的信息分層結(jié)構(gòu)：過程層、站控層和間隔層。本文重點(diǎn)研究智能IED設(shè)備，按照IEC61850協(xié)議的描述，IED檢測設(shè)備位于間隔層和過程層。其中，負(fù)責(zé)存儲測量數(shù)據(jù)、進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層；與現(xiàn)場傳感器直接聯(lián)系的測量IED位于過程層；處于站控層的變電站現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將存儲長期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

　　圖1 智能變電站邏輯框圖

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器搭建的算法模塊，多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號濾波模塊組成。負(fù)責(zé)DSP采集的是目前較為主流的工控DSP，CPLD采用的是Altera公司的EPM3256，A/D轉(zhuǎn)換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP專注于電網(wǎng)能量質(zhì)量的計(jì)算，而CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的電路適用于多路信號的同時(shí)采集。

　　智能IED處理流程如圖2所示。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號。信號前端電路將執(zhí)行低通濾波功能，濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A/D轉(zhuǎn)換器采集，通過A/D轉(zhuǎn)換器+CPLD電路實(shí)現(xiàn)，最后通過數(shù)據(jù)總線送至DSP。完成參數(shù)計(jì)算后，DSP把數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一打包上傳給主控IED，其主要功能是接收檢測IED的數(shù)據(jù)，并上傳給數(shù)據(jù)庫。

　　圖2 智能IED處理流程

　　1.1 多路選擇開關(guān)

　　本系統(tǒng)采集的對象較多，由于計(jì)算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時(shí)刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時(shí)采集三相電壓對應(yīng)的三相電流值和三相末屏電流值。MAX125是雙通道8路采集，每一路可以采集4路信號，在本系統(tǒng)中將用到其中3路，另一路信號可以被閑置。

　　1.2 與上位機(jī)通信接口

　　實(shí)際上，本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號在經(jīng)過處理后還要打包傳遞給上位機(jī)。本系統(tǒng)采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)打包之后通過TCP/IP傳遞給監(jiān)控中心。

　　1.3 數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點(diǎn)電流。這些信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置。

　　本系統(tǒng)要求計(jì)算到13次以上的諧波含量，F(xiàn)FT算法采集2個電網(wǎng)周期至少128個點(diǎn)。電網(wǎng)頻率為50 Hz，那就意味著要在40 ms里采集128個工作點(diǎn)，采集頻率為3 200 Hz。為了保證采集的點(diǎn)集中在兩個完整的周期里，需要利用DSP定時(shí)中斷采集工作點(diǎn)。在整個系統(tǒng)中，信號采集單元的轉(zhuǎn)換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。MAX125自帶采樣保持器，通道同時(shí)采樣，采樣精度14位，適合電網(wǎng)某一時(shí)刻的電壓電流同時(shí)采樣；輸入電壓的范圍是±5 V，采集一路的時(shí)間為3 μs，非常適合高速采集的系統(tǒng)。

　　當(dāng)MAX125對采樣的8路信號轉(zhuǎn)換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉(zhuǎn)換完畢，DSP可以通過響應(yīng)中斷對采樣信號進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過對A0~A3的地址線編程實(shí)現(xiàn)通道的選擇，CLK信號用作A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘，由CPLD的時(shí)鐘提供。MAX125的數(shù)據(jù)總線（D0~D13）、時(shí)鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉(zhuǎn)換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應(yīng)功能I/O引腳相連。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號，而MAX125為8通道差分輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。

　　1.4 信號調(diào)理電路

　　220 kV或以上的變壓器引出的信號，要經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境再進(jìn)入傳感器。從傳感器進(jìn)入MAX125的信號還要經(jīng)過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調(diào)理電路就成為控制系統(tǒng)中必不可少的一部分。一般來說在差分輸入端將20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換成1~5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。其中輸出端電壓高于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值，在此進(jìn)行分壓后進(jìn)行采樣。

　　電力系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)載，會使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運(yùn)算精度。本系統(tǒng)中對信號的處理采用的是低通濾波器。低通濾波模塊一般是用電路元件（如電阻、電容、電感）來構(gòu)成所需要的頻率特性電路。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件流程

　　首先是DSP相應(yīng)功能的初始化，包括串口、定時(shí)中斷、部分用作控制線的I/O口。在數(shù)據(jù)處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率。隨后的工作就是讀取來自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個分別對應(yīng)兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過程如圖3所示。

　　圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過程

　　需要DSP計(jì)算的參數(shù)是高壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，中壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，各相電壓電流的2~13諧波的幅值和諧波畸變率，以及高中壓三相的功率因素、介損角值。DSP算法要解決的難題是計(jì)算出2~13諧波和各相的功率因數(shù)。算法的核心是FFT算法。