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基于DSP的光纤电流互感器二次侧信号处理

导读: 摘 要:用TMS320F206实现了有源式光纤电流互感器二次侧输出信号的处理,包括真有效值(RMS)的计算、互感器低压侧显示仪表的实现和电力系统继电保护的数字接口的实现等,给出了硬件设计和软件设计方法。

摘 要:用TMS320F206实现了有源式光纤电流互感器二次侧输出信号的处理,包括真有效值(RMS)的计算、互感器低压侧显示仪表的实现和电力系统继电保护的数字接口的实现等,给出了硬件设计和软件设计方法。

电流互感器是现在电力系统中不可缺少的设备,随着电力系统电压等级的不断升高,对电力系统运行可靠性要求越来越苛刻,传统的电磁式电流互感器已经远远不能满足要求了。目前国内外很多高校和企业都在致力于开发新一代的电流互感器。我们经过多年研究,研制成功了有源式光纤电流互感器,对互感器二次侧信号的处理过程中,采用了TI公司的数字信号处理器TMS320F206,用该处理器实现了对互感器二次侧输出电压信号的真有效值测量、被测量高压电力线电流的数字显示以及互感器和电力系统保护装置的数字接口等重要功能,实现了互感器低压端的全数字化。

1 真有效值计算原理

真有效值(RMS)是电力和电子系统中的一个重要参数,对真有效值进行精确的测量是很多精密仪器所必需的,准确快速地对真有效值进行计算是很多后续工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法,即用集成电路直接把交流信号变成直流输出,然后对直流输出信号进行处理,比如采用A/D公司的AD536A真有效值转换芯片。这种方法测量范围窄、精度低、转换芯片价格高、功能单一。还有采用直接对交流信号进行整流的方法来实现直流变换的,价格便宜,但是精度更低,很难满足实际应用中的要求。

在我们设计的电流互感器中,由于得到的输出是直接数字量(瞬时被测信号的A/D转换),为了接口方便和满足精度和速度的要求,我们采用了TMS320 F206高速数字信号处理器,采用直接计算的方法来实现采样数据的预处理。

连续信号的真有效值定义如下:
                  
其中:VRMS是被测量信号的真有效值,v(t)是被测量交流信号,T是被测信号的周期。
类似地,在数字系统中,上述计算公式应该校正为:
               

其中:VRMS是被测量信号的真有效值,N是每周期采样点数,v(i)是被测信号瞬时采样的数字量。
在本系统中,采用式(2)对已得到的数字量进行平方累加求和,然后再取平均,最后开平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令,很容易求累积和。

在实际计算中,为了计算方便,输入信号每周期我们采样512次,每计算16个采样值的平方和后,除以16,整个周期共作32次这样的运算,最后再把32次这种运算的结果累加,形成一周期内的平方和的平均值。采用这种方法,可以避免处理器一直累加导致溢出的麻烦。

对于平方根的求取,由于TMS320F206没有专用的开平方指令,而有专用的平方运算指令,所以我们采用下面的称之为逐次逼近的算法:

           

即先令输出信号为输入信号最大可能值的一半(用二进制数表示则为最高位为1,其余位为0),然后把反馈信号(输出信号的平方)同输入信号比较,如果反馈信号比输入信号小,则保留原输出的二进制数的最高位,若反馈信号大于输入信号,则该位置为0。然后再令输出信号的次高位为1,重复上边过程。按上述方法重复N次(N为数据的二进制宽度),即得到被开方数的开方结果整数部分,当数据位宽度足够宽的时候,开方结果的小数部分可以忽略。本设计中由于处理器的累加器是32位字节宽度的,而A/D转换器为12位,通过把累加的内容适当移位,充分利用处理器32位处理能力,忽略小数部分也能够完全满足精度的要求。采用该方法,能够迅速计算整数的开方,并且算法简单,容易用汇编语言编程实现。实际上,这种算法在本质上就是所谓的二分法查找。

整个软件算法对输入数字量的处理过程如图2所示。

               
图中,因为A/D输出的是12位二进制补码数,在DSP读出数据后,先取绝对值(F206有专门的ABS指令),这样可以把输入数据作为无符号整数来处理,减少编程中的麻烦。图中的低通滤波器是为了清除输入信号因为干扰而带入的高次谐波对真有效值的影响而设置的,采用数字滤波的方法,可以用简单的一阶IIR滤波器实现。图中的开根号部分即上边所述的逐次逼近算法。开方后的值应该在具体编程序的时候给与适当的偏置补偿,以抵消系统中的固有误差,提高整个系统的精度。最后把计算出的真有效值进行增益调整,体现被测高压电力线上的实际电流真有效值。

2 系统硬件结构

 在我们设计的有源式电流互感器中,采用一片ALTERA公司的CPLD(EPM7128)实现低压控制部分各种时序的发生,同时生成高压端A/D转换器的工作时序,通过光纤传送到高压电力线端。高压端得到的瞬时采样值通过光纤传回控制室,经过CPLD进行简单的处理,以并行16位数据的方式输出。DSP处理器TMS320F206同CPLD之间实现无缝连接,直接以外部端口的方式读取16位并行数据,然后对获得的数据进行计算,得到真有效值,监视系统运行情况,同时用LED显示实际高压电力线上的电流有效值。整个系统硬件结构如图3所示。

                          
TMS320F206作为主控制芯片,该芯片是TI公司新一代16位定点数字信号处理器,内部自带32 k FLASH程序存储器,4 k RAM存储器,不需要外部扩展就能够满足整个系统的设计要求。该处理器在20 MHz主频时,指令周期为50 ns,有适合于数字信号处理的高效指令集,能方便地进行复杂数学运算和有效地对外部接口进行控制。

系统中采用1片ALTERA公司的EPM7128作为整个系统的数字逻辑部分。该芯片可以重复编程,内部有2 500可用门,128个宏单元,能满足大部分复杂逻辑的要求。该芯片的使用,大大减少了数字系统工作所需要的分离逻辑器件数目,增强了系统可靠性和保密性。

显示模块采用MAX7219显示专用芯片,该芯片能够以三线SPI的方式同处理器接口,控制方便。该芯片只需要1只电阻就可以设置显示亮度,并且可以用软件的方式更改亮度。该芯片自动实现动态扫描方式显示,能驱动8只7段LED数码管,使用该芯片可以大大简化处理器对显示的控制接口和程序设计。

在低压侧,除了用TMS320F206对被采样信号的真有效值进行计算、驱动显示、给出保护接口外,用D/A转换器重新恢复被测量的模拟信号,得到模拟量输出。这是因为现在电力系统很多测量和执行机构还需要使用模拟量,所以本设计中为了保持和现有设备的兼容性,增加了模拟量输出模块。

3 系统软件设计

由于整个系统的运算量不是很大,所以采用汇编语言进行程序设计。TI TMS320C2000系列汇编语言功能强大,控制方便,有很多专用的指令集,很适合于进行数字信号处理。整个算法采用模块化设计方法。即显示控制模块、D/A驱动模块、继电保护逻辑实现模块和真有效值计算模块。主程序框图如图4所示。

                                    

DSP对数字量的读取采用中断方式,设置为外部中断INT1,设置为高优先级。每次读取数据后,就进行平方运算、累积前面的平方运算结果。完成512次(对输入信号一个周波采样512次)平方累积后,调用开平方子程序,算得该周期的输入信号真有效值。用算得的有效值来监视电网电力线的运行情况,提供保护手段。

 对于显示,不需要每周波更新一次显示,观察者也无法反应太快的显示更新。所以我们采用每计算16个周波的真有效值然后取平均,再去更新显示的方法。这样,一方面不会使显示器一直闪烁,另一方面也可以通过平均的方法提高精度。

4 结语

 该系统利用DSP处理器灵活高速的特点,对被测量电压信号进行了精确的测量,同时为电力系统提供可靠实时的保护信号。提出了真有效值计算的有效方法,采用该方法处理数字数据,精度高,程序设计方便,在实际应用中简化了设计和增强了可靠性。

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