隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)、輸、配、用電量的采集也有了更高的要求。電量采集作為電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié),毫無疑問具有重要的作用。但在電量采集過程中,由于存在諧波等干擾因素,因此如何準(zhǔn)確、快速地采集電力系統(tǒng)中的各個(gè)模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)[1]。
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根據(jù)采樣信號(hào)的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣算法簡(jiǎn)單、便于濾波,但維護(hù)復(fù)雜、延時(shí)較長(zhǎng)、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集,因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到限制。交流采樣實(shí)時(shí)性好、相位失真小、投資少、便于維護(hù),其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度和CPU處理速度的要求較高[2]。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展,交流采樣有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。近年來,各種集成化單片DSP的性能得到很大的改善,價(jià)格大幅度下滑,越來越多的單片機(jī)用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能。本文以TI公司新推出的2000系列DSP (TMS320F2812)為例探討DSP在電力系統(tǒng)交流采樣中的應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

勵(lì)磁裝置的電量采集除發(fā)電機(jī)定子機(jī)端電壓、電流外,勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流及母線電壓也需一并考慮在一起,共九路模擬量。為了提高可靠性,還需加上第二組儀表PT時(shí),則要采集的模擬通道數(shù)將增加為12路。因此需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)方面權(quán)衡,選擇合適的采樣方式和采樣頻率,并注意強(qiáng)弱電的隔離和電磁干擾,從而確定最終的軟、硬件設(shè)計(jì)和元器件選擇。參考文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)地分析了影響軟件同步采樣精度和硬件同步采樣精度的因素及改進(jìn)措施。本系統(tǒng)采樣模塊利用硬件同步采樣方式,并通過硬件鎖相環(huán)同步環(huán)節(jié)直接控制采樣保持電路來獲得更高的同步精度。為了使采樣信號(hào)f *(t)能反映被采樣的模擬信號(hào)f(t), 采樣頻率必須滿足采樣定理,即采樣頻率fs必須大于模擬量所含最高次有效諧波頻率fmax的兩倍。實(shí)際采樣時(shí)一般使fs≥10fmax, 以保證采樣信號(hào)能夠準(zhǔn)確地代表被采樣的模擬信號(hào)。采樣頻率過高時(shí),會(huì)增加處理器的負(fù)擔(dān),影響實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)初步定為40點(diǎn),即采樣頻率為2kHz左右。

;圖1 交流采樣模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

交流采樣模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,它包括隔離變換電路、通道選擇電路、限幅電路、同步方波變換電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路等。

隔離變換電路中利用帶有磁補(bǔ)償?shù)幕魻杺鞲衅鲗⑾嚓P(guān)PT、CT送來的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號(hào)。通道選擇電路利用兩片2選1模擬多路選擇器MC14053B,通過不同的編址選出不同的A、B兩組,同時(shí)采樣六通道模擬量。這兩部分電路比較簡(jiǎn)單,不予詳述。

2.1 限幅電路

在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中,如果A/D轉(zhuǎn)換器損壞,檢測(cè)和控制的功能就不能實(shí)現(xiàn)。出于安全考慮,在A/D轉(zhuǎn)換器前采用限幅電路,以保障系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器安全。傳統(tǒng)的限幅器如齊納二極管限幅器、穩(wěn)壓管反向限幅器、橋式限幅器等,都是利用二極管的擊穿特性限幅。在擊穿區(qū)由于二極管內(nèi)阻并不為零,并有漏電流存在,所以穩(wěn)壓值并非恒定而且不易調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的限幅電路如圖2所示,設(shè)定UR=±2.5V,由TL431提供高精度的基準(zhǔn)電平。
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圖2 雙向限幅電路
2.2 同步方波變換電路及頻率采樣

為了保證勵(lì)磁裝置采樣的精度,必須使采樣頻率具有快速的自適應(yīng)能力,同步跟蹤機(jī)端電量的頻率變化。 如圖3 所示,所設(shè)計(jì)的同步方波變換電路由遲滯電壓比較電路、高速光耦、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。其中,由U1A (LM339的1/4)和Q1 (9012) 組成的遲滯比較電路將正弦波輸入信號(hào)變?yōu)?～5V的同頻率方波信號(hào),同時(shí)利用遲滯電壓特性消除輸入信號(hào)在過零點(diǎn)可能出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象。高速光耦6N137把模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開,同時(shí)進(jìn)一步隔離了強(qiáng)弱電之間的電氣連接。鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路U2(CD4046)和十進(jìn)制分頻電路CD4017組成,按每周波采樣40點(diǎn)計(jì)算,兩片CD4017完成40分頻。由于鎖相環(huán)的相位負(fù)反饋?zhàn)饔?當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)(D5為鎖定指示燈),U6_7 的輸出信號(hào)與U2_14的輸入信號(hào)同步,也即與正弦輸入信號(hào)同步,此時(shí)U2_4的輸出信號(hào)頻率為正弦信號(hào)頻率的40倍,并且跟隨其同步變化。
U6_7輸出的同步信號(hào)經(jīng)分壓后,被送入TMS320F2812的捕獲模塊CAP1,用于頻率的測(cè)量,以滿足勵(lì)磁控制中后續(xù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和V/F限制的需要。U2_4輸出的同步倍頻信號(hào)經(jīng)CD4528脈寬整形后得到合適的脈沖信號(hào),作為A/D采樣保持的觸發(fā)信號(hào)。本采樣模塊通過硬件鎖相同步,避免了軟件同步中的中斷響應(yīng)時(shí)間不確定性,可以獲得更高的同步精度。如果需要改變每周波采樣的點(diǎn)數(shù),僅需改變CD4017引腳復(fù)位的連線即可。