1、DSP 与 CPLD 的智能变电站电网 IED 设计引言随着新技术的不断发展，数字化变电站正在兴起。在智能电网规划的推动下，未来数字化变电站将成为新建变电站的主流。众所周知，电网信号量极多且相关性很强，这给采集计算和实时监测带来了很大的麻烦。为了解决这一问题。本文的设计师基于 DSP 和 CPLD搭建的智能 IED(Intelligent Electronic Device，智能电力监测装置)可以同时采集多路信号，并通过 FFT 算法得到电网运行的关键数据。基于 IEC61850 的智能变电站的逻辑如图 1 所示。IEC61850 协议主要定义了变电站的信息分层结构：过程层、站控层和间隔层。本
2、文重点研究智能 IED 设备，按照 IEC61850 协议的描述，IED 检测设备位于间隔层和过程层。其中，负责存储测量数据、进行电网数据分析和诊断的主 IED 位于间隔层；与现场传感器直接联系的测量 IED 位于过程层；处于站控层的变电站现有计算机系统将存储长期的历史数据和诊断结果。图 1 智能变电站逻辑框图1 系统硬件设计该系统由 DSP、CPLD 和高速 AD 转换器搭建的算法模块，多路选择数据采集模块和信号滤波模块组成。负责 DSP 采集的是目前较为主流的工控 DSP，CPLD 采用的是 Altera 公司的 EPM3256，AD 转换器采用的是 Maxim 公司的 14 位高速芯片
3、MAX125。DSP 专注于电网能量质量的计算，而 CPLD 和高速 AD 转换器构建的电路适用于多路信号的同时采集。智能 IED 处理流程如图 2 所示。检测的信号主要是三相电压、三相电流信号。信号前端电路将执行低通滤波功能，滤除对信号影响比较大的杂波。随后信号被高速 AD 转换器采集，通过 AD 转换器+CPLD 电路实现，最后通过数据总线送至 DSP。完成参数计算后，DSP 把数据格式进行统一打包上传给主控 IED，其主要功能是接收检测 IED 的数据，并上传给数据库。图 2 智能 IED 处理流程11 多路选择开关本系统采集的对象较多，由于计算功率因数角和介损角必须是同相同时刻的电压和
4、电流之间的相位差，因此必须同时采集三相电压对应的三相电流值和三相末屏电流值。MAX125 是双通道 8 路采集，每一路可以采集 4 路信号，在本系统中将用到其中 3 路，另一路信号可以被闲置。12 与上位机通信接口实际上，本系统只是整个智能变压器的一个数据采集模块。所有采集信号在经过处理后还要打包传递给上位机。本系统采用简单的 RS232 传输方式。将一次所有的数据传输到上位机，在上位机打包之后通过 TCPIP 传递给监控中心。13 数据采集和 AD 转换模块智能电网最少也需要采集 20 路信号。包括高中三相电压、三相电流、三相末屏电流和中性点电流。这些信号通过传感器转换成电压信号输入到监测装
5、置。本系统要求计算到 13 次以上的谐波含量，FFT 算法采集 2 个电网周期至少 128 个点。电网频率为 50 Hz，那就意味着要在 40 ms 里采集 128 个工作点，采集频率为 3200 Hz。为了保证采集的点集中在两个完整的周期里，需要利用 DSP 定时中断采集工作点。在整个系统中，信号采集单元的转换精度对整个系统性能的优劣起着至关重要的作用。MAX125 自带采样保持器，通道同时采样，采样精度 14 位，适合电网某一时刻的电压电流同时采样；输入电压的范围是5 V，采集一路的时间为 3s，非常适合高速采集的系统。当 MAX125 对采样的 8 路信号转换完毕后，其 INT 引脚产生
6、中断信号，与 CPLD 中自定义的 INT 引脚相连表示转换完毕，DSP 可以通过响应中断对采样信号进行读取与处理。MAX125 通过对 A0A3 的地址线编程实现通道的选择，CLK 信号用作 AD 转换所需的时钟，由 CPLD 的时钟提供。MA X125 的数据总线(D0D13)、时钟输入 CLK、片选输入 CS、写输入 WR、读输入 RD、转换开始输入 CONVST 和中断输出 INT 引脚，均与 CPLD 中自定义的相应功能 IO 引脚相连。由于本系统需同步采集 20 路前端信号，而 MlAX125 为 8 通道差分输入 AD 转换芯片，所以本系统需用 3 片 MAX125 芯片。14
7、信号调理电路220 kV 或以上的变压器引出的信号，要经过现场复杂的环境再进入传感器。从传感器进入 MAX125 的信号还要经过长线传输。它的信号通常不能被控制单元直接接收，因此信号调理电路就成为控制系统中必不可少的一部分。一般来说在差分输入端将 20 mA 标准电流信号转换成 15 V 的标准电压信号，经信号调理电路调理后输入 AD 转换器。其中输出端电压高于 AD 转换器的输入电压值，在此进行分压后进行采样。电力系统中大量的非线性负载，会使得电网的电能质量大幅降低。从电网中采集的信号如果不做任何处理将会影响 DSP 的运算精度。本系统中对信号的处理采用的是低通滤波器。低通滤波模块一般是用电
8、路元件(如电阻、电容、电感)来构成所需要的频率特性电路。一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号，并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。2 系统软件设计21 软件流程首先是 DSP 相应功能的初始化，包括串口、定时中断、部分用作控制线的 IO 口。在数据处理之前首先要开启一个 EVA 模块用于捕捉电网的频率。随后的工作就是读取来自AD 转换器的数据，一组 128 个分别对应两个周期的电压电流和末屏电流值。每 128 个数据分别进行 FFT 运算，运算的结果将进一步分析以得出功率因素、介损角等值。IED 数据采集、运算、上传过程如图 3 所示。图 3 IED 数据采集、运算
9、、上传过程需要 DSP 计算的参数是高压 A、B、C 三相电压、三相电流的有效值，中压 A、B、C 三相电压、三相电流的有效值，各相电压电流的 213 谐波的幅值和谐波畸变率，以及高中压三相的功率因素、介损角值。DSP 算法要解决的难题是计算出 213 谐波和各相的功率因数。算法的核心是 FFT 算法。智能电网最少也需要采集 20 路信号。首先是 DSP 的相关功能初始化，包括串口、GPIO、EVA 事件捕捉模块和定时中断。然后通过普通 IO 引脚作为触发信号，依次选择多路 AD 输入信号，这些信号通过信号调理电路在信号波形稳定后可以经过 MAX125 被采样。通过数据总线传递给 DSP，DS
10、P 经过一系列运算后得到功率因素、介损基波谐波含量，并将这些数据按照一定的数据格式打包，通过串口发送到 ARM 微控制器。AR M 再将这些数据传输给上位机监控软件。具体代码如下：22 电网参数的计算DSP 接收到 AD 转换的数据之后就立刻进行计算。在本设计中，电网的谐波含量和谐波因素是计算的一个重点。在电力系统中谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据傅里叶分析原理可知，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率
11、、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多、更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。利用 FFT 算法可以将电网电压电流分解为 50 Hz 基波和多次谐波的叠加。如此一来某个特定频段上的谐波就显而易见了。除了谐波的计算需要使用到 FFT 算法之外，系统还有其他参量的计算。由于调用的功能模块十分复杂，只对部分参数的计算过程进行描述。多数参数都是通过对采集点的离散积分求得的。高压 A 相电压有效值：高压 A 相电流有效值：单相电压/电流谐波畸变率：中压 A 相电流谐波含量：高压三相电压总谐波畸变率：计算出各相电压的各
12、谐波含量和基波含量，用总谐波含量除以基波分量。单相电压功率因数：由 FFT 算法得出基波有效值的(虚部实部)的反正切值。单相介损：将末屏电流和对应相电压分别作 FFT 运算，所得的相位作差，该相位差角度为介损角。3 总结该系统应用于智能变压器系统中，可多个通道同步采集，转换精度高。经实验验证，信号采集模块的实时性和精度上都取得良好的效果，且工作稳定可靠。该系统采用高速 14位并行 AD 转换器，简化了接口设计，提高了读取速度以及数据处理速度。通过 CPLD 实现各种复杂控制信号，通过改变 XF 引脚的电平，可以将外扩 SRAM、Flash 映射到数据空间或程序空间。DSP 芯片通过 CPLD 芯片连接高精度数据采集芯片 MAX125 实现信号的多路高速同步实时数据采集，抗干扰能力强，并利用 FFT 算法准确计算出电网谐波因数、功率角、介损角。
