基于DSP+CPLD的智能IED設計

　　2.1 軟件流程

　　首先是DSP相應功能的初始化，包括串口、定時中斷、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)分別進行FFT運算，運算的結果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程如圖3所示。

　　圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運算、上傳過程

　　需要DSP計算的參數(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算出2～13諧波和各相的功率因數(shù)。算法的核心是FFT算法。

　　智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號。首先是DSP的相關功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷。然后通過普通I/O引腳作為觸發(fā)信號，依次選擇多路A/D輸入信號，這些信號通過信號調(diào)理電路在信號波形穩(wěn)定后可以經(jīng)過MAX125被采樣。通過數(shù)據(jù)總線傳遞給DSP，DSP經(jīng)過一系列運算后得到功率因素、介損基波諧波含量，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式打包，通過串口發(fā)送到ARM微控制器。AR M再將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機監(jiān)控軟件。

　　具體代碼如下：

　　2.2 電網(wǎng)參數(shù)的計算

　　DSP接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之后就立刻進行計算。在本設計中，電網(wǎng)的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關系，形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)傅里葉分析原理可知，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。

　　諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網(wǎng)電壓/電流分解為50 Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。

　　除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外，系統(tǒng)還有其他參量的計算。由于調(diào)用的功能模塊十分復雜，只對部分參數(shù)的計算過程進行描述。多數(shù)參數(shù)都是通過對采集點的離散積分求得的。

　　高壓A相電壓有效值：

　　高壓A相電流有效值：

　　單相電壓/電流諧波畸變率：

　　中壓A相電流諧波含量：

　　高壓三相電壓總諧波畸變率：計算出各相電壓的各諧波含量和基波含量，用總諧波含量除以基波分量。

　　單相電壓功率因數(shù)：由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實部)的反正切值。

　　單相介損：將末屏電流和對應相電壓分別作FFT運算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。

　　3 總結

　　該系統(tǒng)應用于智能變壓器系統(tǒng)中，可多個通道同步采集，轉(zhuǎn)換精度高。經(jīng)實驗驗證，信號采集模塊的實時性和精度上都取得良好的效果，且工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)采用高速14位并行A/D轉(zhuǎn)換器，簡化了接口設計，提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度。通過CPLD實現(xiàn)各種復雜控制信號，通過改變XF引腳的電平，可以將外擴SRAM、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實現(xiàn)信號的多路高速同步實時數(shù)據(jù)采集，抗干擾能力強，并利用FFT算法準確計算出電網(wǎng)諧波因數(shù)、功率角、介損角。