基于DSP的光纖電流互感器二次側(cè)信號(hào)處理

電流互感器是現(xiàn)在電力系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷升高，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。目前國(guó)內(nèi)外很多高校和企業(yè)都在致力于開(kāi)發(fā)新一代的電流互感器。我們經(jīng)過(guò)多年研究，研制成功了有源式光纖電流互感器，對(duì)互感器二次側(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中，采用了TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206，用該處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)互感器二次側(cè)輸出電壓信號(hào)的真有效值測(cè)量、被測(cè)量高壓電力線電流的數(shù)字顯示以及互感器和電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的數(shù)字接口等重要功能，實(shí)現(xiàn)了互感器低壓端的全數(shù)字化。

1 真有效值計(jì)算原理
? 真有效值(RMS)是電力和電子系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)真有效值進(jìn)行精確的測(cè)量是很多精密儀器所必需的，準(zhǔn)確快速地對(duì)真有效值進(jìn)行計(jì)算是很多后續(xù)工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成電路直接把交流信號(hào)變成直流輸出，然后對(duì)直流輸出信號(hào)進(jìn)行處理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值轉(zhuǎn)換芯片。這種方法測(cè)量范圍窄、精度低、轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格高、功能單一。還有采用直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流變換的，價(jià)格便宜，但是精度更低，很難滿足實(shí)際應(yīng)用中的要求。

? 在我們?cè)O(shè)計(jì)的電流互感器中，由于得到的輸出是直接數(shù)字量（瞬時(shí)被測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換），為了接口方便和滿足精度和速度的要求，我們采用了TMS320 F206高速數(shù)字信號(hào)處理器，采用直接計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

?連續(xù)信號(hào)的真有效值定義如下：

其中：V_RMS是被測(cè)量信號(hào)的真有效值，v(t)是被測(cè)量交流信號(hào)，T是被測(cè)信號(hào)的周期。?

? 類似地，在數(shù)字系統(tǒng)中，上述計(jì)算公式應(yīng)該校正為：

其中：V_RMS是被測(cè)量信號(hào)的真有效值，N是每周期采樣點(diǎn)數(shù)，v(i)是被測(cè)信號(hào)瞬時(shí)采樣的數(shù)字量。

? 在本系統(tǒng)中，采用式（2）對(duì)已得到的數(shù)字量進(jìn)行平方累加求和，然后再取平均，最后開(kāi)平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令，很容易求累積和。

在實(shí)際計(jì)算中，為了計(jì)算方便，輸入信號(hào)每周期我們采樣512次，每計(jì)算16個(gè)采樣值的平方和后，除以16，整個(gè)周期共作32次這樣的運(yùn)算，最后再把32次這種運(yùn)算的結(jié)果累加，形成一周期內(nèi)的平方和的平均值。采用這種方法，可以避免處理器一直累加導(dǎo)致溢出的麻煩。

對(duì)于平方根的求取，由于TMS320F206沒(méi)有專用的開(kāi)平方指令，而有專用的平方運(yùn)算指令，所以我們采用下面的稱之為逐次逼近的算法：

? 即先令輸出信號(hào)為輸入信號(hào)最大可能值的一半（用二進(jìn)制數(shù)表示則為最高位為1，其余位為0），然后把反饋信號(hào)（輸出信號(hào)的平方）同輸入信號(hào)比較，如果反饋信號(hào)比輸入信號(hào)小，則保留原輸出的二進(jìn)制數(shù)的最高位，若反饋信號(hào)大于輸入信號(hào)，則該位置為0。然后再令輸出信號(hào)的次高位為1，重復(fù)上邊過(guò)程。按上述方法重復(fù)?N次（N?為數(shù)據(jù)的二進(jìn)制寬度），即得到被開(kāi)方數(shù)的開(kāi)方結(jié)果整數(shù)部分，當(dāng)數(shù)據(jù)位寬度足夠?qū)挼臅r(shí)候，開(kāi)方結(jié)果的小數(shù)部分可以忽略。本設(shè)計(jì)中由于處理器的累加器是32位字節(jié)寬度的，而A/D轉(zhuǎn)換器為12位，通過(guò)把累加的內(nèi)容適當(dāng)移位，充分利用處理器32位處理能力，忽略小數(shù)部分也能夠完全滿足精度的要求。采用該方法，能夠迅速計(jì)算整數(shù)的開(kāi)方，并且算法簡(jiǎn)單，容易用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，這種算法在本質(zhì)上就是所謂的二分法查找。

? 整個(gè)軟件算法對(duì)輸入數(shù)字量的處理過(guò)程如圖2所示。

圖中，因?yàn)锳/D輸出的是12位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)，在DSP讀出數(shù)據(jù)后，先取絕對(duì)值（F206有專門的ABS指令），這樣可以把輸入數(shù)據(jù)作為無(wú)符號(hào)整數(shù)來(lái)處理，減少編程中的麻煩。圖中的低通濾波器是為了清除輸入信號(hào)因?yàn)楦蓴_而帶入的高次諧波對(duì)真有效值的影響而設(shè)置的，采用數(shù)字濾波的方法，可以用簡(jiǎn)單的一階IIR濾波器實(shí)現(xiàn)。圖中的開(kāi)根號(hào)部分即上邊所述的逐次逼近算法。開(kāi)方后的值應(yīng)該在具體編程序的時(shí)候給與適當(dāng)?shù)钠醚a(bǔ)償，以抵消系統(tǒng)中的固有誤差，提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。最后把計(jì)算出的真有效值進(jìn)行增益調(diào)整，體現(xiàn)被測(cè)高壓電力線上的實(shí)際電流真有效值。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
? 在我們?cè)O(shè)計(jì)的有源式電流互感器中，采用一片ALTERA公司的CPLD（EPM7128）實(shí)現(xiàn)低壓控制部分各種時(shí)序的發(fā)生，同時(shí)生成高壓端A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序，通過(guò)光纖傳送到高壓電力線端。高壓端得到的瞬時(shí)采樣值通過(guò)光纖傳回控制室，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，以并行16位數(shù)據(jù)的方式輸出。DSP處理器TMS320F206同CPLD之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，直接以外部端口的方式讀取16位并行數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到真有效值，監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時(shí)用LED顯示實(shí)際高壓電力線上的電流有效值。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

TMS320F206作為主控制芯片，該芯片是TI公司新一代16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)部自帶32 k FLASH程序存儲(chǔ)器，4 k RAM存儲(chǔ)器，不需要外部擴(kuò)展就能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。該處理器在?20 MHz?主頻時(shí)，指令周期為50 ns，有適合于數(shù)字信號(hào)處理的高效指令集，能方便地進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和有效地對(duì)外部接口進(jìn)行控制。

? 系統(tǒng)中采用1片ALTERA公司的EPM7128作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字邏輯部分。該芯片可以重復(fù)編程，內(nèi)部有2 500可用門，128個(gè)宏單元，能滿足大部分復(fù)雜邏輯的要求。該芯片的使用，大大減少了數(shù)字系統(tǒng)工作所需要的分離邏輯器件數(shù)目，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性和保密性。

? 顯示模塊采用MAX7219顯示專用芯片，該芯片能夠以三線SPI的方式同處理器接口，控制方便。該芯片只需要1只電阻就可以設(shè)置顯示亮度，并且可以用軟件的方式更改亮度。該芯片自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描方式顯示，能驅(qū)動(dòng)8只7段LED數(shù)碼管，使用該芯片可以大大簡(jiǎn)化處理器對(duì)顯示的控制接口和程序設(shè)計(jì)。

? 在低壓側(cè)，除了用TMS320F206對(duì)被采樣信號(hào)的真有效值進(jìn)行計(jì)算、驅(qū)動(dòng)顯示、給出保護(hù)接口外，用D/A轉(zhuǎn)換器重新恢復(fù)被測(cè)量的模擬信號(hào)，得到模擬量輸出。這是因?yàn)楝F(xiàn)在電力系統(tǒng)很多測(cè)量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)還需要使用模擬量，所以本設(shè)計(jì)中為了保持和現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，增加了模擬量輸出模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
? 由于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算量不是很大，所以采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。TI TMS320C2000系列匯編語(yǔ)言功能強(qiáng)大，控制方便，有很多專用的指令集，很適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。整個(gè)算法采用模塊化設(shè)計(jì)方法。即顯示控制模塊、D/A驅(qū)動(dòng)模塊、繼電保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊和真有效值計(jì)算模塊。主程序框圖如圖4所示。

DSP對(duì)數(shù)字量的讀取采用中斷方式，設(shè)置為外部中斷INT1，設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。每次讀取數(shù)據(jù)后，就進(jìn)行平方運(yùn)算、累積前面的平方運(yùn)算結(jié)果。完成512次（對(duì)輸入信號(hào)一個(gè)周波采樣512次）平方累積后，調(diào)用開(kāi)平方子程序，算得該周期的輸入信號(hào)真有效值。用算得的有效值來(lái)監(jiān)視電網(wǎng)電力線的運(yùn)行情況，提供保護(hù)手段。

? 對(duì)于顯示，不需要每周波更新一次顯示，觀察者也無(wú)法反應(yīng)太快的顯示更新。所以我們采用每計(jì)算16個(gè)周波的真有效值然后取平均，再去更新顯示的方法。這樣，一方面不會(huì)使顯示器一直閃爍，另一方面也可以通過(guò)平均的方法提高精度。

4 結(jié)語(yǔ)
? 該系統(tǒng)利用DSP處理器靈活高速的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)量電壓信號(hào)進(jìn)行了精確的測(cè)量，同時(shí)為電力系統(tǒng)提供可靠實(shí)時(shí)的保護(hù)信號(hào)。提出了真有效值計(jì)算的有效方法，采用該方法處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，精度高，程序設(shè)計(jì)方便，在實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和增強(qiáng)了可靠性。

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