TMS320F2812在電力系統(tǒng)多通道同步交流采樣中的應(yīng)用

摘　要：電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測量多路電壓及電流信號,當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時,必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計(jì)算的精度。結(jié)合發(fā)電機(jī)勵磁控制裝置采樣模塊的實(shí)現(xiàn),介紹了利用新型DSP芯片TMS320F2812實(shí)現(xiàn)多通道同步交流采樣的硬件電路及軟件程序,通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了新型DSP在電力系統(tǒng)自動化控制中的適用性和優(yōu)越性。所提出的方案對交流電參量微機(jī)測量裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。
 
關(guān)鍵詞：同步采樣 交流采樣 勵磁控制 DSP TMS320F2812

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)對發(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)時控制、監(jiān)測、調(diào)度自動化的前提環(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)中的各個模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)[1]。
 
根據(jù)采樣信號的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣算法簡單、便于濾波,但維護(hù)復(fù)雜、延時較長、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號采集,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。近年來,各種集成化單片DSP的性能得到很大的改善,價格大幅度下滑,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,勵磁電壓、勵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,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f *(t)能反映被采樣的模擬信號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)際采樣時一般使fs≥10fmax, 以保證采樣信號能夠準(zhǔn)確地代表被采樣的模擬信號。采樣頻率過高時,會增加處理器的負(fù)擔(dān),影響實(shí)時性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時初步定為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、電流信號轉(zhuǎn)換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號。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,同時采樣六通道模擬量。這兩部分電路比較簡單,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=