基于dsp的多通道电流互感器的设计

基于dsp的多通道电流互感器的设计

1光电式电流传感技术电力交换（ct）是一项重要的电气系统能的测量和电气保护。传统的电流互感器均使用电磁式电流互感器。随着电力系统传输容量的增长和电网电压的提高,传统的电磁感应式电流互感器已经不能适应,如绝缘结构复杂,尺寸大,造价高,设备安装、检修不方便,磁饱和,铁磁谐振,动态范围小,频带窄以及介质油易燃易爆等。微电子技术和光学传感技术的发展,使光纤通信技术和微电子技术结合起来应用于电力系统的大电流测量已经成为现实。光电式电流互感器(OptoElectronicCurrentTransformer,OECT)是一种新型的电流互感器。它集光信号的抗干扰性强、电信号易于处理等特点,具有明显的优势。它的抗电磁干扰性、绝缘的可靠性、宽动态测量范围以及高速响应等特点是传统CT无可比拟的。近年来,数字信号处理器(DSP)技术已被应用于某些电力系统产品,并充分发挥了它的优势。美国德仪(TexasInstruments)公司所推出的TMS320C32是一种32位浮点型的DSP。它具有强大的浮点计算能力,其处理能力可达60MFLOPS(60M浮点型指令每秒)和30MIPS(30M指令每秒)。本文将TMS320C32用于光电式电流互感器研制,充分利用了DSP的强大运算能力,采用先进的软件编程技术,成功地开发了一种以DSP为核心的光电式电流互感器。它集测量、保护等多种功能于一体,对进一步提高电网的自动化水平、提高供电的安全性和可靠性、增加电网的经济效益都将具有重要意义。2高端采样电路设计光电式电流互感器(OECT)的工作原理如图1所示。高压侧部分包括电源和采样2大部分。电源部分通过电源互感器从电流母线上感应出能量,供给高端采样电路所需的能量。而采样部分则将电流互感器和电阻分压器的模拟信号转化为数字信号,高端采用仪用铁芯线圈和罗柯夫斯基线圈对电流进行分段采样,用电阻分压器获取适当的电压,然后进行采样并将采样来的电流、电压信号经电—光转换成光信号后通过光纤传输到低端,低端利用光—电变换器又将光信号转换成相应的电信号,由微处理器进行处理。光纤在这里既起到高、低端的联系作用又起到高、低端的电磁隔离作用。3系统设计3.1a/d转换芯片光电式电流互感器(OECT)的高端系统把电网母线的电流信号转换为数字量,通过光纤传送至低端系统。高端系统包括电流采样互感器及电路、电阻分压器、电源互感器及电路、A/D转换芯片、主控CPU、电磁屏蔽机箱。如图2所示,电流信号通过准确度较高的电磁式电流互感器获取;A/D芯片采用转换精度为12位的高速A/DMAX197;主控CPU采用INTEL公司的87C51单片机;电网母线提供高端系统电路的电源。由于整个OECT高压侧的电位和电流母线是等电位的,即高压侧电路和电流母线之间不存在绝缘问题,所以高端的电流互感器可以采用技术上已很成熟的铁芯线圈将母线大电流转化为小电流信号,再配以高准确度的采样方法,即可以使电流测量达到很高的准确度。3.2光发送器和光阅读器在OECT中,光纤传输系统具有2个重要作用,一是作为高低电压之间的电绝缘介质,二是实现高压侧电流采样数据向低压侧的高速传送。由于光纤具有良好的绝缘性能,所以使用光纤作为高、低端之间的数据通道可以节省庞大的绝缘设施。电压等级越高,这种优越性越突出。本文电路中光发送器和光接收器分别采用了美国Honeywell公司的HFE4226LED和HFD3878集成光接收器。它们均为工业级产品,工作温度范围为-40~100℃,提供工业标准的ST接口。3.3密度光纤传输单元低压侧系统是光电式电流互感器的核心。它实现与高压侧系统的数据通信和数据处理。数据处理单元的核心是TMS320C32。从光纤传输部分接收高端传递下来的电流、电压采样值,然后进行电流、电压、功率等物理量计算。使用高性能的微处理器和有效的算法实现数据处理的实时性,并提供与继电保护和远程控制计算机的通信接口。低压侧系统的原理结构如图3所示。(1)dsp模块设计TMS320C32系TI公司推出的32位浮点型DSP。它在TMS320C30和TMS320C31的基础上进行了简化和改进。TMS320C32在结构上的改进包括可变宽度的存储器接口、更快速的指令周期时间、可设置优先级的双通道DMA处理器、灵活的引导程序装入方式、可重新定位的中断矢量表以及可选的边缘/电平触发中断方式等。特别是其增强的外部存储器接口,使得对外部数据的操作更加方便,设计存储器接口电路也更为灵活,因此在许多实时数据采集和信号处理系统中得到了广泛应用。它的基本原理框图如图4所示。C32的内部总线结构是分开的程序总线(PADDR和PDATA),数据总线(DADDR1,DADD2和DDATA)和DMA总线(DMAADDR和DMADA-TA),使程序的提取、数据存取和DMA存取可以并行地进行。这些总线连接所有C32的实在空间。24位的数据地址总线(DADDR1和DADDR2)和32位数据总线(DDATA),每一机器周期中支持2次数据存储器的存取,DDATA总线通过CPU1和CPU2总线将数据送到CPU。CPU1和CPU2总线在每一机器周期内,可送2个数据存储器内的数据到乘法器、运算器(ALU)和寄存器组。在CPU内部还有寄存器总线REG1和REG2,它们在每一机器周期内可从寄存器组运送2个数据值到乘法器。DMA控制寄存器有24位地址总线(DMAADDR)和32位数据总线(DMADATA)支持。这些总线使DMA能与数据和程序总线并行地执行存储器存取。C32的多端口寄存器组具有28个寄存器。该寄存器组与CPU紧耦合,所有这些寄存器可被乘法器和ALU操作,并可被用作通用寄存器。各个寄存器还具有特殊的功能。一64×32的指令高速缓冲存储器用于存储经常重复的码段,从而可减少片外存取次数。2个片内单周期双获取的256×32的SRAM、32位桶形移位器、32位加法器及ALU,使得DSP完成1次乘/加操作只需40ns。流水线操作和并行I/O、DMA、CPU操作是DSP的2大特点。C32流水线控制为CPU极高的执行速度创造了条件,使得DSP的单周期指令执行时间达到33.3ns,即处理能力达到60MFLOPS和30MIPS。为充分发挥DSP数据处理能力,弥补控制能力的不足,本文方案采中用了以C32为主CPU,用单片机P89C54实现对液晶显示、用户键盘输入控制、高压侧采样数据的接收以及对系统工作状态指示灯的显示等的低速控制,由控制功能强大的可编程逻辑芯片(CPLD)实现开入/开出及控制功能,并配置了集成度高的SRAM存储器。TMS320C32的运行程序,需要外加器件帮助DSP过程中存储程序。在系统上电复位后,首先要将程序代码加载到DSP的片内RAM中再执行。本系统选择用一片32k×8bit的EPROM,采用8位并行EPROM的程序加载方法给DSP加载程序。(2)dsp和分路显示DSP作为高速的运算处理器不适用于低速的控制。本系统选用单片机来完成液晶显示、用户键盘输入控制、高压侧采样数据的接收以及对系统工作状态指示灯的显示等工作,因此同时也需要DSP和单片机交换数据。通过共享片外随机存储器实现DSP和单片机交换数据通信,DSP既可以从共享存储器读取采样数据,也可以把处理结果写到共享片外随机存储器中供单片机读取。TMS320C32有2根通用的I/O引脚XFO和CF1。由于共享存储器接口电路需要4根控制线来进行DSP与MCU间的握手通信,因此把串口的2个引脚FSR0和FSX0设置为通用的I/O引脚用作控制线。4片容量为512k×8bit高速RAM(芯片型号为CY7C1049-17VC),组成宽度为32位的存储器数据,将DSP从共享存储器读取的采样数据暂存到这4片RAM中。(3)准同步算法的应用OECT应用于电网的实际电磁测量时,由于电网的频率不一定总是稳定在50Hz,在采样中或多或少会存在同步误差,因而采样间隔不一定恰好等于信号周期的整数倍。如果要实现精确的电磁测量,同步采样误差必将成为进一步提高同步采样测量仪器准确度的一个障碍。为了减少同步误差,提高OECT的准确度,可采用软件做补偿。这种软件算法就是准同步的测量方法。理论分析和实际应用表明:运用准同步算法,在电网的频率和50Hz通常偏差小于0.5%的情况下,能够有效地减少因为不能同步采样而带来的误差。因此本文采用了准同步算法以解决非同步采样的问题。4测试及干扰运行过程本文所研制的OECT先后在清华大学高电压实验室进行了光纤的耐压试验、在10kV与110kV电压等级下的进行测试以及OECT在10kV电压等级下的抗干扰运行试验,并在山东进行了10kV和110kV电压等级的挂网试运行,精确度优于±0.5%。试验表明,OECT具有结构简单、安装方便、抗干扰性能好、测量准确度高等特点,系统成本不会随着电压等级的提高而增加,可应用于测量、计量、保护等