隨著電力系統新型負荷及非線性負荷的大量增加,電力系統的電壓和電流波形會發生嚴重畸變,從而給電力系統帶來很大的“電網污染”.特別是用戶內部短路以及開關操作、變壓器或電容器組投切時的短時中斷均會引起暫態、瞬時過電壓以及電壓凹陷、凸起或短時供電中斷等電能質量擾動問題.同時電網系統中的諧波成份也越來越復雜,嚴重的電力“污染”對某些行業(如醫院的精密儀器、微計算機系統以及智能電子、工業過程控制中的微處理器等)構成了巨大的威脅,甚至造成“瀑布”式的連鎖反映,從而引發電網崩潰的事件.所以,電力系統中電網數據的精確采集、故障判斷、數據處理已成為電網正確運行的焦點.

　　現有的電網質量分析板受器件和分析方法的限制,大多對系統中的暫態、短時擾動信息難以快速、準確地捕捉.隨著高速數字信號處理?DSP 技術的發展及其制造成本的降低,DSP技術在電力系統的各個研究領域得到了廣泛的應用.表1是DSP方式與傳統芯片處理方式的能力對比,從中可以看出DSP用作處理器的優勢.

　　表1 DSP與傳統芯片處理能力對比表

　　2 基于TMS320F206的硬件設計

　　基于DSP處理板的主體設計思想是采用DSP芯片TMS320F206構成數字處理系統,并以下位機為主體實現實時采樣、數據處理、分析和短時儲存,然后與上位機進行數據通訊,以及利用遠程計算機進行展示和數據庫存儲管理等.具體操作如下:

　　(1)用處理板測量并計算三相電流、電壓的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數;對40Hz～2MHz頻率輸入信號進行測頻采樣;

　　(2)對數據進行處理,分析查錯,給出報警類別,并給出開關量輸出信號以便進行開合閘操作;

　　(3)對電壓、電流的l～63次諧波進行分析,給出幅度、相位以及三相電壓、電流的總畸變率;

　　(4)通過16C552芯片UART擴展2個RS-232和一個RS-485接口以便與上位機進行數據交換,同時擴展一并行口以與打印機相連;

　　(5)用看門狗進行刷新、復位并實時檢測系統;

　　該處理板的主控芯片選用定點DSP芯片TMS320F206.系統的硬件功能框圖如圖1所示.

　　該電網采樣數據處理板的功能是在數字信號處理芯片TMS320F206的控制下完成的.數據采樣模塊采用的3片高速14位A/D芯片MAX125在工作時外接與16C552公用的16MHz時鐘,因其并行接口數據訪問和總線釋放的時間特性與DSP的特性兼容,因此,其轉換結果可由DSP不加等待狀態而直接讀取.3片MAX125在此用12路進行同步采樣?不用的通道為防干擾應接地.電壓、電流等模擬量通過變壓器轉換成-5V～+5V的電壓,并在濾波后接入MAX125,轉換開始信號由DSP的引腳TOUT提供給3片MAX125的CONVST引腳,并在上升沿啟動采樣,片內的時序發生器可控制指定的通道以使其按順序進行轉換,并將結果存儲在片內14Bit×4的RAM中,轉換結束后,每片MAX125的INT引腳變低?3片通過CPLD或門輸出給DSP.讀取結果時,執行連續讀操作,第一次讀到的是第一通道的數據,第二次讀的是第二通道的數據,依此類推.

　　16C552是TI?TLl6C552 、EXAR?ST16C552 、VLSI?VL16C552 等公司生產的異步通信芯片.在采樣處理板中?16C552可作為RS232、RS485串口和打印機并口的擴展芯片,并通過MAX232驅動芯片來和MAX1486驅動芯片與上位機進行通訊.圖2為UART擴展的電路圖.

　　由于TMS320F206僅有一個同步通訊口,因而設計中采用DSP的UART擴展.同時由于輸入輸出接口的資源有限,故采用了CPLD擴展.圖2中將DSP及電源、地、光電耦合器等做了簡化,有興趣的讀者可以查詢相關資料.本系統中16C552的串口和并口都工作在中斷工作方式,16C552的CLK端外接15.9744MHz晶振時,可通過設置除數寄存器的高、低位DLM、DLL來確定通訊的波特率.

　　在硬件電路設計中,l6C552的片內寄存器選擇線A0～A2以及讀寫信號均由DSP直接控制.串、并行通道的片選線CSA、CSB和CSP則由CPLD直接控制,可根據需要選擇串行通信方式還是并行通信方式.為防止干擾,系統加入了光電隔離器,由于RS232電平與CMOS電平不同,因此RS232驅動器與CMOS電平連接時必須經過電平轉換,MAX232就是完成這一功能的.另外,用MAXl486來實現與RS485的通訊,該驅動芯片的OE、H/F可決定電路是工作在半雙工還是全雙工狀態,并可由CPLD來控制選擇.l6C552的并口可直接連接到PC機的并口上而無須電平轉換.通訊時,通過中斷INT1～INT3可向CPLD邏輯塊發生申請,并由DSP響應.

　　為了便于調試和實現程序加載、設置軟件斷點等功能,系統擴展了32k的快速SRAM來將程序、參數放入其中,調試成功后,可將待固化程序通過仿真器燒入TMS320F206的第一塊16k字的Flash中,第二塊用于固化放置重要參數.為了調試方便和有效利用資源,程序、數據片選應采用圖3所示的連接方式,調試時程序選用前16k(8000H～BFFFH)的SRAM,后16k(C000H～FFFFFH)用于存放數據參數.

　　該系統能測量40Hz～2MH的信號頻率.測量工頻時,電網信號經變壓器降壓后,再經過濾波器和比較器送給CPLD進行計數測量.8MHz(CLK)晶振脈沖輸入可以使用單獨的有源晶振,也可以用CPLD對已有的16MHz晶振分頻得到.

　　選用完成系統電源監控的看門狗復位芯片MAX1232,可設置為自動刷新和手動復位結合方式.當電壓檢測器監控到Vcc低于所選擇的容限時,系統將輸出并保持復位電平;以使DSP能在一定時間內觸發ST端來刷新看門狗.如果ST在250ms間隔內未觸發,MAX1232自動發出信號來復位系統.

　　3 基于TMS320F206的軟件流程

　　該數據采集處理板通過TMS320F206內部定時器中斷來啟動A/D轉換,中斷周期被設置為每周波采樣64點,即約312.5ns觸發一次中斷.MAX125的12路A/D轉換完成后,電路將觸發中斷信號INT0給DSP.實時數據由DSP通過連續讀脈沖將數據存到內、外部擴展RAM或通過通訊擴展芯片傳給上位機.當數據采樣達到64個點后,開始執行FFT單元.通常將FFT算法程序塊存到DSP內部存儲單元B0中,該單元是一個64點同址基2 時間抽取的FFT模塊.通過DSP算法可實現對各項電能質量指標及其它電參數的計算與分析,同時進行數據處理(包括諧波分析和不平衡度分析),也就是在采樣點采樣后實時檢測信號的峰值、有效值等信息,以判斷過壓、欠壓、振蕩等電能質量問題.最后將實時波形或分析譜結果傳送到PC上位機或其它網絡上.系統的每個采樣周期的時間分配見圖4 所示.其軟件主程序和中斷處理程序流程圖分別見圖5、圖6 所示.

　　我國對電網質量研究起步較晚,目前使用的電網質量檢測設備與發達國家還有一定距離,因此,電網污染問題仍然有待于進一步解決,傳統的采樣裝置有待于進一步優化提高,本文設計的電力采樣處理板采用DSP芯片構成數字處理系統,以下位機為主體實現實時采樣、數據處理、分析和短時儲存,同時與上位機進行數據通訊并利用遠程計算機展示和存儲管理數據庫.實驗證明:利用該設備可提高系統的運算速度和精度?而且性價比很高.