摘 要： 為了在完成數(shù)據(jù)采集的同時還能進行各種處理和控制，設計開發(fā)了一種基于DSP和CPLD技術的高壓容性設備介損在線監(jiān)測終端。闡述了該終端中高速A/D轉(zhuǎn)換電路與 DSP接口電路、鎖相倍頻電路及其他通訊接口電路的具體實現(xiàn)方法，以及基于DSP采用優(yōu)化的傅里葉變換求取介質(zhì)損失角正切(tgδ)的方法。經(jīng)試驗表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。
關鍵詞： 高壓容性設備； DSP； CPLD； 介損測量； 在線監(jiān)測
電容型設備(電流互感器、耦合電容器、電容式電壓互感器和高壓套管等)在電力系統(tǒng)設備構成中占相當大的比重，這些設備的安全可靠是實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)運行的基礎。而電氣設備(尤其是高壓設備)損壞事故中很大一部分是絕緣損壞引起的，通過對其介電特性的監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)尚處于早期發(fā)展階段的缺陷。絕緣材料的介質(zhì)損失角正切(tgδ)是反映高壓電氣設備絕緣性能的一項重要指標，通過測量tgδ可以發(fā)現(xiàn)電力設備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷[1-2]。而及時、有效地發(fā)現(xiàn)絕緣存在的缺陷對于保障電網(wǎng)安全具有重要意義。
介質(zhì)損失角正切(tgδ)的在線監(jiān)測，關鍵是如何準確獲得并求取兩個工頻基波電流信號的相位差。早期采用在模擬信號處理基礎上的“過零比較法”[3]，通過計數(shù)器方式獲得兩個信號的時間差，然后再根據(jù)信號周期轉(zhuǎn)換成相位差。該方法對硬件電路穩(wěn)定性要求高，電路自身的漂移及諧波的干擾影響均難以克服。本文以電容性設備中的高壓套管為例,討論一種基于DSP+CPLD模式的容性設備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測終端的開發(fā)與設計。
1 高壓容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)結構及原理
系統(tǒng)結構如圖1所示。監(jiān)測終端在接收到數(shù)據(jù)處理服務器發(fā)出的同步采集命令后，系統(tǒng)電壓監(jiān)測終端及容性設備監(jiān)測終端跟蹤系統(tǒng)頻率,并利用參考源實現(xiàn)同步采樣。各監(jiān)測終端采樣處理后，電壓監(jiān)測終端將采集處理后的結果數(shù)據(jù)向系統(tǒng)廣播，容性設備監(jiān)測終端接收到系統(tǒng)電壓監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)后做數(shù)據(jù)處理，并將結果數(shù)據(jù)通過CAN現(xiàn)場總線發(fā)送到安裝在控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理服務器。數(shù)據(jù)處理服務器處理、存儲數(shù)據(jù)，并通過專家診斷系統(tǒng)進行橫向縱向比較、診斷、預警，從而實現(xiàn)絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測。
工作原理：由于被測設備末屏電流很小，在測試時易受現(xiàn)場各種干擾的影響，因此，在設計信號取樣方式時，采用穿芯式零磁通電流傳感器技術，補償溫度變化給測量帶來的漂移；利用瑣相環(huán)及CPLD實現(xiàn)跟蹤電網(wǎng)頻率，使每周波采樣點數(shù)相同，動態(tài)改變采樣周期，消除電網(wǎng)頻率變化給測量帶來的影響；采用DSP及高精度A/D同步采樣技術及優(yōu)化的傅里葉分析法，求得幅度、相位和相位差等，進而得到所需的介質(zhì)損耗、泄漏電流、等值電容等電氣參數(shù)。
2 現(xiàn)場監(jiān)測終端硬件結構
基于DSP+CPLD的現(xiàn)場監(jiān)測終端硬件結構示意圖如圖2所示?，F(xiàn)場監(jiān)測終端的主要任務是接收到數(shù)據(jù)處理服務器的命令后，同步高速采集4路模擬信號(A、B、C及參考源4路電流)，對所采集的周波數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換，得到各路信號基波及3、5、7、9次諧波的幅度及相位；再計算A、B、C各相與參考源的相位差及各相的電流幅值。介損值是利用兩個相同結構的監(jiān)測終端的同相相位差相減，得到介損角δ，再求取tgδ。
2.1 數(shù)字信號處理器TMS320F2812[4-5]
該終端的主處理器采用美國TI公司的DSP芯片TMS320F2812,該芯片是工業(yè)控制領域的一款高端產(chǎn)品，是技術先進、功能強大的32位定點DSP 芯片。采用哈佛總線結構，具有3個32位高性能的CPU定時器，時鐘頻率支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，片上資源擴展性強，處理速度高達150 MIPS，最高頻率為150 MHz，指令周期為6.67 ns，采用8級流水線的工作方式。它既具有數(shù)字信號處理能力, 又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合[1]。具體如下[4,6]：
(1) 靜態(tài)CMOS,主頻可達150 MHz,低功耗(核電壓1.8V、I/O電壓3.3 V) ;
(2) 128K×16 bit片上Flash、18K×16 bit上SRAM、4K×16 bit上BootROM。
(3) 外部存儲空間接口:最多可達1M×16 bit,提供3個獨立的片選信號,讀/寫時序可編程。
(4) 動態(tài)PLL ,可由軟件編程修改主頻和片上看門狗定時器的計數(shù)值。
(5) 外設中斷擴展模塊,最多支持45個外部中斷。
(6) 用于電機控制的外設:2個事件管理器(與C240x 器件相容) 。
(7) 多種標準串口外設:1個SPI 同步串口、2個UART 異步串口、1個增強型CAN總線接口、1個McBSP 同步串口。
(8) 12位A/D轉(zhuǎn)換器:16通道、雙采樣/保持器、2×8多路切換器;
(9) 56個獨立可編程、復用型、通用I/O口。
采用TMS320F2812的另一原因是它可方便地實現(xiàn)2 048點FFT算法的需求，利用Altera公司CPLD器件豐富的I/O引腳,可通過編程方便地控制每個引腳的狀態(tài)以及相互間的邏輯關系[4]。
2．2 跟蹤電網(wǎng)頻率及鎖相倍頻電路設計
在周期性電參量的測量中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關鍵。所謂同步采樣就是將信號的一個周期或多個周期進行均勻離散，在每一離散點處取其信號的瞬時值。同步采樣有利于離散傅立葉變換，減少頻譜泄漏，進而減小誤差。
鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)。鎖相環(huán)主要由相位比較器、壓控振蕩器和低通濾波器三部分組成，如圖3所示。其工作原理是壓控振蕩器的輸出U0接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號UI與來自壓控振蕩器的輸出信號U0相比較，比較結果產(chǎn)生的誤差輸出電壓
正比于UO和UI兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓Ud。這個平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定,即同步,稱作相位鎖定[2,5]。
A/D采集的控制信號由鎖相環(huán)倍頻輸出決定，鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)頻率，利用CPLD將電網(wǎng)信號倍頻，可準確控制每周波信號內(nèi)固定采集2 048或4 096點，假設信號頻率是50Hz，即采集頻率為102.4 kHz或204.8 kHz。本終端鎖相倍頻電路設計如圖4所示，電網(wǎng)頻率信號經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后，再經(jīng)LM311、TLP121、CD4093整形隔離后輸入到鎖相電路CD74HC4046，鎖相電路的輸出信號VCO經(jīng)CPLD倍頻后輸入到CPIN。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設計
為滿足較高速度同步采集及系統(tǒng)精度要求的需要，本監(jiān)測終端選用了ADI公司的6通道16位AD7656芯片，圖5為具體的A/D轉(zhuǎn)換應用電路。
(1) V1～V4是接經(jīng)互感器并調(diào)理后的四路輸出電壓信號，DB0～DB15及/RD經(jīng)隔離及電平轉(zhuǎn)換后分別接DSP的數(shù)據(jù)線D0～D15及/XRD。
（2） CONVST、/CS、BUSY、RANGE、RESET經(jīng)隔離及電平轉(zhuǎn)換后接到CPLD上。CPLD得到DSP采集開始電平信號后，使片選/CS有效，控制CONVST啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結束后BUSY通過CPLD使DSP產(chǎn)生中斷，DSP讀取并暫存數(shù)據(jù)。
2.4 其他電路
除了以上基本模塊外, 還有一些輔助電路, 如CAN總線接口電路。TMS320F2812集成了CAN控制器，擴展一片CAN收發(fā)器就構成了CAN接口電路、CPLD測量電網(wǎng)頻率部分電路、參考電源電路、高速光耦隔離電路等。它們也是系統(tǒng)中不可缺少的部分。
3 監(jiān)測終端底層軟件設計
借鑒實時操作系統(tǒng)編程思想，在嵌入式軟件設計中利用定時觸發(fā)并引入消息處理的方法。監(jiān)測終端的消息可分為：數(shù)據(jù)處理服務器命令、其他監(jiān)測終端的廣播信息、系統(tǒng)接口電路產(chǎn)生的狀態(tài)信息、定時觸發(fā)消息。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時接收。自檢故障處理消息優(yōu)先處理，在中斷中直接完成。圖6是本終端的主程序流程圖，可用來完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳送。
監(jiān)測終端數(shù)據(jù)處理軟件主要功能由DSP來完成，DSP把這些消息處理后的結果通過CAN總線打包上傳。
4 數(shù)字化介損測量技術的實現(xiàn)
測量工作流程如下：
(1) 上位機（或通信控制器）發(fā)一條廣播命令，命令所有現(xiàn)場監(jiān)測單元在接到廣播命令后立刻同時采樣；利用參考源實現(xiàn)同步。
(2) 容性設備監(jiān)測終端接到廣播命令后，對泄漏電流IX和基準源U0i同步采樣，將采樣的數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換(DFT)，分別得到兩信號的基波傅里葉系數(shù)。電壓監(jiān)測單元執(zhí)行同樣的操作計算出PT二次電壓UX和基準源U0i的基波傅里葉系數(shù)。
(3) 現(xiàn)場監(jiān)測單元測量結束后，系統(tǒng)電壓監(jiān)測單元廣播該單元的測量結果。
(4)容性設備監(jiān)測終端接收到系統(tǒng)電壓監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)后做數(shù)據(jù)處理，并將結果數(shù)據(jù)通過CAN現(xiàn)場總線發(fā)送到安裝在控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理服務器。
(5) 計算IX、U0i的相角差，UX、U0i的相角差，則如圖7所示的電容型設備的介損角δ和電容量C由下式求得：
(6) 重復步驟(1)～(5)進行N次測量，并將其結果進行平均值計算，所得的平均值即為本次一相設備測量的結果。
5 試驗應用
對本監(jiān)測終端進行電磁兼容性能測試，試驗時樣品無損壞，試驗后可正常工作，測量數(shù)據(jù)正常。同時也進行了高低溫、交變濕熱測試，結果表明，各項指標均滿足系統(tǒng)要求,該終端經(jīng)三個月的實踐試驗各項指標均達優(yōu)秀,被試設備可正常運行。表1為交變濕熱試驗結果。
本文介紹了高壓容性設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中的主要監(jiān)測終端的軟硬件設計與實現(xiàn),利用給設備供電的工作電源作為參考源，實現(xiàn)兩路遠距離信號的同步采集?；贒SP采用優(yōu)化的傅里葉變換求取各路信號相位,再求取相位差，并將采集信號就地進行數(shù)字化處理以消除干擾，解決了被測模擬信號的長距離傳輸問題。該方法最大優(yōu)點是不需要使用復雜的模擬處理電路，長期工作穩(wěn)定可靠，且有效抑制了諧波干擾。為消除電網(wǎng)頻率變化所帶來的測量誤差，利用鎖相環(huán)及CPLD分頻實現(xiàn)電網(wǎng)頻率跟蹤，使每周波采樣次數(shù)相同；利用CPLD的高速計數(shù)器測量信號頻率，同時簡化DSP與ADC的接口電路。充分利用DSP及CPLD技術，使得監(jiān)測終端真正實現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、頻譜分析、數(shù)據(jù)處理、CAN現(xiàn)場總線通信于一體，成為分布式系統(tǒng)結構的高壓容性設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的智能節(jié)點，避免了電流或電壓信號長距離傳輸帶來的衰減及外部干擾的影響，值得應用和推廣。
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