基于DSP 的调容式消弧线圈控制器设计

刘晓阳，杨春麟，王伦月

（1.重庆市轨道交通集团有限公司网络运管中心，重庆 400042;2.重庆市电力公司璧山供电局，重庆璧山 402760）

0 引言

在我国，6～35kV电力系统称为配电网，一般直接面向用户进行供电，所以保障配电网的正常安全运行非常重要。选择中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地装置问题有密切的关系［1］。中性点经消弧线圈接地方式由于能够对电网发生单相接地故障时的电容电流进行补偿，可以保证供电的连续性、把故障造成的危害减少到最低，所以在实际中得到广泛的应用。

本文基于晶闸管投切电容［2］(thyristor series capacitors简称TSC)补偿概念，提出了TSC式消弧线圈及其接地装置，其调谐速度快，调节范围宽，且能实现线性调节，可靠性高，无谐波污染问题，提高了电网运行的安全性和供电质量。DSP作为该装置的处理核心，主要完成多路信号的FFT运算、晶闸管触发控制以及CAN通信等。下面就该装置的不同部分进行介绍。

1 TMS320LF2407A简介

TMS320LF2407A是德州仪器公司(TI)推出的16位定点DSP。它采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;内有高达32K×16位的Flash程序存储器，高达2.5K×16位的数据/程序 RAM，544×16位双端口 RAM(DARAM)，2K×16位的单口RAM(SARAM);2个事件管理模块EVA和EAB，事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器;可扩展的外部存储器总共192K×16位，其中程序存储器空间、数据存储器空间、I/O寻址空间各为64K×16位;内有看门狗定时器(WDT)、10位ADC转换器、控制器区域网模块CAN2.0 B、串行通信接口模块(SCI)、16位串行外部设备接口模块(SPI)、基于锁相环的时钟发生器;5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断);3种低功耗电源管理模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。

此外，该芯片有多达41个可单独编程或复用的通用I/O脚(GPIO)，用户可根据自己的需求进行软件设置，使之在应用中具有极大的灵活性。总的来说，TMS320LF2407A具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式。

2 消弧线圈硬件部分设计

该装置是以DSP为核心处理器、多CPU共同协作的控制器，根据CPU可以将该控制器划分为三部分:一是以DSP为处理器的数据处理部分，包括A/D采样、开关量输入、CAN通信等，这个部分也是控制器的主要部分。通过对三相母线电压、中性点电压、中性点电流以及各出线的零序电流的A/D采样，将模拟量转化成数字量提供给DSP进行处理，而且通过硬件电路来实现频率跟踪，CAN总线实现遥信。二是以51系列单片机为核心的人机接口部分，主要包括232和485接口、USB接口、嵌入式以太网接口、日历时钟、键盘和显示接口以及开关量输出等。RS232和RS485实现遥信，USB用于连接外部USB设备实现故障信息的输出，通过以太网构成网络，通过键盘进行控制操作，液晶显示器用于显示波形和系统的一系列信息。三是以AD公司生产的带8位可编程MCU的数据采集系统芯片ADuC831，其主要完成利用注入信号法来测量系统的电容电流。系统结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理图

3 电容电流测量

目前常用的配电网电容电流测量方法中，以单相金属接地法为代表的直接测量电容方法的测量精度高，但操作复杂繁琐，在实际中应用较少;而目前在实际中应用较多的位移电压曲线法、三点法和阻抗三角法等，都是利用电网的不平衡进行电容电流测量。针对于目前电缆线路的不断增多，电网不平衡度降低，通过改变电网的平衡，利用注入信号法测量电容电流［3］技术越来越受到重视。信号注入法的原理是从微机测控器不断向电网发送出异频信号，同时接收来自电网的反馈信号，根据相应等值电路及算法，即可计算得到电网的对地电容电流值。

注入信号原理尤其适用于电网不对称度小的系统。它具有在线检测电网电容电流值，不对消弧线圈进行调节，不受电网中性点信号影响，测试方便，精确度高，稳定性好，适应性广和抗干扰能力强等一系列优点。注入信号又包括分频注入法和扫频注入法，分频注入法是利用电路的伏安特性，通过方程求解得到电容大小，其优点是装置的设计相对较为简单，测量速度快，但是受系统影响较大，测量准确性不高;而扫频注入法是利用了电路的频率特性，不受系统运行变化的影响，测量准确性高，缺点是扫频时间较长，对于随调式的自动调谐系统，跟踪补偿的时间相对较长。

在这里采用扫频注入信号法［4］进行测量电路的设计。该电路主要由扫频信号电源、隔离滤波电路以及50Hz工频陷波电路组成。扫频信号电源的主要作用是提供一个频率连续变化的注入信号。由于电网中存在各种谐波和工频干扰，必须对输入信号进行高、低通滤波和50Hz工频陷波处理。其中该电路中的CPU采用AD公司的ADuC831。ADuC831是一个完全综合的247k采样保持数据采集系统，在同一片中结合了高性能的自校准12位ADC 8路通道，双12位DAC通道和可编程8位MCU。还提供片内4kB非易失性闪速/电擦除数据存储器、256bRAM和2kB扩展RAM。ADuC831支持C语言编程，程序设计简便且具有I2C、SPI串行I/O口，方便与DSP进行通信。其结构框图如图2所示。

图2 电容电流测量原理图

图3为扫频等效电路图。图中，U'N为电网中性点位移电压UN感应至PT二次侧的电压，L'、C'、G'分别为L、C、G折算到PT二次侧的值，其中L为消弧线圈的电感，C=CA+CB+CC，G为电网泄漏电导。

从图3中可以看出，U'N与U并存于等效电路中，故PT二次侧上的电压和采样电阻R1上的电压实际上是U'N与U共同作用的结果。以中性点位移电压U'N为电网相电压的15%来计算，U'N为15V。相比之下，扫频电源施加在PT二次侧上的电压很小，因为谐振频率的判别是测量到采样电阻上的最大电压为依据的，这样噪声信号必然会对谐振频率f0的准确测量带来不利的影响。

图3 扫频等效电路图

为了去除U'N对f0测量工作的干扰，本文中采用美国Burr-Bromn公司生产的UAF42通用有源滤波器设计了陷波电路。该陷波网络专用于滤除50Hz的单一频率，其具体电路如图4所示。

图4 陷波电路

该电路陷波的频率fnotch可通过下式设定:

4 控制器软件设计

控制器软件主要包括A/D采样控制、晶闸管触发控制、键盘和显示器的控制以及数据通信控制等［5］。通过对中性点电压 A/D采样的数据进行FFT运算后与整定值进行比较，判断是否发生单相接地故障。如果发生单项接地故障，则先从电容电流测量电路获得系统的电容电流，再通过计算得到晶闸管的触发脉冲来控制晶闸管的通断，从而对电网的电容电流进行补偿。晶闸管的控制在零电压时投入电容器，零电流时切除电容器，这样就可以避免投切时的过电压和合闸涌流问题，同时也大大减小了系统的功耗，而且也不存在谐波干扰问题。然后启动选线程序选出接地线路，当接地故障消失之后，调节消弧线圈到最大补偿状态，从而抑制中性点位移电压。控制器软件基本结构框图如图5所示。

图5 软件结构框图

5 结论

本文设计了一种以DSP为核心处理器的调容式消弧线圈控制器，并引入注入信号法来测量系统电容电流，避免了对消弧线圈的频繁调节。而且由于DSP的高速计算能力，提高了控制器的运算速度和实时处理能力。

［1］ 要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地［M］.北京:中国电力出版社，2000.

［2］ 项维奇.论中性点经自动跟踪消弧线圈接地系统技术［J］.供用电，2006，(2):25-26.

［3］ 王志金，贾素梅，贾国良.电网电容电流的外加信号测量法［J］.电力技术，2002，(9):31-32.

［4］ 李玲玲，郭卉，蒋栋，等.基于扫频法的谐振接地配电网运行状态监测［J］.仪器仪表学报，2002，(3):238-241.

［5］ 刘和平，高苏州，李纯，等.基于DSP的新型消弧线圈接地系统控制器［J］.电力自动化设备，2004，(6):75-77.