浅析电力系统中高速采样系统的软硬件技术

余英， 王健， 朱正国 ， 黄超 ， 刘海锋(.深圳供电局有限公司，广东 深圳 58000；. 广西星宇智能电气有限公司，广西 北海 536000)

浅析电力系统中高速采样系统的软硬件技术

余英1， 王健2， 朱正国1， 黄超1， 刘海锋2
(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2. 广西星宇智能电气有限公司，广西 北海 536000)

随着电子科技的不断发展以及新算法的不断提出，高速采样在电力系统中的应用越来越受到重视。分析了用FPGA控制高速AD采样转换器的高速同步采样硬件的可行性，并且分析了用Verilog HDL硬件描述语言实现高速采样系统的软件实现方法，在此基础上还分析了高速采样系统对电力系统中的高次谐波的采集的可行性，在现场运行的装置录波数据中验证了采用FPGA+AD实现高速同步采样的可行性。

高速同步采样；电力系统；高次谐波的采集; Verilog HDL硬件描述语言；绝缘损坏

0 引 言

电力系统在受到扰动后，能凭借系统自身固有的能力和其他设备的作用，恢复到原始稳态运行方式，或者达到新的稳态运行方式。保证电力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件，只有在电力系统稳定的条件下，电力系统才能向各类用户提供符合质量要求的电能。

在电力系统可能发生的故障中，对电力系统运行和电力设备危害最大，且概率最大的首推短路故障。短路故障指正常运行情况以外的相与相之间或相与地(或中性线)之间的接通[1]。

产生短路故障的主要原因是电力设备绝缘损坏。常见的有：雷击过电压或操作过电压引起绝缘子、绝缘套管表面闪络(电弧放电)；由于绝缘材料老化等原因，在过电压甚至在正常电压下发生绝缘介质击穿；风、雪、地震等自然灾害以及鼠、鸟等动物跨接裸露导体造成短路[2]。

在电力系统运行过程中所发生的故障类型按时间的长短可分为永久性故障以及瞬时性故障两种。电力系统永久性故障指的是故障长期存在并稳定于某个状态。电力系统瞬时性故障则指的是电力系统在运行过程中出现短时性不稳定运行的故障。

目前我国研发生产的电力系统微机保护或其他装置主要是针对电力系统的永久性故障。对于电力系统的瞬时性故障由于缺乏对电气模拟量的有效高速同步采集而常常采用自动重合闸的方式进行提高供电可靠性，这种方式体现了无法实现高速采样并通过算法检测出电力设备绝缘状态的无奈[3]。

我国在电力系统中对电气模拟量信号的采集，无论是大规模使用的微机保护采样系统还是数字化变电站中使用的采样系统，每个工频周期的采样率基本都小于200点/周波，也就是说在电力系统中，能被现有的采样技术采集到的有效谐波次数一般不会超过40次。而根据实际的工程实践以及采样定理的研究发现，在采样率为200点/周波的情况下，装置能够分辨的最高谐波次数不会超过20次谐波，采样点数少将无法获取瞬时性故障的有用信息[4]。

因此随着电子科技的不断发展，高速AD转换芯片、高速采样控制器也越来越多的应用到电力系统中。

针对上述情况提出了适用于电力系统高速同步采样系统的软硬件技术。该技术采用FPGA控制高速AD采样转换芯片并在FPGA内部开辟双口RAM[5]，这样保证了FPGA+AD转换整个系统的稳定性并且降低了整个系统硬件成本。目前该技术已经广泛应用于弧光检测、绝缘监察、雷击过电压检测以及小电流接地选线等领域。

1 电力系统中高速采样系统的硬件设计

1.1 互感器

目前微机保护或其他监测电力系统电气量的主要设备还是互感器，互感器主要分为电磁式电压互感器、电磁式电流互感器。由于电磁式互感器在传变电气模拟量时有磁饱和、相角误差大、能量损耗大等缺点注定不适用于瞬时性故障的电气量检测，也不适用高速信号的检测。

要实现高速信号的传变，必须使用有源器件并且避免上述传统的电磁式互感器的缺点。霍尔传感器、罗氏线圈正好可以满足要求。电流的测量可采用罗氏线圈，而电压的测量可使用霍尔传感器。

罗氏线圈(Rogowski线圈)又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料商的环形线圈。输出信号时电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，其可广泛应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，绝缘监测、雷电信号采集等场合。罗氏线圈具有以下特点：

(1) 适用电流范围大，无饱和；

(2) 具有良好的线性度；

(3) 带宽范围大；

(4) 无二次开路危险；

(5) 过流能力强；

(6) 不易受外界电磁干扰；

(7) 低功耗、重量轻、安装方便。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器具有以下优点：

(1) 霍尔传感器可以测量任意波形的电压；

(2) 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离；

(3) 线性度好；

(4) 带宽范围大；

(5) 测量范围大；

(6) 过载能力强；

1.2 AD转换芯片

在电力系统中由于被测电气量比较多，装置研发生产厂家往往从成本考虑会使用串行接口且位数较低的AD转换芯片，在使用这类AD转换芯片时需在前级增加多路转换开关。由于AD为串行数据接口，速度上不可能做到很快，再加上多路转换开关，要想实现高速采样系统是不可能的。

AD转换芯片是采用6通道同步采样16位并行数据接口芯片——AD7656。该芯片具有以下特点：

(1) 片内集成6个16位250 ksps的ADC；

(2) 6个真双极性、高阻抗模拟输入；

(3) 高速并行数据接口。

AD7656主要应用于电力线路监控和测量系统及仪表和控制系统中。AD7656的功能框图如图1所示。

图1 AD7656功能框图

1.3 高速采样系统的控制器

以往控制AD转换芯片的控制器多为CPU。CPU通过通用I/O管脚与AD芯片的控制信号相连来控制AD转换芯片。在低速采样系统中，由于采集的信息量较小，CPU能够分身对AD芯片进行控制，但当在大容量、高速的采集系统中时，CPU将会无暇来控制AD芯片了。

因此在电力系统中为了实现高速采样系统，必须采用单独的控制器来控制AD芯片，在本设计中，作者使用ALTERA公司生产的FPGA来对AD芯片进行控制，并且在FPGA内部开辟了双口RAM实现对数据的缓存作用。这样做的目的可做到降低成本的、提高可靠性。

1.4 高速采样系统硬件总构成

电力系统中的高速采样系统由上述三部分组成，整体硬件构成图如图2所示。

图2 电力系统高速采样硬件系统构成图

2 电力系统中高速采样系统的软件设计

由于高速采样系统的硬件主要是用FPGA控制的，因此高速采样系统的软件将采用目前国际上比较流行的可编程硬件描述语言Verilog HDL进行编写的。高速采样系统的软件实现主要包括：基准定时采样系统、A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。

基准定时采样系统是实现对电力系统电气信号同步采样的系统基准，当FPGA检测到基准定时采样系统信号到来时，FPGA才启动A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。基准定时采样系统可有另一控制器产生或GPS时间信号。

AD转换控制系统，FPGA的I/O管脚连接到A/D转换芯片的转换、读数据等信号线上，当检测到基准定时采样系统后将控制A/D芯片的所有通道进行同步高速采样。

双口RAM控制系统，在FPGA内部开辟两片双口RAM区，这两片双口RAM之间将采用乒乓切换的方式进行存储数据。FPGA的I/O管脚与其内部的双口RAM的一端地址总线、控制总线、数据总线相连，实现FPGA控制双口RAM将A/D转换芯片传输过来的数据按一定的地址空间存放，当一个双口RAM存满数据后，FPGA将会把AD传输过来的数据存放到另一片双口RAM中，这样可保证大容量数据的缓存[6]。

FPGA控制双口RAM在一定的地址空间内存放数据完成后，FPGA将会产生一个中断信号，该中断信号与CPU的外部中断源相连接，当CPU检测到该中断信号有效后，CPU将释放数据总线、地址总线、控制总线来读取双口RAM中缓存的数据。当CPU读取双口RAM的第一个地址中的数据时，FPGA将会收回中断信号，使该片双口RAM准备好进行下一次的数据缓存。高速采样系统的软件控制框图如图3所示。

图3 高速采样系统的软件控制框图

软件代码省略。

3 仿真分析及实例分析

当电力系统中的两相信号线处于亚击穿状态时所产生的信号最高频率在10 kHz，根据采样定理及实际工程实践，要想采集到10 kHz的信号，A/D的采样频率必须要达到70 kHz，因此按照工频周期计算采样频率的话则为1 400点每周波。在FPGA中设置采样时间间隔为1 ms，采用A/D转换芯片为16位AD，则1 ms的时间间隔将得到的采样数据为nx70x16bit=3 360 bit(式中“n”代表的是n路模拟信号输入通道数)，在电力系统中n一般不会超过16，因此在电力系统中1 ms的采样时间间隔所得到的采样数据位数为：16x70x16 bit=17 920 bit[7]。

FPGA采样控制的设置：A/D转换时间为最长为70 μs，可设置为35 μs为转换时间，35 μs数据读取时间。AD7656的时序控制图如图4所示。

图4 AD7656的并行接口时序图

AD7656的时序时间表1所示。

由图4及表1可以看出，采用AD7656转换芯片足以满足采样70 kHz的模拟量信号。

根据FPGA控制AD7656的引脚框图可编写软件程序，并进行仿真测试，测试结果图5所示。

表1 AD7656时序参数

图5 AD7656控制程序的仿真波形

通过仿真波形以及AD7656的时序波形可以看出，AD7656的控制程序能够实现对AD7656的有效控制。

实际采样输出的波形如图6所示。

图6 实际工程中所采集到的高速波形

4 结束语

大量的试验结果及现场运行表明，在电力系统中采用高速采样软硬件系统将能检测到以前没有注意到的信号，并对电力系统的稳定运行提供安全保障。

本文是在硬件及软件实现的基础上完成的，分析了电力系统中高速采样的重要性以及可行性。经过分析可得出以下结论：

(1) 高速采样系统能够使CPU或控制系统更好的得到电力系统故障瞬间所发生的一些暂态信息，从而使得电力系统能更好的安全、稳定的运行。

(2) 同步高速采样系统能够准确的反映电力系统整体电气量的变化，从而能使值班人员或专业人员比较好的分析电力系统的运行信息，提早找出电力系统的薄弱环节。

(3) 高速采样系统在电力系统中的应用将会对电力系统的故障类型分析提供准确的支撑。

鉴于以上优点，我们强烈建议在电力系统中采用高速同步采样系统。

[1] 陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:水利电力出版社，1985.

[2] 陈丽，王贵兰，马军强.新型单相接地故障选线装置的功能要求 [J].河北电力技术，2011，5(1):95-98.

[3] 要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京:中国电力出版社，2009.

[4] 邵明，黄彦全，韩花荣，等.基于Prony算法的小电流接地系统单相接地故障选线研究 [J]. 继电器，2005，33(24)：6-9.

[5] 王诚，吴继华，范丽珍，等.Altera FPGA/CPLD设计基础篇，高级篇[M].北京：人民邮电出板社，2005.

[6] 陈伟，游彬.AD9233在高速采样系统中的设计[J].电子世界，2012，8(16)：114-115.

[7] 曾大冶，张伟达，刘泉华.超高速采样系统的FPGA设计[J].测控技术，2009，4(116)：116-119.

A Brief Analysis of Software and Hardware Technology in the High-speed Sampling System of the Electric Power System

YU Ying1, WANG Jian2, ZHU Zheng-guo1, HUANG Chao1, LIU Hai-feng2
(1.Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China;2. Guangxi Xingyu Smart Electric Co., Ltd., Beihai Guangxi 536000, China)

With continuous development of electronic technology and presentation of new algorithms, application of high-speed sampling systems in the electric power system is attracting more and more attention. This paper analyzes the feasibility of a high-speed synchronous sampling hardware using FPGA to control high-speed AD sampling converter, and presents a method for implementing a high-speed sampling system by using Verilog HDL. Furthermore, it analyzes the feasibility of acquisition of higher harmonics in the power system by the high-speed sampling system, and verifies the feasibility of high-speed synchronous sampling in the FPGA+AD method by using the recording data of the device operating in the field.

high-speed synchronous sampling;electric power system;acquisition of higher harmonics;Verilog HDL hardware description language; destruction of insulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.021

TM76

A

1000-3886(2015)05-0066-04

余英(1984-)，女，湖北孝感人，工程师，主要从事配电网的技术监督工作。 王健(1980-)，男，山东济南人，工程师，主要从事电力系统继电保护的研究与装置研发。 朱正国(1977-)，男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事主配网设备技术监督及高压试验科研工作。 黄超(1988-)，男，陕西西安人，助理工程师，主要从事主配网设备技术监督工作。 刘海锋(1976-)，男，广西贵港人，硕士生，专业：主要从事电力系统继电保护的研究与装置研发。

定稿日期: 2014-10-27