继电保护中多路模拟量采集系统的设计

丁小波

(兰州交通大学 电信学院,甘肃 兰州 730070)

继电保护中多路模拟量采集系统的设计

丁小波

(兰州交通大学 电信学院,甘肃 兰州 730070)

介绍了一种基于高性能浮点DSP芯片TMS320C32、CPLD芯片XC95288和A/D采样芯片AD976组成的多路采集系统的工作原理以及设计方法。通过对第一路施加特殊的电压量,在CCS开发环境下读取采样缓冲区的值,并利用Matlab对采样数据进行了全波傅氏变换。此外,该系统已在继电保护中得到广泛应用,实践表明,该系统能较好地解决多路模拟量的采集,并确保了采样数据的安全可靠性。

多路模拟量采集;TMS320C32;CPLD;全波傅氏变换

随着电力系统的快速发展,微机保护装置对电力设备的安全起着至关重要的作用。保护装置通过采集到的多路模拟量,经A/D转换为数字量后,保存在采样缓冲区,通过对每路的采样数据进行频谱分析,计算出线路上的电流电压向量,根据保护判据做出诸如跳闸、合闸、发信、告警等一系列保护动作。多路模拟量采集系统的设计是保护装置的重要一环,设计重点是各路采样数据的精确性。

1 系统设计

1.1 16路模拟量采集的设计

由于系统使用的模数转换器件为单通道的AD976,而需采集的模拟通道为16路。因此,16路模拟量需经过多路开关MAX336来进行通道切换,从而使AD976可分别对每一路的模拟量进行采样,图1为各路模拟量的采集电路。

在16路模拟量进入A/D之前,模拟量信号并不是单一频率的信号,有可能夹杂着高次谐波,根据装置需求,要滤除12次以上的谐波,在图1中的前级低通滤波电路能滤除1 200 Hz以上的高次谐波。AD976的电压输入范围为±10 V,因此在低通滤波电路的输出端并联两个型号为UDZ-10V的稳压管(WY1,WY2),起到了保护后续采样电路的作用。16路的模拟量分别接入MAX336芯片的16个输入通道(NO1～NO16),具体AD976采样哪路模拟量,将由通道选择管脚A0～A3决定,当管脚A0～A3上的信号为“0000”时,选通通道1,以此类推,当管脚A0～A3上的信号为“1111”时,选通通道16。通道选择信号以及片选信号由CPLD根据AD976的状态发出,当在某通道选通后,模拟量通过MAX336的COM管脚输出,输出的模拟量经一个电压跟随器,最后才输出到AD976模拟量的输入端。这里面电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高,而输出阻抗低,同时也起到了信号隔离作用,能使信号几乎全部进入A/D芯片,保证了信号质量,缩小了模数转换误差。

图1 16路模拟量的采集电路

1.2 TMS320C32与AD976的模数接口电路

模数接口电路是采集系统中的一个重要组成部分,设计的模数转换芯片采用AD976,该芯片是ADI公司的一款16位、低功耗、高速CMOS转换器,采用5 V供电,模拟信号电压范围为±10 V,最高采样频率为100 kHz,最高转换时间8 μs。系统要求在一个50 Hz的周波内实现24点采样,即采样间隔为833.3 μs,在833.3 μs内,要完成16路的同时采样,因此8 μs的转换时间完全满足要求。该芯片可根据BYTE管脚电平的高低分为字/字节工作模式两种,以方便与各种DSP芯片接口。TMS320C32与AD976的模数接口电路如图2所示。

图2 模数接口电路

在图2中,信号VOUT即为输入到AD976的模拟信号,其由多路开关MAX336从16路模拟通道切换到其中某一路模拟信号。设计中A/D采用16位字模式,系统一上电A/D芯片自动选通,因此BYTE管脚与片选CS管脚直接接地。管脚R/C接收来自外部的模数转换信号,当接收到信号的下降沿时,AD976采样模拟信号并开始模数转换,接收到的低电平最少要持续50 ns。一旦A/D该是开始采样并进行转换,管脚BUSY便发出低电平信号表明转换开始,表明A/D芯片处于忙状态,低电平最多持续8 μs,当A/D转换结束后,管脚BUSY迅速变为高电平。设计用了2片8位的74 HC574芯片组成了一个16位的锁存器,通过BUSY信号的上升沿来完成16位数据的锁存。

TMS320C32内部有两个32位的定时器TIMER0和TIMER1,在本设计中,A/D的模数转换信号是由其内部的TIMER0管脚TCLK0发出的AD_start信号同步的。定时器TIMER0内部有3个控制寄存器,分别为:全局控制寄存器Timer0_GCR、32周期控制寄存器Timer0_Period和32位计数器Timer0_Counter,如图3所示。全局控制寄存器可对定时器全局进行控制,在本设计中通过对该寄存器设置,设定为计时脉冲选用内部的,计时脉冲的频率为2/H1(10 MHz),管脚TCLK0输出的为脉冲模式。计数脉冲使计数器的值逐次加1,当计数器值等于周期寄存器内部的设定值时,TMS320C32通过管脚TCLK0发出所需的模数转换同步开始信号。

图3 TMS320C32内部定时器

图4 A/D转换逻辑

2 系统测试

利用北京博电测试仪对第一路加上电压量,其中基波50 Hz、相位、幅值50 V;3次谐波150 Hz、相位、幅值10 V;6次谐波300 Hz、相位、幅值10 V;12次谐波600 Hz、相位、幅值10 V。在CCS开发环境下用仿真器读取第一路采样缓冲区的地址,图5为缓冲区采样值。

图5 第一路的采样缓冲区

对缓冲区的值进行全波傅氏变化,Matlab仿真结果如图6所示。

图6 采样数据的Matlab仿真

仿真结果表明了根据缓冲区的采样值能较好地计算出模拟量中的基波与谐波分量,但12次谐波幅值发生了频率混叠,结果并不正确,根据采样定律可知,若要得到更高的谐波分量,必须提高采样频率。

3 结束语

文中给出了多路模拟量采集系统的工作原理以及设计方法,系统用一片CPLD芯片代替了多个传统逻辑芯片的组合,通过内部编程,生成了16路采样脉冲,这样就利用单通道的AD976实现了多通道的模拟量采集。通过系统测试,并对采样缓冲区的数据进行了全波傅氏变换,能真实地反应出模拟量的基波与谐波分量。测试证明,系统满足保护装置对模拟量采集的要求。

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Design of a Multi-channel Analog Collection System in Relay Protection

DING Xiaobo

(School of Telecommunications,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

This article describes an operating principle and design method to achieve a multi-channel collection system based on high-performance floating-point DSP chip TMS320C32,CPLD chip XC95288 and A/D sampling chip AD976.By applying a special voltage to the first channel,the value of the sample buffer in the CCS development environment is read.The sampling data is transformed in full-wave Fourier using the Matlab.This system has been widely used in relay protection.Practice shows that this system can achieve the collection of multi-channel analog and ensure the security and reliability of sampling data.

multi-channel analog collection;TMS320C32;CPLD;full-wave Fourier transformation

2014- 09- 16

丁小波(1987—),男,硕士研究生。研究方向:电路与系统。E-mail:893123320@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.038

TM77

A

1007-7820(2015)04-142-04