于 海，張 超

（1.新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校自動(dòng)控制系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

電力系統(tǒng)交流電量采集是指把電力系統(tǒng)的交流電壓及電流等經(jīng)過(guò)變換、濾波、S/H及A/D轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)該交流電量的離散化數(shù)據(jù)序列，并存放到存儲(chǔ)器中的過(guò)程。交流電量的同步采集是指在電力系統(tǒng)的不同采樣點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始采樣，使不同采樣點(diǎn)的采樣結(jié)果在時(shí)間上具有同步性，這對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、故障判斷和系統(tǒng)穩(wěn)定的分析與控制等都具有重要意義［1］。

2 基于絕對(duì)時(shí)間的交流電量同步采集

利用GPS的同步授時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)交流電量采集的同步性，已成為近年來(lái)電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。同步采集的主要方法就是固定頻率采樣，即所有采樣通道都使用同一個(gè)固定的頻率對(duì)信號(hào)采樣，并利用GPS設(shè)備來(lái)保證所有的采樣過(guò)程都在同一個(gè)時(shí)刻開(kāi)始。統(tǒng)一的工作頻率由高穩(wěn)定晶振構(gòu)成的震蕩電路產(chǎn)生，由GPS發(fā)出的同步秒脈沖傳送給DSP芯片來(lái)啟動(dòng)采樣過(guò)程，以此來(lái)保證各個(gè)采樣點(diǎn)的采樣過(guò)程的同步性和同頻性。而且，使用GPS的同步授時(shí)的秒脈沖來(lái)確保采樣點(diǎn)之間的同步性，不存在終端系統(tǒng)的累積誤差問(wèn)題。

本方案的關(guān)鍵技術(shù)就在于利用GPS的同步授時(shí)功能，啟動(dòng)不同地點(diǎn)的采樣系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)工作，并在預(yù)先設(shè)定的頻率狀態(tài)下，采集交流電的電量特征值，保證了數(shù)據(jù)的同步性，對(duì)電力系統(tǒng)分析提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。

圖1 秒脈沖和采樣波形時(shí)序

3 硬件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

交流電量同步采集器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。同步采集器主要由輸入通道、輸出通道、控制器和同步模塊構(gòu)成。輸入通道包括變換器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器，三相電壓和電流模擬量經(jīng)過(guò)采集、調(diào)理、放大、濾波，又經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入DSP處理器;GPS接收板和CPLD邏輯控制模塊構(gòu)成的同步模塊將秒脈沖送入DSP，作為采樣起始點(diǎn)，并同步啟動(dòng)鐵電存儲(chǔ)器，清空上周期采樣值，存儲(chǔ)本采樣周期所獲得的采樣值，以備DSP的調(diào)用和運(yùn)算;最后，輸出通道由雙口RAM存儲(chǔ)器構(gòu)成，DSP的計(jì)算結(jié)果在雙口RAM中進(jìn)行緩存，然后由工控機(jī)讀取這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理［2］。

ADS7864是高速、低功率、雙12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以+5V單電源供電。輸入通道全差分，典型共模抑制比為80dB。該器件含有兩個(gè)2μs的逐次求近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，6個(gè)差分采樣與保持放大器、一個(gè)帶REFIN與REFOUT腳的+2.5V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)以及一個(gè)高速并行接口。6個(gè)模擬輸入通道分成3對(duì)(A、B、C)。每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器都有三對(duì)輸入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1)，可以同時(shí)采樣、轉(zhuǎn)換，因此可以保持兩個(gè)模擬輸入信號(hào)的相對(duì)相位信息。每對(duì)通道都有一個(gè)保持信號(hào)(HOLDA/HOLDB/HOLDC)，這3個(gè)保持信號(hào)同時(shí)有效就可以同時(shí)保持6路輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別存放在6個(gè)寄存器中。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步采集器的軟件主要由以下幾個(gè)功能模塊組成:DSP控制器芯片TMS320LF2812的主程序、DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的采樣程序模塊、DSP采集GPS通信模塊的秒脈沖的同步程序模塊、DSP對(duì)雙口RAM讀寫數(shù)據(jù)模塊和采樣值的運(yùn)算處理模塊。

4.1 主程序流程

主程序流程圖如圖3所示。主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，這包括存儲(chǔ)器初始化、A/D初始化、GPS通信模塊初始化等;初始化完成，等待GPS定位，提取GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，等待鍵掃描;然后根據(jù)鍵掃描情況，執(zhí)行相應(yīng)的鍵處理程序［3］。

圖3 主程序流程圖

4.2 A/D采樣程序設(shè)計(jì)

DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的采樣程序模塊主要完成啟動(dòng)并控制A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程、等待轉(zhuǎn)換完成，并由DSP讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果。在A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始一次新的轉(zhuǎn)換時(shí)，BUSY腳變?yōu)榈碗娖?，并且在轉(zhuǎn)換進(jìn)行期間一直保持低電平，在數(shù)據(jù)被鎖存到輸出寄存器之后，BUSY腳變?yōu)楦唠娖?。完成一?A/D轉(zhuǎn)換需要16個(gè)時(shí)鐘周期。轉(zhuǎn)換完成之后，若RD、CS控制端都被拉低，則可以將數(shù)據(jù)讀出。DSP按照預(yù)先設(shè)定好的地址和順序讀取6路數(shù)據(jù)，然后采集的數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò)并行總線接口傳輸?shù)诫pRAM里，以便工控機(jī)從中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理［4］。

4.3 DSP讀寫數(shù)據(jù)模塊

該模塊把DSP的處理結(jié)果寫到雙口RAM里，通過(guò) FLAG的方向來(lái)控制工控機(jī)讀取數(shù)據(jù)［5］。

圖4 雙口RAM讀寫流程

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案巧妙利用了GPS同步授時(shí)功能，很大程度上提高了系統(tǒng)的同步采樣的準(zhǔn)確性，并利用DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布處理和集中管理，形成了一個(gè)高性能、智能化的通用嵌入式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，在工礦等大型直流用電設(shè)備集中或三相不平衡的大范圍低壓區(qū)域用電監(jiān)控中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］易先軍.基于DSP的多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.

［2］肖金球，瑪翼，仲嘉霖.高速多路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2004，(6).

［3］張瀚，徐科軍，陳智淵.TMS320X281xDSP 原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］傅曉程，祁才君.ADS7864 及其應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2002，(2):23 －25.