馬玉榮

（新疆天富熱電股份公司，新疆 石河子832000）

0 引言

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)是一項(xiàng)頻繁且重要的日常操作，目前，大多數(shù)電廠都是依靠自動同期裝置來進(jìn)行并網(wǎng)。自動準(zhǔn)同期裝置的核心功能就是通過自動、準(zhǔn)確、迅速的計(jì)算并判斷合閘時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速、可靠并網(wǎng)合閘。按照功能要求，準(zhǔn)同期裝置要能接收同步點(diǎn)兩側(cè)電壓互感器二次側(cè)的交流電壓并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得兩側(cè)電壓的幅值、頻率及相角信息，CPU接收信息進(jìn)行合閘時(shí)機(jī)的判斷，最后發(fā)出調(diào)壓、調(diào)頻脈沖以及合閘脈沖。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在整個(gè)裝置中具有極其重要的地位。

1 芯片選擇

由于準(zhǔn)同期裝置對于實(shí)時(shí)性的要求較高，而且為了避免在進(jìn)行FFT運(yùn)算時(shí)出現(xiàn)溢出的問題，決定選用浮點(diǎn)型DSP芯片來設(shè)計(jì)準(zhǔn)同期裝置，其具有精度高、可靠性高、接線簡單等特點(diǎn)。自動準(zhǔn)同期裝置選擇ADSP－21992芯片作為CPU，配以高精度交流變換器，采用準(zhǔn)確快速的跟頻交流采樣技術(shù)和DSP內(nèi)部快速FFT算法，能夠準(zhǔn)確測量開關(guān)兩側(cè)電壓、頻率及相角差；開入、開出及繼電器控制信號全部光電隔離。硬件平臺的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，具有良好的抗干擾性能。

2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

本裝置的數(shù)據(jù)采集電路分為模擬量采集電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、頻率測量電路、相角差測量電路和開關(guān)量采集電路等部分。

2.1 模擬量采集電路

模擬量采集電路在設(shè)計(jì)中的作用是將來自系統(tǒng)的模擬量信號包括電壓和電流進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)為－5～＋5 V之間的低電壓信號，經(jīng)過ADSP－21992自身的模擬量ADC模塊進(jìn)行采樣處理。本文的裝置采用的是松下公司生產(chǎn)的毫安級精密電壓互感器，其體積小、精度高，溫度特性非常好。由于此同期裝置除了要完成同期功能外還要完成測量功能，因此需要采集4路電壓量和4路電流量。本裝置設(shè)計(jì)的模擬量采集電路如圖1所示。

圖1 模擬量采集電路圖

2.2 芯片A／D轉(zhuǎn)換及輸入配置

ADSP－21992集成了1個(gè)快速精確的多通道A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換器采用了6級流水線FLASH結(jié)構(gòu)，包含2個(gè)輸入采樣保持放大器，支持2路輸入信號的同時(shí)采樣。

A／D轉(zhuǎn)換器的輸入結(jié)構(gòu)支持8個(gè)獨(dú)立的模擬量輸入，其中每4個(gè)被編為1組，即VIN0～－VIN3和VIN4～VIN7，分別在2個(gè)采樣保持放大器SHA中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ASHAN和BSHAN引腳分別連接到2個(gè)采樣保持放大器的反相輸入端，用于實(shí)現(xiàn)外部控制A／D轉(zhuǎn)換范圍的偏移。A／D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有5個(gè)用于提供電壓參考的專用引腳CAPT、CAPB、VREF、SENSE、CML以及1個(gè)啟動轉(zhuǎn)換引腳CONVST（數(shù)字輸入觸發(fā)），還有4個(gè)專用供電電源引腳：2個(gè)AVDD（模擬VDD）和2個(gè)AVSS（模擬地）。內(nèi)部的多路開關(guān)用于將指定的模擬量輸入連接到A／D轉(zhuǎn)換器。

2.3 頻率測量電路

圖2為頻率測量電路。測頻電路原理為，檢測出電壓互感器的二次側(cè)電壓的過零點(diǎn)，利用CPU的定時(shí)器記錄相鄰2個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間，即所測量的電壓周期，經(jīng)過換算得到電壓頻率大小。并列點(diǎn)兩側(cè)的電壓為頻率接近工頻的正弦交變電壓，其頻率測量常用的方法是將正弦交變電壓轉(zhuǎn)換為同頻率的方波，然后通過測量方波的寬度而得到其頻率。硬件方面可以通過電壓比較器構(gòu)成的過零檢測電路實(shí)現(xiàn)。

圖2 頻率測量電路

2.4 相角差測量電路

相角差測量電路的思路是，將系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)過電壓變送器變?yōu)榉禐椋? V的正弦電壓信號送入電壓模擬量采集電路，從電壓模擬量采集電路得到VIN3 VOLT和VIN1 VOLT，再通過過零比較電路得到方波電壓V3與V1，2個(gè)方波經(jīng)過異或電路SN74LV00 A得到一系列寬度變化的方波，把該方波信號與CPU的計(jì)數(shù)器相連，通過計(jì)數(shù)器來測量方波的高電平時(shí)間，測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為角度即所測相位差，然后輸入CPU。相角差測量及與ADSP連接電路如圖3所示。

圖3 相角差測量及與ADSP連接電路

2.5 開關(guān)量采集電路

開關(guān)量（遙信）信號反映站內(nèi)設(shè)備的工況、保護(hù)的動作情況等，是發(fā)電廠、變電站自動化系統(tǒng)中非常重要的信號。開關(guān)量采集電路如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中有YX0～YX7共8路外部遙信（220 V），其中，YX5為開關(guān)合位開入，YX6為遠(yuǎn)方／就地開入，YX7為就地操作開入，其他可以另作它用（備用）。

圖4 開關(guān)量采集電路

3 數(shù)據(jù)采集的調(diào)試

首先對DSP進(jìn)行初始化，為進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析做好準(zhǔn)備，其后調(diào)試A／D采樣與數(shù)據(jù)分析部分程序。

本設(shè)計(jì)中A／D采樣頻率設(shè)定為25.6 k B，一個(gè)周期應(yīng)該采樣25 600÷50＝512點(diǎn)。本裝置主要采用FFT算法，為充分發(fā)揮DSP的性能，特地在DARA M中開辟了相應(yīng)的空間，如按要求在0x1400后的1 024點(diǎn)空間進(jìn)行位反與FFT運(yùn)算，而在0x1800后開辟6個(gè)1 024點(diǎn)空間存儲采樣數(shù)據(jù)，這樣既保證了算法的正確性和快速性，同時(shí)也最大限度地利用了DSP內(nèi)部的存儲空間。圖5為采用FFT運(yùn)算的幅度譜圖。

圖5 A／D輸入通道0的采樣信號幅度譜

通過測試與分析，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路能夠達(dá)到裝置的要求。

4 結(jié)語

本文主要介紹了基于ADSP－21992的自動準(zhǔn)同期裝置的數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過測試其達(dá)到準(zhǔn)同期裝置的要求，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。

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［3］李繼晟，鄭蔚，葉艷軍.一種新型的綜合測控裝置中同期功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.繼電器，2005（5）

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