鄭艷

摘要：介紹一種新的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置A/D采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在硬件設(shè)計(jì)方面主控芯片選用英飛凌單片機(jī)C167，A/D芯片選擇了4通道同步采樣芯片AD7865AS，濾波電路使用二階MFB有源低通濾波電路，不僅提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度、速度，并且降低產(chǎn)品成本等特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)方面提出一種新的數(shù)據(jù)算法，即快速傅里葉變換的算法，該算法提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及減少了計(jì)算量。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)；模擬量；模數(shù)轉(zhuǎn)換；快速傅里葉變換

1 引言

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置一般由微機(jī)主控單元、模擬量采集系統(tǒng)、開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，人機(jī)對話，外部通訊等6部分組成，而模擬量采集系統(tǒng)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置重要部分之一，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置模擬量輸入信號包括二次回路系統(tǒng)的電壓量、電流量、頻率等，模擬量采集系統(tǒng)最終計(jì)算出線路上的電流電壓量等，根據(jù)保護(hù)判據(jù)做出例如跳閘、合閘、發(fā)信號、告警等一系列保護(hù)動(dòng)作。模擬量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保護(hù)裝置的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是采樣數(shù)據(jù)的精確性。為此，本文以模擬量輸入信號電壓信號為例介紹電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置模擬量采集系統(tǒng)的硬件部分基本電路設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

模擬量采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)功能框圖如下：

2.1 模擬電壓信號輸入及變換

從現(xiàn)場PT來的電壓信號額定電壓大約是57V，而A/D芯片能接收的電壓不高于IOV。所以需要電壓互感器將電壓變換成不高于IOV的電壓，并且電壓互感器也起到接收到的外部信號與保護(hù)裝置內(nèi)部信號隔離的作用。互感器的輸出端放了一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器TVS，保TVS能吸收瞬時(shí)大脈沖，把電路電壓箝位到預(yù)定水平，從而保護(hù)互感器的后部分電路。

2.2 低通濾波電路

低通濾波電路起到抑制高頻干擾信號的輸入，以便采樣時(shí)滿足采樣定理的要求。本文采用的電路圖如圖2，為二階MFB有源低通濾波電路，采用集成運(yùn)放構(gòu)成的RC有源濾波器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定增益，截止頻率可調(diào)等特點(diǎn)。

2.3 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器

以往設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇單通道串行數(shù)據(jù)采集的A/D，成本高速度慢。為了改善以上缺點(diǎn)，該電路選用了AD7865AS芯片，AD7865AS芯片是美國Analog Device公司生產(chǎn)的一種高速，低功耗，四通道同步采樣的14位AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

由74LS245芯片構(gòu)成的電路起到數(shù)據(jù)及地址總線驅(qū)動(dòng)作用，并起到主控CPU電路隔離干擾的作用。

2.5 主控CPU

本例使用主控CPU芯片Cl67CS是英飛凌C166家族全功能單片CMOS微控制器的高性能高端產(chǎn)品，允許使用高級語言對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，擁有高達(dá)l6MB的尋址空間，IIKB的內(nèi)部RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和l28KB的內(nèi)部ROM（只讀存儲(chǔ)器），并且能夠?qū)κ褂猛獠靠偩€的各類資源進(jìn)行更系統(tǒng)的管理。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D采樣過程

軟件設(shè)計(jì)主要是對AD7865控制芯片C167進(jìn)行編程，主要包括兩方面，一是采樣頻率的同步，二是對采樣數(shù)據(jù)的讀取。A/D采樣時(shí)序圖如圖4所示。主控CPU給一個(gè)負(fù)脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，在的上升沿，各路模擬信號被同時(shí)采樣。脈沖寬度為AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)BUSY輸出為高電平，標(biāo)志著轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，不能進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換，當(dāng)它的輸出出現(xiàn)下降沿時(shí)表明各通道轉(zhuǎn)換結(jié)束。在各個(gè)通道全部轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，通過控制和變低將轉(zhuǎn)換結(jié)果依次讀出。

3.2 快速傅里葉變換的算法在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集后需要得到電壓的有效值，我們拋棄以往采用均方根的算法，而選擇快速傅里葉變換（FFT）算法。FFT算法有許多優(yōu)點(diǎn)，可有效濾除信號通道中的直流分量，即消除了零漂。可方便得到基波及多次諧波的有效值，方便其他保護(hù)算法的應(yīng)用，并且運(yùn)算速度快，以下具體闡述快速傅里葉變換的算法獲得電壓信號的幅值及相位的過程?？梢园央妷狠斎胄盘柋硎緸椋?/p>

也可合并為：

其中

根據(jù)離散傅里葉變換有

其中：n表示時(shí)域中一周期的采樣點(diǎn)數(shù)，n=0，l，2…，N-1；k=0，1，2…，N-l。

將u（t）表示成傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式：

其中：

根據(jù)傅里葉指數(shù)形式和三角形式的關(guān)系根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)得到：

要將連續(xù)的周期信號的傅里葉級數(shù)和DFT聯(lián)系起來，就需要在時(shí)域內(nèi)對u（t）進(jìn)行抽樣，抽樣間隔為T。一周期內(nèi)的抽樣點(diǎn)數(shù)為N，則

比較（6）和（9）式子，可得：

將（9）式帶入式（7）、（8），得到電壓的k次諧波幅值（最大值）和相位（余弦函數(shù)的初相）分別為：

得到的C_K和Ф_k就可以進(jìn)行有功功率功率和無功功率的計(jì)算，及諧波分析等。

4 結(jié)語

本文介紹的模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。并且通過現(xiàn)場實(shí)際投入運(yùn)行，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以在電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。