电力系统准同期装置数据采集电路设计

2014-10-10马玉荣

机电信息 2014年9期

马玉荣

（新疆天富热电股份公司，新疆石河子832000）

0 引言

在电力系统运行中，发电机同期并网是一项频繁且重要的日常操作，目前，大多数电厂都是依靠自动同期装置来进行并网。自动准同期装置的核心功能就是通过自动、准确、迅速的计算并判断合闸时机，实现快速、可靠并网合闸。按照功能要求，准同期装置要能接收同步点两侧电压互感器二次侧的交流电压并进行转换，获得两侧电压的幅值、频率及相角信息，CPU接收信息进行合闸时机的判断，最后发出调压、调频脉冲以及合闸脉冲。因此，数据采集系统在整个装置中具有极其重要的地位。

1 芯片选择

由于准同期装置对于实时性的要求较高，而且为了避免在进行FFT运算时出现溢出的问题，决定选用浮点型DSP芯片来设计准同期装置，其具有精度高、可靠性高、接线简单等特点。自动准同期装置选择ADSP－21992芯片作为CPU，配以高精度交流变换器，采用准确快速的跟频交流采样技术和DSP内部快速FFT算法，能够准确测量开关两侧电压、频率及相角差；开入、开出及继电器控制信号全部光电隔离。硬件平台的优点是运算速度快，具有良好的抗干扰性能。

2 数据采集电路设计

本装置的数据采集电路分为模拟量采集电路、A／D转换电路、频率测量电路、相角差测量电路和开关量采集电路等部分。

2.1 模拟量采集电路

模拟量采集电路在设计中的作用是将来自系统的模拟量信号包括电压和电流进行变换，转为－5～＋5 V之间的低电压信号，经过ADSP－21992自身的模拟量ADC模块进行采样处理。本文的装置采用的是松下公司生产的毫安级精密电压互感器，其体积小、精度高，温度特性非常好。由于此同期装置除了要完成同期功能外还要完成测量功能，因此需要采集4路电压量和4路电流量。本装置设计的模拟量采集电路如图1所示。

图1 模拟量采集电路图

2.2 芯片A／D转换及输入配置

ADSP－21992集成了1个快速精确的多通道A／D转换器。A／D转换器采用了6级流水线FLASH结构，包含2个输入采样保持放大器，支持2路输入信号的同时采样。

A／D转换器的输入结构支持8个独立的模拟量输入，其中每4个被编为1组，即VIN0～－VIN3和VIN4～VIN7，分别在2个采样保持放大器SHA中进行转换。ASHAN和BSHAN引脚分别连接到2个采样保持放大器的反相输入端，用于实现外部控制A／D转换范围的偏移。A／D转换系统有5个用于提供电压参考的专用引脚CAPT、CAPB、VREF、SENSE、CML以及1个启动转换引脚CONVST（数字输入触发），还有4个专用供电电源引脚：2个AVDD（模拟VDD）和2个AVSS（模拟地）。内部的多路开关用于将指定的模拟量输入连接到A／D转换器。

2.3 频率测量电路

图2为频率测量电路。测频电路原理为，检测出电压互感器的二次侧电压的过零点，利用CPU的定时器记录相邻2个过零点之间的时间，即所测量的电压周期，经过换算得到电压频率大小。并列点两侧的电压为频率接近工频的正弦交变电压，其频率测量常用的方法是将正弦交变电压转换为同频率的方波，然后通过测量方波的宽度而得到其频率。硬件方面可以通过电压比较器构成的过零检测电路实现。

图2 频率测量电路

2.4 相角差测量电路

相角差测量电路的思路是，将系统电压和发电机电压经过电压变送器变为幅值为＋5 V的正弦电压信号送入电压模拟量采集电路，从电压模拟量采集电路得到VIN3 VOLT和VIN1 VOLT，再通过过零比较电路得到方波电压V3与V1，2个方波经过异或电路SN74LV00 A得到一系列宽度变化的方波，把该方波信号与CPU的计数器相连，通过计数器来测量方波的高电平时间，测量结果转化为角度即所测相位差，然后输入CPU。相角差测量及与ADSP连接电路如图3所示。

图3 相角差测量及与ADSP连接电路

2.5 开关量采集电路

开关量（遥信）信号反映站内设备的工况、保护的动作情况等，是发电厂、变电站自动化系统中非常重要的信号。开关量采集电路如图4所示。

本设计中有YX0～YX7共8路外部遥信（220 V），其中，YX5为开关合位开入，YX6为远方／就地开入，YX7为就地操作开入，其他可以另作它用（备用）。

图4 开关量采集电路

3 数据采集的调试

首先对DSP进行初始化，为进行数据采集与分析做好准备，其后调试A／D采样与数据分析部分程序。

本设计中A／D采样频率设定为25.6 k B，一个周期应该采样25 600÷50＝512点。本装置主要采用FFT算法，为充分发挥DSP的性能，特地在DARA M中开辟了相应的空间，如按要求在0x1400后的1 024点空间进行位反与FFT运算，而在0x1800后开辟6个1 024点空间存储采样数据，这样既保证了算法的正确性和快速性，同时也最大限度地利用了DSP内部的存储空间。图5为采用FFT运算的幅度谱图。