基于DSP 的調容式消弧線圈控制器設計

劉曉陽，楊春麟，王倫月

（1.重慶市軌道交通集團有限公司網絡運管中心，重慶 400042;2.重慶市電力公司璧山供電局，重慶璧山 402760）

0 引言

在我國，6～35kV電力系統稱為配電網，一般直接面向用戶進行供電，所以保障配電網的正常安全運行非常重要。選擇中性點接地方式是一個綜合性的技術問題，它與系統的供電可靠性、人身安全、設備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通信干擾及接地裝置問題有密切的關系［1］。中性點經消弧線圈接地方式由于能夠對電網發生單相接地故障時的電容電流進行補償，可以保證供電的連續性、把故障造成的危害減少到最低，所以在實際中得到廣泛的應用。

本文基于晶閘管投切電容［2］(thyristor series capacitors簡稱TSC)補償概念，提出了TSC式消弧線圈及其接地裝置，其調諧速度快，調節范圍寬，且能實現線性調節，可靠性高，無諧波污染問題，提高了電網運行的安全性和供電質量。DSP作為該裝置的處理核心，主要完成多路信號的FFT運算、晶閘管觸發控制以及CAN通信等。下面就該裝置的不同部分進行介紹。

1 TMS320LF2407A簡介

TMS320LF2407A是德州儀器公司(TI)推出的16位定點DSP。它采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗;內有高達32K×16位的Flash程序存儲器，高達2.5K×16位的數據/程序 RAM，544×16位雙端口 RAM(DARAM)，2K×16位的單口RAM(SARAM);2個事件管理模塊EVA和EAB，事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器;可擴展的外部存儲器總共192K×16位，其中程序存儲器空間、數據存儲器空間、I/O尋址空間各為64K×16位;內有看門狗定時器(WDT)、10位ADC轉換器、控制器區域網模塊CAN2.0 B、串行通信接口模塊(SCI)、16位串行外部設備接口模塊(SPI)、基于鎖相環的時鐘發生器;5個外部中斷(兩個電機驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷);3種低功耗電源管理模式，能獨立地將外設器件轉入低功耗工作模式。

此外，該芯片有多達41個可單獨編程或復用的通用I/O腳(GPIO)，用戶可根據自己的需求進行軟件設置，使之在應用中具有極大的靈活性。總的來說，TMS320LF2407A具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發方式。

2 消弧線圈硬件部分設計

該裝置是以DSP為核心處理器、多CPU共同協作的控制器，根據CPU可以將該控制器劃分為三部分:一是以DSP為處理器的數據處理部分，包括A/D采樣、開關量輸入、CAN通信等，這個部分也是控制器的主要部分。通過對三相母線電壓、中性點電壓、中性點電流以及各出線的零序電流的A/D采樣，將模擬量轉化成數字量提供給DSP進行處理，而且通過硬件電路來實現頻率跟蹤，CAN總線實現遙信。二是以51系列單片機為核心的人機接口部分，主要包括232和485接口、USB接口、嵌入式以太網接口、日歷時鐘、鍵盤和顯示接口以及開關量輸出等。RS232和RS485實現遙信，USB用于連接外部USB設備實現故障信息的輸出，通過以太網構成網絡，通過鍵盤進行控制操作，液晶顯示器用于顯示波形和系統的一系列信息。三是以AD公司生產的帶8位可編程MCU的數據采集系統芯片ADuC831，其主要完成利用注入信號法來測量系統的電容電流。系統結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理圖

3 電容電流測量

目前常用的配電網電容電流測量方法中，以單相金屬接地法為代表的直接測量電容方法的測量精度高，但操作復雜繁瑣，在實際中應用較少;而目前在實際中應用較多的位移電壓曲線法、三點法和阻抗三角法等，都是利用電網的不平衡進行電容電流測量。針對于目前電纜線路的不斷增多，電網不平衡度降低，通過改變電網的平衡，利用注入信號法測量電容電流［3］技術越來越受到重視。信號注入法的原理是從微機測控器不斷向電網發送出異頻信號，同時接收來自電網的反饋信號，根據相應等值電路及算法，即可計算得到電網的對地電容電流值。

注入信號原理尤其適用于電網不對稱度小的系統。它具有在線檢測電網電容電流值，不對消弧線圈進行調節，不受電網中性點信號影響，測試方便，精確度高，穩定性好，適應性廣和抗干擾能力強等一系列優點。注入信號又包括分頻注入法和掃頻注入法，分頻注入法是利用電路的伏安特性，通過方程求解得到電容大小，其優點是裝置的設計相對較為簡單，測量速度快，但是受系統影響較大，測量準確性不高;而掃頻注入法是利用了電路的頻率特性，不受系統運行變化的影響，測量準確性高，缺點是掃頻時間較長，對于隨調式的自動調諧系統，跟蹤補償的時間相對較長。

在這里采用掃頻注入信號法［4］進行測量電路的設計。該電路主要由掃頻信號電源、隔離濾波電路以及50Hz工頻陷波電路組成。掃頻信號電源的主要作用是提供一個頻率連續變化的注入信號。由于電網中存在各種諧波和工頻干擾，必須對輸入信號進行高、低通濾波和50Hz工頻陷波處理。其中該電路中的CPU采用AD公司的ADuC831。ADuC831是一個完全綜合的247k采樣保持數據采集系統，在同一片中結合了高性能的自校準12位ADC 8路通道，雙12位DAC通道和可編程8位MCU。還提供片內4kB非易失性閃速/電擦除數據存儲器、256bRAM和2kB擴展RAM。ADuC831支持C語言編程，程序設計簡便且具有I2C、SPI串行I/O口，方便與DSP進行通信。其結構框圖如圖2所示。

圖2 電容電流測量原理圖

圖3為掃頻等效電路圖。圖中，U'N為電網中性點位移電壓UN感應至PT二次側的電壓，L'、C'、G'分別為L、C、G折算到PT二次側的值，其中L為消弧線圈的電感，C=CA+CB+CC，G為電網泄漏電導。

從圖3中可以看出，U'N與U并存于等效電路中，故PT二次側上的電壓和采樣電阻R1上的電壓實際上是U'N與U共同作用的結果。以中性點位移電壓U'N為電網相電壓的15%來計算，U'N為15V。相比之下，掃頻電源施加在PT二次側上的電壓很小，因為諧振頻率的判別是測量到采樣電阻上的最大電壓為依據的，這樣噪聲信號必然會對諧振頻率f0的準確測量帶來不利的影響。

圖3 掃頻等效電路圖

為了去除U'N對f0測量工作的干擾，本文中采用美國Burr-Bromn公司生產的UAF42通用有源濾波器設計了陷波電路。該陷波網絡專用于濾除50Hz的單一頻率，其具體電路如圖4所示。

圖4 陷波電路

該電路陷波的頻率fnotch可通過下式設定:

4 控制器軟件設計

控制器軟件主要包括A/D采樣控制、晶閘管觸發控制、鍵盤和顯示器的控制以及數據通信控制等［5］。通過對中性點電壓 A/D采樣的數據進行FFT運算后與整定值進行比較，判斷是否發生單相接地故障。如果發生單項接地故障，則先從電容電流測量電路獲得系統的電容電流，再通過計算得到晶閘管的觸發脈沖來控制晶閘管的通斷，從而對電網的電容電流進行補償。晶閘管的控制在零電壓時投入電容器，零電流時切除電容器，這樣就可以避免投切時的過電壓和合閘涌流問題，同時也大大減小了系統的功耗，而且也不存在諧波干擾問題。然后啟動選線程序選出接地線路，當接地故障消失之后，調節消弧線圈到最大補償狀態，從而抑制中性點位移電壓。控制器軟件基本結構框圖如圖5所示。

圖5 軟件結構框圖

5 結論

本文設計了一種以DSP為核心處理器的調容式消弧線圈控制器，并引入注入信號法來測量系統電容電流，避免了對消弧線圈的頻繁調節。而且由于DSP的高速計算能力，提高了控制器的運算速度和實時處理能力。

［1］ 要煥年，曹梅月.電力系統諧振接地［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］ 項維奇.論中性點經自動跟蹤消弧線圈接地系統技術［J］.供用電，2006，(2):25-26.

［3］ 王志金，賈素梅，賈國良.電網電容電流的外加信號測量法［J］.電力技術，2002，(9):31-32.

［4］ 李玲玲，郭卉，蔣棟，等.基于掃頻法的諧振接地配電網運行狀態監測［J］.儀器儀表學報，2002，(3):238-241.

［5］ 劉和平，高蘇州，李純，等.基于DSP的新型消弧線圈接地系統控制器［J］.電力自動化設備，2004，(6):75-77.