電力系統準同期裝置數據采集電路設計

馬玉榮

（新疆天富熱電股份公司，新疆 石河子832000）

0 引言

在電力系統運行中，發電機同期并網是一項頻繁且重要的日常操作，目前，大多數電廠都是依靠自動同期裝置來進行并網。自動準同期裝置的核心功能就是通過自動、準確、迅速的計算并判斷合閘時機，實現快速、可靠并網合閘。按照功能要求，準同期裝置要能接收同步點兩側電壓互感器二次側的交流電壓并進行轉換，獲得兩側電壓的幅值、頻率及相角信息，CPU接收信息進行合閘時機的判斷，最后發出調壓、調頻脈沖以及合閘脈沖。因此，數據采集系統在整個裝置中具有極其重要的地位。

1 芯片選擇

由于準同期裝置對于實時性的要求較高，而且為了避免在進行FFT運算時出現溢出的問題，決定選用浮點型DSP芯片來設計準同期裝置，其具有精度高、可靠性高、接線簡單等特點。自動準同期裝置選擇ADSP－21992芯片作為CPU，配以高精度交流變換器，采用準確快速的跟頻交流采樣技術和DSP內部快速FFT算法，能夠準確測量開關兩側電壓、頻率及相角差；開入、開出及繼電器控制信號全部光電隔離。硬件平臺的優點是運算速度快，具有良好的抗干擾性能。

2 數據采集電路設計

本裝置的數據采集電路分為模擬量采集電路、A／D轉換電路、頻率測量電路、相角差測量電路和開關量采集電路等部分。

2.1 模擬量采集電路

模擬量采集電路在設計中的作用是將來自系統的模擬量信號包括電壓和電流進行變換，轉為－5～＋5 V之間的低電壓信號，經過ADSP－21992自身的模擬量ADC模塊進行采樣處理。本文的裝置采用的是松下公司生產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。本裝置設計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轉換及輸入配置

ADSP－21992集成了1個快速精確的多通道A／D轉換器。A／D轉換器采用了6級流水線FLASH結構，包含2個輸入采樣保持放大器，支持2路輸入信號的同時采樣。

A／D轉換器的輸入結構支持8個獨立的模擬量輸入，其中每4個被編為1組，即VIN0～－VIN3和VIN4～VIN7，分別在2個采樣保持放大器SHA中進行轉換。ASHAN和BSHAN引腳分別連接到2個采樣保持放大器的反相輸入端，用于實現外部控制A／D轉換范圍的偏移。A／D轉換系統有5個用于提供電壓參考的專用引腳CAPT、CAPB、VREF、SENSE、CML以及1個啟動轉換引腳CONVST（數字輸入觸發），還有4個專用供電電源引腳：2個AVDD（模擬VDD）和2個AVSS（模擬地）。內部的多路開關用于將指定的模擬量輸入連接到A／D轉換器。

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電壓的過零點，利用CPU的定時器記錄相鄰2個過零點之間的時間，即所測量的電壓周期，經過換算得到電壓頻率大小。并列點兩側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成的過零檢測電路實現。

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，將系統電壓和發電機電壓經過電壓變送器變為幅值為＋5 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個方波經過異或電路SN74LV00 A得到一系列寬度變化的方波，把該方波信號與CPU的計數器相連，通過計數器來測量方波的高電平時間，測量結果轉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 開關量采集電路

開關量（遙信）信號反映站內設備的工況、保護的動作情況等，是發電廠、變電站自動化系統中非常重要的信號。開關量采集電路如圖4所示。

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

圖4 開關量采集電路

3 數據采集的調試

首先對DSP進行初始化，為進行數據采集與分析做好準備，其后調試A／D采樣與數據分析部分程序。

本設計中A／D采樣頻率設定為25.6 k B，一個周期應該采樣25 600÷50＝512點。本裝置主要采用FFT算法，為充分發揮DSP的性能，特地在DARA M中開辟了相應的空間，如按要求在0x1400后的1 024點空間進行位反與FFT運算，而在0x1800后開辟6個1 024點空間存儲采樣數據，這樣既保證了算法的正確性和快速性，同時也最大限度地利用了DSP內部的存儲空間。圖5為采用FFT運算的幅度譜圖。

圖5 A／D輸入通道0的采樣信號幅度譜

通過測試與分析，電力系統數據采集電路能夠達到裝置的要求。

4 結語

本文主要介紹了基于ADSP－21992的自動準同期裝置的數據采集電路的設計與實現，通過測試其達到準同期裝置的要求，可以實現預期目的。

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