基于IEC61850的智能變電站的邏輯如圖1所示,。IEC61850協(xié)議主要定義了變電站的信息分層結(jié)構(gòu)：過程層、站控層和間隔層,。本文重點研究智能IED設(shè)備,，按照IEC61850協(xié)議的描述,，IED檢測設(shè)備位于間隔層和過程層。其中,，負(fù)責(zé)存儲測量數(shù)據(jù),、進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層；與現(xiàn)場傳感器直接聯(lián)系的測量IED位于過程層,；處于站控層的變電站現(xiàn)有計算機(jī)系統(tǒng)將存儲長期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A／D轉(zhuǎn)換器搭建的算法模塊,，多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號濾波模塊組成,。負(fù)責(zé)DSP采集的是目前較為主流的工控DSP，CPLD采用的是Altera公司的EPM3256,，A／D轉(zhuǎn)換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125,。DSP專注于電網(wǎng)能量質(zhì)量的計算，而CPLD和高速A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的電路適用于多路信號的同時采集,。
智能IED處理流程如圖2所示,。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號,。信號前端電路將執(zhí)行低通濾波功能,，濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A／D轉(zhuǎn)換器采集,，通過A／D轉(zhuǎn)換器CPLD電路實現(xiàn),，最后通過數(shù)據(jù)總線送至DSP。完成參數(shù)計算后,，DSP把數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一打包上傳給主控IED,，其主要功能是接收檢測IED的數(shù)據(jù)，并上傳給數(shù)據(jù)庫,。
1．1 多路選擇開關(guān)
本系統(tǒng)采集的對象較多,，由于計算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時采集三相電壓對應(yīng)的三相電流值和三相末屏電流值,。MAX125是雙通道8路采集,，每一路可以采集4路信號，在本系統(tǒng)中將用到其中3路,，另一路信號可以被閑置,。
1．2 與上位機(jī)通信接口
實際上，本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊,。所有采集信號在經(jīng)過處理后還要打包傳遞給上位機(jī),。本系統(tǒng)采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),，在上位機(jī)打包之后通過TCP／IP傳遞給監(jiān)控中心,。
1．3 數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換模塊
智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓,、三相電流,、三相末屏電流和中性點電流。這些信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置,。
本系統(tǒng)要求計算到13次以上的諧波含量,，F(xiàn)FT算法采集2個電網(wǎng)周期至少128個點。電網(wǎng)頻率為50 Hz,，那就意味著要在40 ms里采集128個工作點,，采集頻率為3200 Hz。為了保證采集的點集中在兩個完整的周期里,，需要利用DSP定時中斷采集工作點,。在整個系統(tǒng)中，信號采集單元的轉(zhuǎn)換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用,。MAX125自帶采樣保持器,，通道同時采樣，采樣精度14位,，適合電網(wǎng)某一時刻的電壓電流同時采樣,；輸入電壓的范圍是±5 V，采集一路的時間為3μs,，非常適合高速采集的系統(tǒng),。
當(dāng)MAX125對采樣的8路信號轉(zhuǎn)換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號,，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉(zhuǎn)換完畢,，DSP可以通過響應(yīng)中斷對采樣信號進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過對A0～A3的地址線編程實現(xiàn)通道的選擇,，CLK信號用作A／D轉(zhuǎn)換所需的時鐘,，由CPLD的時鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線(D0～D13),、時鐘輸入CLK,、片選輸入CS、寫輸入WR,、讀輸入RD,、轉(zhuǎn)換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應(yīng)功能I／O引腳相連,。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號,，而MlAX125為8通道差分輸入A／D轉(zhuǎn)換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片,。
1．4 信號調(diào)理電路
220 kV或以上的變壓器引出的信號,，要經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境再進(jìn)入傳感器,。從傳感器進(jìn)入MAX125的信號還要經(jīng)過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收,，因此信號調(diào)理電路就成為控制系統(tǒng)中必不可少的一部分,。一般來說在差分輸入端將20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換成1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入A／D轉(zhuǎn)換器,。其中輸出端電壓高于A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值,，在此進(jìn)行分壓后進(jìn)行采樣。
電力系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)載,，會使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低,。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運(yùn)算精度。本系統(tǒng)中對信號的處理采用的是低通濾波器,。低通濾波模塊一般是用電路元件(如電阻,、電容、電感)來構(gòu)成所需要的頻率特性電路,。一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號,，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 軟件流程
首先是DSP相應(yīng)功能的初始化,，包括串口,、定時中斷、部分用作控制線的I／O口,。在數(shù)據(jù)處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率,。隨后的工作就是讀取來自A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個分別對應(yīng)兩個周期的電壓電流和末屏電流值,。每128個數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT運(yùn)算,，運(yùn)算的結(jié)果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值,。IED數(shù)據(jù)采集,、運(yùn)算、上傳過程如圖3所示,。
需要DSP計算的參數(shù)是高壓A,、B、C三相電壓,、三相電流的有效值,，中壓A、B,、C三相電壓,、三相電流的有效值，各相電壓電流的2～13諧波的幅值和諧波畸變率,，以及高中壓三相的功率因素,、介損角值,。DSP算法要解決的難題是計算出2～13諧波和各相的功率因數(shù)。算法的核心是FFT算法,。
智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號,。首先是DSP的相關(guān)功能初始化，包括串口,、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷,。然后通過普通I／O引腳作為觸發(fā)信號,，依次選擇多路A／D輸入信號，這些信號通過信號調(diào)理電路在信號波形穩(wěn)定后可以經(jīng)過MAX125被采樣,。通過數(shù)據(jù)總線傳遞給DSP,，DSP經(jīng)過一系列運(yùn)算后得到功率因素、介損基波諧波含量,，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式打包,，通過串口發(fā)送到ARM微控制器。AR M再將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)控軟件,。
具體代碼如下：
2．2 電網(wǎng)參數(shù)的計算
DSP接收到A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之后就立刻進(jìn)行計算,。在本設(shè)計中，電網(wǎng)的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點,。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致,。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系,，形成非正弦電流,，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),，根據(jù)傅里葉分析原理可知,，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,，每個諧波都具有不同的頻率,、幅度與相角。
諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,，一般地講,，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大,。在平衡的三相系統(tǒng)中,，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了,，只有奇次諧波存在,。利用FFT算法可以將電網(wǎng)電壓／電流分解為50 Hz基波和多次諧波的疊加,。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。
除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外,，系統(tǒng)還有其他參量的計算,。由于調(diào)用的功能模塊十分復(fù)雜，只對部分參數(shù)的計算過程進(jìn)行描述,。多數(shù)參數(shù)都是通過對采集點的離散積分求得的,。
高壓A相電壓有效值：
高壓三相電壓總諧波畸變率：計算出各相電壓的各諧波含量和基波含量，用總諧波含量除以基波分量,。
單相電壓功率因數(shù)：由FFT算法得出基波有效值的(虛部／實部)的反正切值,。
單相介損：將末屏電流和對應(yīng)相電壓分別作FFT運(yùn)算，所得的相位作差,，該相位差角度為介損角,。
3 總結(jié)
該系統(tǒng)應(yīng)用于智能變壓器系統(tǒng)中，可多個通道同步采集,，轉(zhuǎn)換精度高,。經(jīng)實驗驗證，信號采集模塊的實時性和精度上都取得良好的效果,，且工作穩(wěn)定可靠,。該系統(tǒng)采用高速14位并行A／D轉(zhuǎn)換器，簡化了接口設(shè)計,，提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度,。通過CPLD實現(xiàn)各種復(fù)雜控制信號，通過改變XF引腳的電平,，可以將外擴(kuò)SRAM,、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實現(xiàn)信號的多路高速同步實時數(shù)據(jù)采集,，抗干擾能力強(qiáng),，并利用FFT算法準(zhǔn)確計算出電網(wǎng)諧波因數(shù)、功率角,、介損角,。