基于DSP的光纖電流互感器二次側(cè)信號處理

電流互感器是現(xiàn)在電力系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高，對電力系統(tǒng)運行可靠性要求越來越苛刻，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)遠遠不能滿足要求了。目前國內(nèi)外很多高校和企業(yè)都在致力于開發(fā)新一代的電流互感器。我們經(jīng)過多年研究，研制成功了有源式光纖電流互感器，對互感器二次側(cè)信號的處理過程中，采用了TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F206，用該處理器實現(xiàn)了對互感器二次側(cè)輸出電壓信號的真有效值測量、被測量高壓電力線電流的數(shù)字顯示以及互感器和電力系統(tǒng)保護裝置的數(shù)字接口等重要功能，實現(xiàn)了互感器低壓端的全數(shù)字化。

1 真有效值計算原理
? 真有效值(RMS)是電力和電子系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，對真有效值進行精確的測量是很多精密儀器所必需的，準確快速地對真有效值進行計算是很多后續(xù)工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成電路直接把交流信號變成直流輸出，然后對直流輸出信號進行處理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值轉(zhuǎn)換芯片。這種方法測量范圍窄、精度低、轉(zhuǎn)換芯片價格高、功能單一。還有采用直接對交流信號進行整流的方法來實現(xiàn)直流變換的，價格便宜，但是精度更低，很難滿足實際應(yīng)用中的要求。

? 在我們設(shè)計的電流互感器中，由于得到的輸出是直接數(shù)字量（瞬時被測信號的A/D轉(zhuǎn)換），為了接口方便和滿足精度和速度的要求，我們采用了TMS320 F206高速數(shù)字信號處理器，采用直接計算的方法來實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

?連續(xù)信號的真有效值定義如下：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，v(t)是被測量交流信號，T是被測信號的周期。?

? 類似地，在數(shù)字系統(tǒng)中，上述計算公式應(yīng)該校正為：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，N是每周期采樣點數(shù)，v(i)是被測信號瞬時采樣的數(shù)字量。

? 在本系統(tǒng)中，采用式（2）對已得到的數(shù)字量進行平方累加求和，然后再取平均，最后開平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令，很容易求累積和。

在實際計算中，為了計算方便，輸入信號每周期我們采樣512次，每計算16個采樣值的平方和后，除以16，整個周期共作32次這樣的運算，最后再把32次這種運算的結(jié)果累加，形成一周期內(nèi)的平方和的平均值。采用這種方法，可以避免處理器一直累加導(dǎo)致溢出的麻煩。

對于平方根的求取，由于TMS320F206沒有專用的開平方指令，而有專用的平方運算指令，所以我們采用下面的稱之為逐次逼近的算法：

? 即先令輸出信號為輸入信號最大可能值的一半（用二進制數(shù)表示則為最高位為1，其余位為0），然后把反饋信號（輸出信號的平方）同輸入信號比較，如果反饋信號比輸入信號小，則保留原輸出的二進制數(shù)的最高位，若反饋信號大于輸入信號，則該位置為0。然后再令輸出信號的次高位為1，重復(fù)上邊過程。按上述方法重復(fù)?N次（N?為數(shù)據(jù)的二進制寬度），即得到被開方數(shù)的開方結(jié)果整數(shù)部分，當數(shù)據(jù)位寬度足夠?qū)挼臅r候，開方結(jié)果的小數(shù)部分可以忽略。本設(shè)計中由于處理器的累加器是32位字節(jié)寬度的，而A/D轉(zhuǎn)換器為12位，通過把累加的內(nèi)容適當移位，充分利用處理器32位處理能力，忽略小數(shù)部分也能夠完全滿足精度的要求。采用該方法，能夠迅速計算整數(shù)的開方，并且算法簡單，容易用匯編語言編程實現(xiàn)。實際上，這種算法在本質(zhì)上就是所謂的二分法查找。

? 整個軟件算法對輸入數(shù)字量的處理過程如圖2所示。

圖中，因為A/D輸出的是12位二進制補碼數(shù)，在DSP讀出數(shù)據(jù)后，先取絕對值（F206有專門的ABS指令），這樣可以把輸入數(shù)據(jù)作為無符號整數(shù)來處理，減少編程中的麻煩。圖中的低通濾波器是為了清除輸入信號因為干擾而帶入的高次諧波對真有效值的影響而設(shè)置的，采用數(shù)字濾波的方法，可以用簡單的一階IIR濾波器實現(xiàn)。圖中的開根號部分即上邊所述的逐次逼近算法。開方后的值應(yīng)該在具體編程序的時候給與適當?shù)钠醚a償，以抵消系統(tǒng)中的固有誤差，提高整個系統(tǒng)的精度。最后把計算出的真有效值進行增益調(diào)整，體現(xiàn)被測高壓電力線上的實際電流真有效值。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
? 在我們設(shè)計的有源式電流互感器中，采用一片ALTERA公司的CPLD（EPM7128）實現(xiàn)低壓控制部分各種時序的發(fā)生，同時生成高壓端A/D轉(zhuǎn)換器的工作時序，通過光纖傳送到高壓電力線端。高壓端得到的瞬時采樣值通過光纖傳回控制室，經(jīng)過CPLD進行簡單的處理，以并行16位數(shù)據(jù)的方式輸出。DSP處理器TMS320F206同CPLD之間實現(xiàn)無縫連接，直接以外部端口的方式讀取16位并行數(shù)據(jù)，然后對獲得的數(shù)據(jù)進行計算，得到真有效值，監(jiān)視系統(tǒng)運行情況，同時用LED顯示實際高壓電力線上的電流有效值。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

TMS320F206作為主控制芯片，該芯片是TI公司新一代16位定點數(shù)字信號處理器，內(nèi)部自帶32 k FLASH程序存儲器，4 k RAM存儲器，不需要外部擴展就能夠滿足整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。該處理器在?20 MHz?主頻時，指令周期為50 ns，有適合于數(shù)字信號處理的高效指令集，能方便地進行復(fù)雜數(shù)學運算和有效地對外部接口進行控制。

? 系統(tǒng)中采用1片ALTERA公司的EPM7128作為整個系統(tǒng)的數(shù)字邏輯部分。該芯片可以重復(fù)編程，內(nèi)部有2 500可用門，128個宏單元，能滿足大部分復(fù)雜邏輯的要求。該芯片的使用，大大減少了數(shù)字系統(tǒng)工作所需要的分離邏輯器件數(shù)目，增強了系統(tǒng)可靠性和保密性。

? 顯示模塊采用MAX7219顯示專用芯片，該芯片能夠以三線SPI的方式同處理器接口，控制方便。該芯片只需要1只電阻就可以設(shè)置顯示亮度，并且可以用軟件的方式更改亮度。該芯片自動實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示，能驅(qū)動8只7段LED數(shù)碼管，使用該芯片可以大大簡化處理器對顯示的控制接口和程序設(shè)計。

? 在低壓側(cè)，除了用TMS320F206對被采樣信號的真有效值進行計算、驅(qū)動顯示、給出保護接口外，用D/A轉(zhuǎn)換器重新恢復(fù)被測量的模擬信號，得到模擬量輸出。這是因為現(xiàn)在電力系統(tǒng)很多測量和執(zhí)行機構(gòu)還需要使用模擬量，所以本設(shè)計中為了保持和現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，增加了模擬量輸出模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
? 由于整個系統(tǒng)的運算量不是很大，所以采用匯編語言進行程序設(shè)計。TI TMS320C2000系列匯編語言功能強大，控制方便，有很多專用的指令集，很適合于進行數(shù)字信號處理。整個算法采用模塊化設(shè)計方法。即顯示控制模塊、D/A驅(qū)動模塊、繼電保護邏輯實現(xiàn)模塊和真有效值計算模塊。主程序框圖如圖4所示。

DSP對數(shù)字量的讀取采用中斷方式，設(shè)置為外部中斷INT1，設(shè)置為高優(yōu)先級。每次讀取數(shù)據(jù)后，就進行平方運算、累積前面的平方運算結(jié)果。完成512次（對輸入信號一個周波采樣512次）平方累積后，調(diào)用開平方子程序，算得該周期的輸入信號真有效值。用算得的有效值來監(jiān)視電網(wǎng)電力線的運行情況，提供保護手段。

? 對于顯示，不需要每周波更新一次顯示，觀察者也無法反應(yīng)太快的顯示更新。所以我們采用每計算16個周波的真有效值然后取平均，再去更新顯示的方法。這樣，一方面不會使顯示器一直閃爍，另一方面也可以通過平均的方法提高精度。

4 結(jié)語
? 該系統(tǒng)利用DSP處理器靈活高速的特點，對被測量電壓信號進行了精確的測量，同時為電力系統(tǒng)提供可靠實時的保護信號。提出了真有效值計算的有效方法，采用該方法處理數(shù)字數(shù)據(jù)，精度高，程序設(shè)計方便，在實際應(yīng)用中簡化了設(shè)計和增強了可靠性。

參考文獻

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