应用于高压输电线路微机保护新型数据采集系统设计

摘要：随着微机保护的发展，一些新的保护原理和方案的出现对构成微机保护装置的硬件平台提出了更高的要求，尤其是对采样速率提出了更高要求。本文介绍的新型高速数据采集系统采用了数字信号处理器(DSP)和模数(A/D)转换芯片AD7656，逻辑控制电路使用复杂可编程控制器件(CPLD)作为整个系统的逻辑控制芯片。该系统具有采样速率高、精度高及高可靠性等优点。
关键词：微机保护数据采集数字信号处理器复杂可编程控制器件
1007-9416(2012)07-0144-03
随着微机保护的发展一些新的保护原理和方案特别是基于故障波形特征(暂态分量)或高频分量的保护原理以及基于人工神经网络(ANN)和模糊集理论的智能保护方案受到了越来越多的关注并逐步实用化。这些新方法在改善保护性能的同时也对保护装置的计算精度和速度提出了更高的要求。另外，变电站综合自动化和数字化变电站的发展，也要求微机保护硬件具有高度集成化、标准化和开放性。
基于上述要求，本文提出一种可应用于高压输电线路微机保护的新型数据采集系统。该数据采集系统采用ANALOG公司的16位数据采集芯片AD7656，该芯片内部带有独立的高速6通道同步采样保持器和模数转换器，简化了电路设计，可以自动完成多路输入通道的数据采集工作而无需处理器的干预。

1、数据采集系统的硬件结构

数据采集系统包括模拟量预处理(电压、电流变换和低通滤波)、采样保持及模数转换等功能模块，完成将模拟输入量准确地转换成所需的数字量，传给处理器(DSP)进行相关处理、计算。其中AD7656芯片完成了采样保持和模数转换功能，处理器采用DSP芯片TMS320VC33，二者之间逻辑使用CPLD芯片XC95144，如图1所示。

2、系统各部分原理图及主要芯片

2.1 模拟量预处理

输入模拟信号是由电压、电流互感器二次侧输出的9路工频电压、电流信号。在进行A/D转换之前，每路输入的模拟信号须经过信号变换以满足A/D转换器件量程，并滤除高频成分以满足采样定理要求。如图2所示为信号变换和RC低通滤波电路[8]。
交流模拟量变换回路的基本设计原则是：要保证各电压/电流互感器的一次、二次侧之间相位位移保持一致；互感器要在整个工作范围内保持线性传输，输入小信号不失真，输入大信号不饱和。AD7656芯片输入电压范围设为±5V(±5V、±10V可选)，为了使电压/电流变换器二次侧信号与A/D量程匹配，电压变换器应选用变比为(100/)/(5/)=100/3.53。若高压电流互感器二次额定电流为（一般为5A或1A），为了保证其线性范围，电流变换器变比为20/3.53。
由于无源滤波器具有结构简单、能经受较大的浪涌冲击、可靠性高的特点，而高阶的模拟滤波器将带来长的过渡过程，有可能影响保护的速度，所以一般选择采用一阶RC无源低通滤波器。本系统采样频率设为1.6kHz，即每周波采32点，若按2.5倍频滤波应滤除0.64kHz以上高频信号分量，则电阻R参数选为2.5kΩ，电容C参数选为0.1μF。低通滤波的幅频/相频响应如图3所示。可见，在截止频率ω=2πf=4019.2rad/s处，信号幅度低于0.707。
稳压管组成双向限幅，使A/D变换芯片的输入电压限制在峰-峰值±5V以内。

2.2 模数转换与DSP芯片及原理电路

模数转换采用的AD7656是Analog公司生产的一款16位高速6通道同步采样芯片，功能框图如图4所示。它内部带有6个高速同步采样/保持电路通道和16为逐次逼近型模数转换器(ADC)，采样速率250kSPS，满足实时性要求。AD7656的6路模拟输入分为三组,分别由CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC来控制启动，可通过引脚或软件方式设定输入电压范围(±10V或±5V，为±4×VREF或±2×VREF)，它提供了可选的高速并行或串行接口,从而允许该器件与微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接,每个通道的输出都可为一个16位字,可见它非常适合于多路采集系统需要。
处理器所采用的TMS320VC33是TI公司的一种DSP芯片，除具有一般浮点DSP的优点之外，还具有众多的内部资源：34K×32位双存取的SRAM，4K×32位的片内屏蔽式的ROM，还包括一个串口、两个定时器及DMA控制器等，为设计提供了很大的便利。由于它采用了内部

1.8V、外部3.3V供电，因而功耗比原有型号降低了大约一个数量级。

处理器与模数转换间的逻辑控制用CPLD完成。本装置使用Xilinx公司的CPLD器件——XC95144。XC9500系列器件的最快达3.5ns，宏单元数达288个，可用门数达6400个，系统时钟可达到200MHZ。XC9500系列器件采用快闪存储技术（Fast FLASH），功耗低。XC9500系列产品符合PCI总线规范；含JTAG测试接口电路，具有可测试性；具有在系统可编程（ISP：In System Programmable）能力；具有5v和3.3v工作电压混合模式；有很好的保密和抗干扰能力等等。XC9500系列可提供从最简单的PAL综合设计到最先进的实时硬件现场升级的全套解决方案。由于TMS320VC33的I/O口电压为3.3V，为了与其匹配， AD7656数据逻辑输出电压也应为3.3V，即将TMS320VC33的DVDD与AD7656的VDRIVE同接到+3.3V电源。
下面考虑AD7656与TMS320VC33接口电路的设计。如图5，是AD7656与TMS320VC33接口电路原理图,为了简化两片AD7656只画出一片。
高压输电线路微机保护输入的9路模拟信号需要两片AD7656芯片来完成。两个芯片的6个采样使能端CONVSTA/B/C连在一起，这样可以进行9路模拟信号同步采样。模数转换完成后，数据存储在输出数据寄存器中，BUSY电平降低，两个芯片BUSY信号在CPLD中进行或逻辑，则两个芯片的模数转换全部完成再通过CPLD触发DSP中断，DSP在中断处理程序中读数据。、、接地则输出为并行模式，可一次读出16位数据。通过片选和可以连续读出一个芯片6个通道的数据，然后通过CPLD的地址译码选择另一片AD，再读出3路数据，则可读出全部9路数据。
3、数据采集

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系统软件设计
数据采集系统软件设计的主要功能是完成数据采集，把数据读取到数据存储器，由DSP处理器进行数据分析与处理。数据采集的流程为：DSP完成初始化自检后，首先设定定时器时间间隔，开放DSP的外部中断，启动定时器。当定时采样周期到，定时器输出通过CPLD向A/D发采样命令，启动A/D转换。数据采集工作主要在A/D中断怎么写作子程序中进行。当A/D转换完成后向DSP发出中断请求信号，DSP程序转入外部A/D中断怎么写作子程序，连续6次读取6路数据，然后通过片选选取另一个芯片，再次读取3个通道的转换结果，两次完成全部数据采样。数据采集系统A/D中断怎么写作子程序流程如图6所示。
4、结语
以上较完整的论述了应用于高压输电线路微机保护的新型数据采集系统设计的各个部分：模拟量处理、模数转换及其与DSP处理器的接口、软件流程等。该系统具有采样速率高、精度高及高可靠性、高度集成化和开放性等特点。
参考文献
杨奇逊.微型机继电保护基础.水利电力出版杜,1987.
兀鹏越,俞霄靓.基于DSP的分布式微机保护测控装置的硬件设计.现代电子技术,2007,(21),109～111,114.
[3]TMS320VC33 Data Sheet[M].Dallas: Texas Instruments Incorporated,2004.
[4]AD7656 Data Sheet[M].Sunnyvale: Analog Devices,2004.