摘 要： 為了在完成數據采集的同時還能進行各種處理和控制，設計開發了一種基于DSP和CPLD技術的高壓容性設備介損在線監測終端。闡述了該終端中高速A/D轉換電路與 DSP接口電路、鎖相倍頻電路及其他通訊接口電路的具體實現方法，以及基于DSP采用優化的傅里葉變換求取介質損失角正切(tgδ)的方法。經試驗表明，系統工作穩定可靠。
關鍵詞： 高壓容性設備； DSP； CPLD； 介損測量； 在線監測
電容型設備(電流互感器、耦合電容器、電容式電壓互感器和高壓套管等)在電力系統設備構成中占相當大的比重，這些設備的安全可靠是實現整個電力系統運行的基礎。而電氣設備(尤其是高壓設備)損壞事故中很大一部分是絕緣損壞引起的，通過對其介電特性的監測可以發現尚處于早期發展階段的缺陷。絕緣材料的介質損失角正切(tgδ)是反映高壓電氣設備絕緣性能的一項重要指標，通過測量tgδ可以發現電力設備絕緣系統的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷[1-2]。而及時、有效地發現絕緣存在的缺陷對于保障電網安全具有重要意義。
介質損失角正切(tgδ)的在線監測，關鍵是如何準確獲得并求取兩個工頻基波電流信號的相位差。早期采用在模擬信號處理基礎上的“過零比較法”[3]，通過計數器方式獲得兩個信號的時間差，然后再根據信號周期轉換成相位差。該方法對硬件電路穩定性要求高，電路自身的漂移及諧波的干擾影響均難以克服。本文以電容性設備中的高壓套管為例,討論一種基于DSP+CPLD模式的容性設備介質損耗在線監測終端的開發與設計。
1 高壓容性設備介損在線監測系統結構及原理
系統結構如圖1所示。監測終端在接收到數據處理服務器發出的同步采集命令后，系統電壓監測終端及容性設備監測終端跟蹤系統頻率,并利用參考源實現同步采樣。各監測終端采樣處理后，電壓監測終端將采集處理后的結果數據向系統廣播，容性設備監測終端接收到系統電壓監測終端的數據后做數據處理，并將結果數據通過CAN現場總線發送到安裝在控制室內的數據處理服務器。數據處理服務器處理、存儲數據，并通過專家診斷系統進行橫向縱向比較、診斷、預警，從而實現絕緣狀態的在線監測。
工作原理：由于被測設備末屏電流很小，在測試時易受現場各種干擾的影響，因此，在設計信號取樣方式時，采用穿芯式零磁通電流傳感器技術，補償溫度變化給測量帶來的漂移；利用瑣相環及CPLD實現跟蹤電網頻率，使每周波采樣點數相同，動態改變采樣周期，消除電網頻率變化給測量帶來的影響；采用DSP及高精度A/D同步采樣技術及優化的傅里葉分析法，求得幅度、相位和相位差等，進而得到所需的介質損耗、泄漏電流、等值電容等電氣參數。
2 現場監測終端硬件結構
基于DSP+CPLD的現場監測終端硬件結構示意圖如圖2所示。現場監測終端的主要任務是接收到數據處理服務器的命令后，同步高速采集4路模擬信號(A、B、C及參考源4路電流)，對所采集的周波數據做離散傅立葉變換，得到各路信號基波及3、5、7、9次諧波的幅度及相位；再計算A、B、C各相與參考源的相位差及各相的電流幅值。介損值是利用兩個相同結構的監測終端的同相相位差相減，得到介損角δ，再求取tgδ。
2.1 數字信號處理器TMS320F2812[4-5]
該終端的主處理器采用美國TI公司的DSP芯片TMS320F2812,該芯片是工業控制領域的一款高端產品，是技術先進、功能強大的32位定點DSP 芯片。采用哈佛總線結構，具有3個32位高性能的CPU定時器，時鐘頻率支持動態改變鎖相環的頻率，片上資源擴展性強，處理速度高達150 MIPS，最高頻率為150 MHz，指令周期為6.67 ns，采用8級流水線的工作方式。它既具有數字信號處理能力, 又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特別適用于有大批量數據處理的測控場合[1]。具體如下[4,6]：
(1) 靜態CMOS,主頻可達150 MHz,低功耗(核電壓1.8V、I/O電壓3.3 V) ;
(2) 128K×16 bit片上Flash、18K×16 bit上SRAM、4K×16 bit上BootROM。
(3) 外部存儲空間接口:最多可達1M×16 bit,提供3個獨立的片選信號,讀/寫時序可編程。
(4) 動態PLL ,可由軟件編程修改主頻和片上看門狗定時器的計數值。
(5) 外設中斷擴展模塊,最多支持45個外部中斷。
(6) 用于電機控制的外設:2個事件管理器(與C240x 器件相容) 。
(7) 多種標準串口外設:1個SPI 同步串口、2個UART 異步串口、1個增強型CAN總線接口、1個McBSP 同步串口。
(8) 12位A/D轉換器:16通道、雙采樣/保持器、2×8多路切換器;
(9) 56個獨立可編程、復用型、通用I/O口。
采用TMS320F2812的另一原因是它可方便地實現2 048點FFT算法的需求，利用Altera公司CPLD器件豐富的I/O引腳,可通過編程方便地控制每個引腳的狀態以及相互間的邏輯關系[4]。
2．2 跟蹤電網頻率及鎖相倍頻電路設計
在周期性電參量的測量中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關鍵。所謂同步采樣就是將信號的一個周期或多個周期進行均勻離散，在每一離散點處取其信號的瞬時值。同步采樣有利于離散傅立葉變換，減少頻譜泄漏，進而減小誤差。
鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統。鎖相環主要由相位比較器、壓控振蕩器和低通濾波器三部分組成，如圖3所示。其工作原理是壓控振蕩器的輸出U0接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號UI與來自壓控振蕩器的輸出信號U0相比較，比較結果產生的誤差輸出電壓
正比于UO和UI兩個信號的相位差，經過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓Ud。這個平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定,即同步,稱作相位鎖定[2,5]。
A/D采集的控制信號由鎖相環倍頻輸出決定，鎖相環跟蹤電網頻率，利用CPLD將電網信號倍頻，可準確控制每周波信號內固定采集2 048或4 096點，假設信號頻率是50Hz，即采集頻率為102.4 kHz或204.8 kHz。本終端鎖相倍頻電路設計如圖4所示，電網頻率信號經調理電路調理后，再經LM311、TLP121、CD4093整形隔離后輸入到鎖相電路CD74HC4046，鎖相電路的輸出信號VCO經CPLD倍頻后輸入到CPIN。
2.3 A/D轉換電路設計
為滿足較高速度同步采集及系統精度要求的需要，本監測終端選用了ADI公司的6通道16位AD7656芯片，圖5為具體的A/D轉換應用電路。
(1) V1～V4是接經互感器并調理后的四路輸出電壓信號，DB0～DB15及/RD經隔離及電平轉換后分別接DSP的數據線D0～D15及/XRD。
（2） CONVST、/CS、BUSY、RANGE、RESET經隔離及電平轉換后接到CPLD上。CPLD得到DSP采集開始電平信號后，使片選/CS有效，控制CONVST啟動轉換，轉換結束后BUSY通過CPLD使DSP產生中斷，DSP讀取并暫存數據。
2.4 其他電路
除了以上基本模塊外, 還有一些輔助電路, 如CAN總線接口電路。TMS320F2812集成了CAN控制器，擴展一片CAN收發器就構成了CAN接口電路、CPLD測量電網頻率部分電路、參考電源電路、高速光耦隔離電路等。它們也是系統中不可缺少的部分。
3 監測終端底層軟件設計
借鑒實時操作系統編程思想，在嵌入式軟件設計中利用定時觸發并引入消息處理的方法。監測終端的消息可分為：數據處理服務器命令、其他監測終端的廣播信息、系統接口電路產生的狀態信息、定時觸發消息。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時接收。自檢故障處理消息優先處理，在中斷中直接完成。圖6是本終端的主程序流程圖，可用來完成數據的采集、處理和傳送。
監測終端數據處理軟件主要功能由DSP來完成，DSP把這些消息處理后的結果通過CAN總線打包上傳。
4 數字化介損測量技術的實現
測量工作流程如下：
(1) 上位機（或通信控制器）發一條廣播命令，命令所有現場監測單元在接到廣播命令后立刻同時采樣；利用參考源實現同步。
(2) 容性設備監測終端接到廣播命令后，對泄漏電流IX和基準源U0i同步采樣，將采樣的數據進行離散傅里葉變換(DFT)，分別得到兩信號的基波傅里葉系數。電壓監測單元執行同樣的操作計算出PT二次電壓UX和基準源U0i的基波傅里葉系數。
(3) 現場監測單元測量結束后，系統電壓監測單元廣播該單元的測量結果。
(4)容性設備監測終端接收到系統電壓監測單元的數據后做數據處理，并將結果數據通過CAN現場總線發送到安裝在控制室內的數據處理服務器。
(5) 計算IX、U0i的相角差，UX、U0i的相角差，則如圖7所示的電容型設備的介損角δ和電容量C由下式求得：
(6) 重復步驟(1)～(5)進行N次測量，并將其結果進行平均值計算，所得的平均值即為本次一相設備測量的結果。
5 試驗應用
對本監測終端進行電磁兼容性能測試，試驗時樣品無損壞，試驗后可正常工作，測量數據正常。同時也進行了高低溫、交變濕熱測試，結果表明，各項指標均滿足系統要求,該終端經三個月的實踐試驗各項指標均達優秀,被試設備可正常運行。表1為交變濕熱試驗結果。
本文介紹了高壓容性設備絕緣在線監測系統中的主要監測終端的軟硬件設計與實現,利用給設備供電的工作電源作為參考源，實現兩路遠距離信號的同步采集?；贒SP采用優化的傅里葉變換求取各路信號相位,再求取相位差，并將采集信號就地進行數字化處理以消除干擾，解決了被測模擬信號的長距離傳輸問題。該方法最大優點是不需要使用復雜的模擬處理電路，長期工作穩定可靠，且有效抑制了諧波干擾。為消除電網頻率變化所帶來的測量誤差，利用鎖相環及CPLD分頻實現電網頻率跟蹤，使每周波采樣次數相同；利用CPLD的高速計數器測量信號頻率，同時簡化DSP與ADC的接口電路。充分利用DSP及CPLD技術，使得監測終端真正實現了集數據采集、頻譜分析、數據處理、CAN現場總線通信于一體，成為分布式系統結構的高壓容性設備絕緣在線監測系統的智能節點，避免了電流或電壓信號長距離傳輸帶來的衰減及外部干擾的影響，值得應用和推廣。
參考文獻
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