摘　要：電力系統中經常需要測量多路電壓及電流信號,當電網頻率變化時,必須采用同步技術才能保證采樣計算的精度。結合發電機勵磁控制裝置采樣模塊的實現,介紹了利用新型DSP芯片TMS320F2812實現多通道同步交流采樣的硬件電路及軟件程序,通過試驗進一步驗證了新型DSP在電力系統自動化控制中的適用性和優越性。所提出的方案對交流電參量微機測量裝置的軟、硬件設計具有一定的參考價值。
 
關鍵詞：同步采樣 交流采樣 勵磁控制 DSP TMS320F2812

隨著我國電力事業的快速發展,電力系統對發、輸、配、用電量的采集也有了更高的要求。電量采集作為電力系統實時控制、監測、調度自動化的前提環節,毫無疑問具有重要的作用。但在電量采集過程中,由于存在諧波等干擾因素,因此如何準確、快速地采集電力系統中的各個模擬量一直是電力系統研究中的熱點[1]。
 
根據采樣信號的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣算法簡單、便于濾波,但維護復雜、延時較長、無法實現實時信號采集,因而在電力系統中的應用越來越受到限制。交流采樣實時性好、相位失真小、投資少、便于維護,其缺點是算法復雜、對A/D轉換速度和CPU處理速度的要求較高[2]。隨著微機技術的發展,交流采樣有逐步取代直流采樣的趨勢。近年來,各種集成化單片DSP的性能得到很大的改善,價格大幅度下滑,越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產品性能。本文以TI公司新推出的2000系列DSP (TMS320F2812)為例探討DSP在電力系統交流采樣中的應用。

1 總體設計

勵磁裝置的電量采集除發電機定子機端電壓、電流外,勵磁電壓、勵磁電流及母線電壓也需一并考慮在一起,共九路模擬量。為了提高可靠性,還需加上第二組儀表PT時,則要采集的模擬通道數將增加為12路。因此需要從采樣精度、速度及經濟成本等多個方面權衡,選擇合適的采樣方式和采樣頻率,并注意強弱電的隔離和電磁干擾,從而確定最終的軟、硬件設計和元器件選擇。參考文獻[4]中詳細地分析了影響軟件同步采樣精度和硬件同步采樣精度的因素及改進措施。本系統采樣模塊利用硬件同步采樣方式,并通過硬件鎖相環同步環節直接控制采樣保持電路來獲得更高的同步精度。為了使采樣信號f *(t)能反映被采樣的模擬信號f(t), 采樣頻率必須滿足采樣定理,即采樣頻率fs必須大于模擬量所含最高次有效諧波頻率fmax的兩倍。實際采樣時一般使fs≥10fmax, 以保證采樣信號能夠準確地代表被采樣的模擬信號。采樣頻率過高時,會增加處理器的負擔,影響實時性。本系統設計時初步定為40點,即采樣頻率為2kHz左右。

圖1 交流采樣模塊硬件結構框圖

2 采樣系統的硬件設計

交流采樣模塊的硬件結構如圖1所示,它包括隔離變換電路、通道選擇電路、限幅電路、同步方波變換電路、模/數轉換及控制電路等。
 
隔離變換電路中利用帶有磁補償的霍爾傳感器將相關PT、CT送來的電壓、電流信號轉換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號。通道選擇電路利用兩片2選1模擬多路選擇器MC14053B,通過不同的編址選出不同的A、B兩組,同時采樣六通道模擬量。這兩部分電路比較簡單,不予詳述。

2.1 限幅電路

在模/數轉換中,如果A/D轉換器損壞,檢測和控制的功能就不能實現。出于安全考慮,在A/D轉換器前采用限幅電路,以保障系統的A/D轉換器安全。傳統的限幅器如齊納二極管限幅器、穩壓管反向限幅器、橋式限幅器等,都是利用二極管的擊穿特性限幅。在擊穿區由于二極管內阻并不為零,并有漏電流存在,所以穩壓值并非恒定而且不易調節。本系統所設計的限幅電路如圖2所示,設定UR=