高压输电线路微机保护新型数据采集系统的设计

杨玉坤，杨明玉

(华北电力大学，河北 保定 071003)

数据采集是电力系统微机继电保护装置中最基本的功能，电力系统微机继电保护装置的保护功能能否准确、快速地实现，在很大程度上取决于数据采集是否具有实时性和精确性[1]。随着电力系统的发展，继电保护装置数字化、智能化的趋势日益明显，各种保护新原理的不断提出，对电网微机保护系统数据采集的准确性、快速性要求越来越高。电子技术的飞速发展，电子元器件的性能也不断提升，设计一种应用于高压输电线路微机保护的新型数据采集系统尤为重要。下面就选取一个内部集成了采样保持器、多路转换开关的模数转换器和一款高性能的DSP设计的高压线路新型数据采集系统进行介绍。

1 数据采集方式及核心模块选择

数据采集系统由交流信号滤波模块、信号调理模块、A/D转换模块、DSP控制模块4部分组成，其核心部分是A/D转换模块和DSP控制模块。A/D转换器在DSP的指令下将模拟信号转换成数字信号，DSP控制A/D进行转换，在接到转换结束的中断响应后，将数据读出并进行计算处理。

1.1 数据同步采集方式的选择

通常多数多路信号采集系统采用共用一个模数转换器的方式，这种方式是分别将各路信号经过信号变换、低通滤波、采样保持，再通过多路转换开关连接到模数转换器来实现的。在这种方式下，要做到数据的同步采集必须同时对多个采样保持器进行控制。这种方式会增加电路的复杂性，降低可靠性，对模数转换器也提出了更高的要求。同时，由于多路转换开关的使用，带来了一系列的问题，如开关导通电阻的影响、通道切换过程中尖峰电压的处理、输入信号电压摆幅、高频采样时噪声的抑制等[2]。还有的多路信号采集系统各路分别设置各自的模数转换器，这将会使外围电路庞大，接口复杂，电磁干扰大。新型模数转换器在内部集成了采样保持器与多路转换开关，不需附加电路，就可以保证各通道数据采集的同步性。

1.2 模数转换器的选择

就微机保护而言，在选择模数转换器时，首先要考虑2个指标：一是分辨率，二是转换时间。模数转换时，模数转换器对模拟量的辨别能力称为分辨率，通常用二进制数字量的位数来表示。它决定了量化误差的大小，反映了转换的精度，对继电保护十分重要。微机保护一般采用12、14和16位的模数转换器，理论和实践指出，采用12位的模数转换器配合数字滤波器可以做到200倍的精确工作范围，当采用16位的模数转换器时，动态范围更容易满足微机保护的测量要求[3]。微机保护对模数转换器的转换时间有一定要求，一般应小于25 μs[4]。对于整个系统来说短的转换时间是非常有利的，它可以提高数据采集系统的效率，把更多的时间留给后续系统对数据的存储和处理。

经过多方面的考虑与权衡，最终选择ADS8364作为新型数据采集系统的模数转换器。ADS8364是TI公司的一款6通道16位分辨率且具有同步采样功能的模数转换器。其主要特性有[5]。

a. 带有80 dB共模抑制的6路全差分输入通道，每个通道都有独立的16位ADC和采样保持器，确保无误差的14位转换精度，可实现所有通道在高噪声环境下的同步、并行的采样与转换。

b. 采用外部时钟输入，最大为5 MHz时，4 μs内可完成所有通道的转换，对应最大采样速率250 ks/s，即0.8 μs的采样时间和3.2 μs的转换时间，整个过程在20个时钟周期内完成。

c. 灵活的高速并行16位数据接口，可以在直接寻址、循环采样、FIFO等模式下运行，每个通道的输出数据都可直接作为一个16 bit的字符。

d. 模拟与数字逻辑电源均采用单+5 V电压供电，而数字接口缓冲电源采用3～5 V电压供电，可灵活地与TI的各种电压类型的DSP器件进行接口设计。

e. 功耗仅为450 mW。

1.3 DSP的选择

TI公司的高性能32位定点DSP(TMS320F2812)的最高频率可达150 MHz，指令周期为6.67 ns，片内有36 KB的RAM，256 KB的高速Flash，事件管理EVA和EVB，包括通用时钟、PWM信号发生器等。可广泛应用于电力系统控制、电力转换以及通信设备、数字马达控制、工业自动化、电机控制以及工业现场控制等。

2 电路设计

2.1 信号调理电路

微机保护模拟量的设置应以保护功能为基本准则，输入的模拟量与计算方法结合后，应能够反应被保护对象的所有故障特征[3]。新型数据采集系统要具备全线速动保护(如高频保护或光纤电流纵差动保护)、距离保护、零序保护和重合闸功能。所以模拟量应设置为Iu、Iv、Iw、3I0、Uu、Uv、Uw、3U0、Ux(为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能)共9个模拟量。

ADS8364输入的模拟信号是双极性全差分信号，输入动态范围是0～5 V，对于不符合这个输入范围的信号，需要增设相应电路进行幅度调整。参考ADS8364使用手册，使用ADS8364内部提供的+2.5 V参考电压，采用如图1所示的电路，可以使各模拟量输入端接收±5 V的双极性电压信号。

图1 模数转换器的电压幅度调理电路

每路模拟量输入信号需3个运算放大器，当采用OPA4227(内集成4个运算放大器)时，共需7片即可满足9路模拟信号的电压幅度调整。其中，A1用来提高输入阻抗，增强系统的抗干扰能力；A2实现电平信号的转换；A3是跟随电路，用来提供2.5 V的参考电压。电路中的电阻器影响着输入信号的变换精度，因此必须采用温漂较小精密电阻。

每路模拟量输入信号经电流/电压变换器，通过低通滤波器即可与图1所示的电路相连接。电压变换器采用100 V/3.53 V的变比(二次侧额定电压为57.5 V时)；电流变换器采用100 A/3.53 V的变比(二次侧额定电流为5 A时)。每一路模拟量输入信号的信号调理电路见图2。

图2 每一路模拟量输入信号的信号调理电路

新型数据采集系统适用于反映工频信号的高压线路保护，可采用无源二阶滤波器，将高频分量滤掉。此滤波器的结构简单，过渡过程较短，能耐受较大的过载和浪涌冲击，对保护的快速动作十分有利。

2.2 模数转换器及其接口电路

图3为模数转换器及其接口电路图。将每片A/D的HOLDA、HOLDB、HOLDC引脚接至DSP的通用定时器信号T1PWM实现定时采样；地址线A1、A2全置高，A0置低，设置为“循环采样”模式；EOC为转换结束信号，将2片A/D的EOC引脚经或非门接至DSP的外部中断引脚XINT1，由此来触发中断使DSP即时读取各通道的转换结果；REFOUT为内部提供的+2.5V参考电压，REFIN为引入外部参考电压时的引脚，将REFOUT与REFIN直接相连，用内部基准作为A/D转换的基准源；将BYTE和ADD引脚置低，即设定总线宽度为16位，不包含通道信息(“循环采样”模式按CHA0到CHC1的顺序读数据)；CLK时钟输入信号接至DSP的信号发生器PWM1。

图3 模数转换器及其接口电路

3 数据采集系统工作流程

a. 采样保持。DSP的通用定时器信号T1PWM在采样时，将2片A/D的HOLDA、HOLDB、HOLDC保持至少20 ns的低电平后，9路模拟量的采样保持完成，启动模数转换。

b. 模数转换。2片A/D共12个通道同步、并行地将采样保持的数据进行转换，经一定的转换时间后转换结果被存入各自的输出寄存器。

c. 触发中断。当A/D的转换结果被存入输出寄存器后，EOC引脚将输出低电平信号作为转换结束的标志。当2片A/D均转换结束后，DSP的外部中断引脚XINT1被置高电平，从而触发中断服务程序。

d. 中断读数据。中断服务程序(如图4所示)首先将第1片A/D的CS引脚置低电平以将其选中，再将它的RD引脚多次置低电平，每置低一次，读出1个通道的16位转换结果数据。当所有通道的数据读取完毕后，将该片A/D的CS引脚置高电平，第2片A/D的CS引脚置低电平，以将第2片A/D选中。读取第2片A/D数据的过程同上。当数据读取结束后，向RESET引脚发出低电平脉冲，将A/D复位。

图4 中断服务程序

e. 数据处理。数据读取完成后，DSP马上进入数据的处理过程。下一个采样时重复上述过程。

4 结束语

选用ADS8364模数转换器和DSP(TMS320F2812)芯片，设计了一套应用于高压输电线路微机保护新型数据采集系统。该系统使用转换器ADS8364，保证了各通道数据采集的同步性，简化了外围电路，降低了电磁干扰，减小了系统软件的开销。系统对模拟量的采样具有较高的分辨率和转换速率，可以保证无误差的14位转换精度和4 μs的高速转换时间，满足了保护系统对数据采集准确性和快速性的需要。

参考文献:

[1] 李 波,陈剑云,黄 玮,等.基于TMS320LF2407的高速数据采集系统设计与实现[J].继电器,2008,36(5)：59-62.

[2] 杨志方,王泽成,涂 坦,等.基于FPGA的多路高速数据采集系统的实现[J].武汉化工学院学报,2006,28(3) ：58-61.

[3] 杨奇逊,黄少锋.微型机继电保护基础[M].3版.北京：中国电力出版社,2007.

[4] 薛永强.新型微机保护装置硬件平台的设计[D].山西：太原理工大学,2003.

[5] Texas Instruments Incorporated.ADS8364 Data Sheet[K].USA：Texas Instruments Incorporated,2002.

[6] 张卫宁.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设[M].北京：清华大学出版社,2004.