电力系统继电保护装置A/D采集系统的设计

2015-05-30郑艳

工业设计 2015年3期

郑艳

摘要：介绍一种新的电力系统继电保护装置A/D采集系统设计方案。在硬件设计方面主控芯片选用英飞凌单片机C167，A/D芯片选择了4通道同步采样芯片AD7865AS，滤波电路使用二阶MFB有源低通滤波电路，不仅提高了数据转换精度、速度，并且降低产品成本等特点，软件设计方面提出一种新的数据算法，即快速傅里叶变换的算法，该算法提高数据的准确性及减少了计算量。

关键词：继电保护；模拟量；模数转换；快速傅里叶变换

1 引言

電力系统继电保护装置一般由微机主控单元、模拟量采集系统、开关量输入，开关量输出，人机对话，外部通讯等6部分组成，而模拟量采集系统是电力系统继电保护装置重要部分之一，电力系统继电保护装置模拟量输入信号包括二次回路系统的电压量、电流量、频率等，模拟量采集系统最终计算出线路上的电流电压量等，根据保护判据做出例如跳闸、合闸、发信号、告警等一系列保护动作。模拟量采集系统的设计是保护装置的重要环节，设计重点是采样数据的精确性。为此，本文以模拟量输入信号电压信号为例介绍电力系统继电保护装置模拟量采集系统的硬件部分基本电路设计和软件部分的设计。

2 硬件部分设计

模拟量采集系统硬件电路设计功能框图如下：

2.1 模拟电压信号输入及变换

从现场PT来的电压信号额定电压大约是57V，而A/D芯片能接收的电压不高于IOV。所以需要电压互感器将电压变换成不高于IOV的电压，并且电压互感器也起到接收到的外部信号与保护装置内部信号隔离的作用。互感器的输出端放了一个瞬态电压抑制器TVS，保TVS能吸收瞬时大脉冲，把电路电压箝位到预定水平，从而保护互感器的后部分电路。

2.2 低通滤波电路

低通滤波电路起到抑制高频干扰信号的输入，以便采样时满足采样定理的要求。本文采用的电路图如图2，为二阶MFB有源低通滤波电路，采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。

2.3 A/D模数转换器

以往设计的时候选择单通道串行数据采集的A/D，成本高速度慢。为了改善以上缺点，该电路选用了AD7865AS芯片，AD7865AS芯片是美国Analog Device公司生产的一种高速，低功耗，四通道同步采样的14位AD转换器，AD转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。

2.4 驱动电路

由74LS245芯片构成的电路起到数据及地址总线驱动作用，并起到主控CPU电路隔离干扰的作用。

2.5 主控CPU

本例使用主控CPU芯片Cl67CS是英飞凌C166家族全功能单片CMOS微控制器的高性能高端产品，允许使用高级语言对系统进行开发，拥有高达l6MB的寻址空间，IIKB的内部RAM（随机存取存储器）和l28KB的内部ROM（只读存储器），并且能够对使用外部总线的各类资源进行更系统的管理。

3 软件设计

3.1 A/D采样过程

软件设计主要是对AD7865控制芯片C167进行编程，主要包括两方面，一是采样频率的同步，二是对采样数据的读取。A/D采样时序图如图4所示。主控CPU给一个负脉冲启动A/D转换，在的上升沿，各路模拟信号被同时采样。脉冲宽度为AD转换时间，当BUSY输出为高电平，标志着转换正在进行，不能进行新的转换，当它的输出出现下降沿时表明各通道转换结束。在各个通道全部转换完毕时，通过控制和变低将转换结果依次读出。

3.2 快速傅里叶变换的算法在模拟量采集系统中的应用

数据采集后需要得到电压的有效值，我们抛弃以往采用均方根的算法，而选择快速傅里叶变换（FFT）算法。FFT算法有许多优点，可有效滤除信号通道中的直流分量，即消除了零漂。可方便得到基波及多次谐波的有效值，方便其他保护算法的应用，并且运算速度快，以下具体阐述快速傅里叶变换的算法获得电压信号的幅值及相位的过程。可以把电压输入信号表示为：

也可合并为：

其中

根据离散傅里叶变换有

其中：n表示时域中一周期的采样点数，n=0，l，2…，N-1；k=0，1，2…，N-l。

将u（t）表示成傅里叶级数的指数形式：

其中：

根据傅里叶指数形式和三角形式的关系根据傅里叶变换性质得到：

要将连续的周期信号的傅里叶级数和DFT联系起来，就需要在时域内对u（t）进行抽样，抽样间隔为T。一周期内的抽样点数为N，则

比较（6）和（9）式子，可得：

将（9）式带入式（7）、（8），得到电压的k次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为：

得到的C_K和Ф_k就可以进行有功功率功率和无功功率的计算，及谐波分析等。

4 结语