基于dsPIC30F系列芯片和准同步采样算法的三相电量采样装置设计*

赵 煜, 杨 玺, 陈 皓, 王 然, 王秋银, 杨婷娜, 鄢顺才

(云南省能源研究院有限公司, 云南 昆明 650500)

0 引 言

随着科技的不断进步,在电力系统中数字化测量技术的应用越来越普遍,因此很大程度上提高了其自动化程度。本文主要研究准同步采样的基本原理和测量交流电气参数的相应方法,并对电量数据采样装置硬件电路进行了设计研究。一般情况下,应用同步采样方式测量电气参数,该方式对电网频率和采样间隔要求非常严格,要求两者必须同步。通常设计采样设备时,会选择电网频率锁定以及外部硬件锁相环电路跟踪,为了保证采样频率发生变化,还要求完成AD采样时钟的自动化更新[1]。在一般情况下,相较于电网频率,锁相环电路的输出频率更低,因此整个系统在同步过程中会有误差,从而导致采样无法同步。而且电网内部具有非正弦波,可能会对过零检测产生了一定的干扰,更甚者,可能会导致PLL锁相故障,影响系统正常运行。本文所设计的三相电量采样装置,巧妙地利用了dsPIC30F系列芯片强大的DSP内核计算功能,通过准同步采样方法和数据迭代运算,实现了三相电量数据基波和高次谐波的高精度采样,并可以实现同步采样的效果和精度[2]。

1 硬件设计

1.1 装置整体硬件结构

本文研究的三相电量数据采样设备由主CPU、三相电压、LCD显示部分、看门狗复位、ICD2仿真调试接口、RS-485通信、数字信号输入输出以及装置开关电源电路等组成。CPU主控芯片选用Microchip公司高性能带DSP运算内核的 dsPIC30F6014A高性能的16位系列单片机,装置设有4 路开关量输入端子,用于装置TA变比、TV变比、通信地址等数据参数的设定等。还设有两路数据输出接口,实现电能脉冲输出功能,提供一个RS-485串口,用于数据传输。三相电量采样装置硬件结构如图1所示。

图1 三相电量采样装置硬件结构

1.2 电源部分

本文所设计的三相电量数据采样装置开关电源单元是一种反激式电源变换器。装置开关电源设计原理如图2所示。

图2 装置开关电源设计原理

电源单元工作时交流电压通过整流和滤波处理后,作为输入电压输入到T1的一次侧绕组上。箝位电路的构成包括电阻R2、R3、电容C3、二极管VD5和稳压管VR1,其作用就是将漏极的漏感关断电压最大尖峰值控制在安全阈值之内。齐纳二极管VR2用于对输出电压的调节,若将该电压和光偶LED正向电压降两者相加仍然低于输出电压时,电流的流向为光偶LED方向,进而对晶体管的电流起到下拉作用。对于使能引脚阈值电流而言,若该电流更高时,会对后面的开关周期产生抑制作用。对于反馈阈值而言,输出电压下降的更低时,会使能一个开关周期。借助于对该周期总量的调节,从而调节输出电压。如果电路中的负载减小,使能周期也会变小,因此开关频率也会随之减小,电路中的负载作为依据减小了开关损耗。如果在负载非常小的条件下,就能够保证效率的恒定性,从而符合能效标准的要求。在该装置应用中需要DC 5 V和DC 2.5 V电源,使用L7805ABV及分压电路分别实现。

1.3 电压信号采样

本文设计的装置中三相电压采样采用直接电阻分压采样方式实现,电压信号采样和调理电路如图3所示。

图3 电压信号采样和调理电路

电网电压信号采样放大电路的采样回路是电阻分压电路,输入端相电压加在R3、R10、R12串联回路上,C2、C3和R8、R10电阻组成电桥并联在R10采样电阻上,电桥的一个对角短接、接模拟地,信号则从另一对角引出,输出电压信号送入U1B跟随器,目的是提高输入电阻并起到信号隔离的作用。由于dsPIC30F6014A芯片AD转换通道信号转换电压为0～5 V DC信号。需要将采样电压信号调理到适合的范围,通过基准电压电路和加法器电路,将双极性的采样电压信号抬升2.5 V形成0～5 V的单极信号,使得信号类型和幅值符合dsPIC30F6014A芯片AD信号输入要求。

1.4 电流信号采样

装置选择应用电流互感器TA和信号放大及调理方式完成三相电流信号的采样,电流信号采样和调理电路如图4所示。

图4 电流信号采样和调理电路

装置电流信号采样,首先采用专用仪表互感器(TA变比5 A/2.5 mA)将大电流信号变为小电流信号,通过R48、R52采样电阻将电流信号变换为电压信号接入加法器同相端;其次,通过信号叠加、隔离、信号极性变换和放大等信号处理,使得信号类型和幅值符合dsPIC30F6014A芯片AD信号输入要求。

1.5 通信

该装置设计有RS-485通信接口,可实现对装置的数据校准和后台系统之间的数据通信,RS-485通信电路如图5所示。

图5 RS-485通信电路

本装置中RS-485通信接口采用MAX485CPA通信管理芯片实现电平转换和数据收发。一端与核心控制芯片dsPIC30F6014A芯片的UART接口连接,一端与外部通信系统联结,数据收发通过高速光耦进行电气隔离,R77为120 Ω电平匹配电阻,TVS1、TVS2、TVS3为双端稳压管,可有效防止外部通信线路过电压信号烧毁通信管理芯片。装置通信协议采用的是Modbus RTU 协议,通过RS-485通信接口与PC相连,可以实现装置参数整定和精度校准,也可实现与第三方系统和设备之间RS-485通信等。

2 系统软件设计

2.1 准同步采样算法

2.1.1 准同步采样算法原理和实现过程

同步采样与准同步采样相对比而言,必须要求电网频率和采样间隔之间的同步性,因此为了能够对电网频率准确跟踪,就要求外加硬件锁相环电路进行配合,同时为了使采样频率发生改变,还需要完成AD时钟的自动化更新。相较于电网频率而言,锁相环输出频率通常会存在滞后性,因此会导致系统内部在同步性上具有误差,完全同步采样不能实现[3]。如果电网系统内存在谐波电流的情况,就会对电路过零检测产生干扰,更甚者还会造成电路发生故障,无法正常工作。但是,在实用性方面准同步采样方法具有自身的优点,在时间电网中短时间内电网的频率变化不是很大,能够应用等间隔采样,就不需要对同步性提出严格要求[4]。本装置在定期采样电气参数时,选择应用准同步采样方式,不需要与电网频率保持严格的同步性。

准同步采样原理如图6所示[5]。

图6 准同步采样原理图

将获取的数据进行处理后,再进行迭代计算,就能够将采样不同步时形成的干扰误差去除,从而保证基波以及高次谐波的精准度。在处理数据的过程中,为了保障测量的精准度可以适当提高迭代次数,通常都会进行3～5次迭代运算,就能够获得很好的精度效果。同时,完成迭代数量、采样点数以及数值求积方式确定后,就能够确定准同步函数的系数,从而完成准同步函数数组的提前创建[6-9]。在进行应用时,采样的模拟信号要求为连续,同时需要通过离散算法处理采样数据。以上过程可通过下列迭代表示。

第一次迭代,当n=1时,

(1)

第二次迭代,当n=2时,

(2)

第三次迭代,当n=3时,

(3)

第N次迭代,当n=N时,

(4)

f(xi)——第i个采样数据;

n——迭代次数;

N——第N次迭代;

Pi——权重系数,由数字求积公式决定。

该装置准同步采样算法使用复化梯形求积算法来实现,准同步采样算法3周期迭代过程如图7所示。

图7 准同步采样算法3周期迭代过程

在本文设计的装置应用中,相邻周期内电网频率偏差 Δ 通常很小,通过3次的迭代即能获得好结果。

式中:ηi——权重系数;

Qi——准同步窗函数。

完成数值求积方式以及采样点的确定之后,就能够确定准同步窗函数的系数,在软件系统中进行准同步窗函数序列的提前创建。通过该函数对初始数据进行加权就等同于数据同步的过程,同时在实现算法上也相对容易,只要求将准同步窗函数序列和初始数据进行乘法运算即可[10-12]。完成数据处理后,获取周期信号的频率分量以及周期和初始数据一致,同步误差也会缩小。准同步窗函数特性曲线和数据处理(64点/周期)如图8所示。

图8 准同步窗函数特性曲线和数据处理(64点/周期)

2.1.2 准同步采样的数据分析算法

通常情况下,电网系统内的电流以及电压信号中都存在谐波分量的周期信号,能够用指数或三角傅里叶级数表示。周期为T,周期信号的表达式为

(5)

其中,

(6)

如令g(t)=f(t)cos(kωt),且周期为 2 π。从而可证明g(t)也是周期为T的周期函数。对g(t)在[0～T]内求平均值,可得

(7)

将式(7)带入式(6)中,可得

(8)

(9)

综合以上分析,基波电压和各次谐波电压可表示为

Uk(t)=uakcos(kωt)+ubksin(kωt)=

ucksin(kωt+Ψuk)

(10)

总电压均方根可表示为

(11)

基波电流和各次谐波电压可表示为

(12)

总电流均方根可表示为

(13)

根据相关定义,可将基波和不同谐波的有功功率以及无功功率表示为

(14)

(15)

将AD采样获得的电流、电压数据采用复化梯形算法进行准同步处理,再进行离散傅里叶变换(DFT)和运算,即可获得三相基波及谐波电流、三相基波及谐波电压、功率、电能等电量参数。

2.2 装置软件系统设计

装置软件系统开发通过MPLAB IDE集成软件开发平台进行,采用C语言和汇编语言混合编程,实现系统的初始化设置、三相电压和电流采样、准同步处理、离散傅里叶变换(DFT)、电量参数计算、显示、通信、人机交互等功能,系统主程序软件框图如图9所示。

图9 系统主程序软件框图

3 装置样机和试验效果

按照以上设计,完成了三相电流及电压采样电路、开关电源及通信、LCD液晶显示电路等设计和PCB电路板制作,并完成了装置的组装和测试。装置试验样机如图10所示。

图10 装置试验样机

4 准同步采样算法和非同步采样算法的精度分析

当计算电压、有功/无功功率以及电流的过程中选择应用准同步采样算法进行计算,在补偿以及算法上的约束比较严格(对比中心频率来说,偏移量的阈值范围必须保证在1%以内),3次迭代准同步采样误差分析如图11所示。

图11 3次迭代准同步采样误差分析

当测量频率在47.5～52.5 Hz时,算法迭代运算良好,具有相对较高的精度,以上4个参数的计算误差均在2.5%以下;当测量频率接近50.25 Hz时,计算误差最小,几乎接近于真实值;同时可以看出随着频率偏离范围的增大,误差出现了明显增加的趋势。非同步采样算法要求将电网频率假设为一个固定值,以该值和一个周期内的采样数量为依据完成定时器定时值的确定,从而满足同步的要求[13-15]。如果该值和电网频率不相同或者出现改变的情况,非同步采样的同步误差相当大,对精度要求较高的场景是不适用的。

5 结 语

本文提出了一种适用于中低压电网的新型电量数据采样装置的设计方案,并成功完成了装置样机的研制,设计采用dsPIC30F系列处理器、电源管理芯片、通信管理控制芯片等构成,软件上采用基于复化梯形的准同步采样频率测量算法,结构简单、功能完备、数据精度高,能够高精度测量三相电网中的所有常用电力参数,如无功功率、三相电压、功率因数、有功功率、视在功率、三相电流谐波、三相电流、频率、三相电压谐波、四象限电能等功能。该装置具有安装方便、接线简单、维护方便等特点,可广泛应用于各种能源管理系统、配电网自动化系统、开关成套设备等应用场景中。