基于DSP+CPLD的智能IED設計

　　2.1 軟件流程

　　首先是DSP相應功能的初始化，包括串口、定時中斷、部分用作控制線的I/O口。在數據處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網的頻率。隨后的工作就是讀取來自A/D轉換器的數據，一組128個分別對應兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數據分別進行FFT運算，運算的結果將進一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數據采集、運算、上傳過程如圖3所示。

　　圖3 IED數據采集、運算、上傳過程

　　需要DSP計算的參數是高壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，中壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，各相電壓電流的2～13諧波的幅值和諧波畸變率，以及高中壓三相的功率因素、介損角值。DSP算法要解決的難題是計算出2～13諧波和各相的功率因數。算法的核心是FFT算法。

　　智能電網最少也需要采集20路信號。首先是DSP的相關功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時中斷。然后通過普通I/O引腳作為觸發信號，依次選擇多路A/D輸入信號，這些信號通過信號調理電路在信號波形穩定后可以經過MAX125被采樣。通過數據總線傳遞給DSP，DSP經過一系列運算后得到功率因素、介損基波諧波含量，并將這些數據按照一定的數據格式打包，通過串口發送到ARM微控制器。AR M再將這些數據傳輸給上位機監控軟件。

　　具體代碼如下：

　　2.2 電網參數的計算

　　DSP接收到A/D轉換的數據之后就立刻進行計算。在本設計中，電網的諧波含量和諧波因素是計算的一個重點。在電力系統中諧波產生的根本原因是非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據傅里葉分析原理可知，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。

　　諧波可以區分為偶次與奇次性，一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網電壓/電流分解為50 Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來某個特定頻段上的諧波就顯而易見了。

　　除了諧波的計算需要使用到FFT算法之外，系統還有其他參量的計算。由于調用的功能模塊十分復雜，只對部分參數的計算過程進行描述。多數參數都是通過對采集點的離散積分求得的。

　　高壓A相電壓有效值：

　　高壓A相電流有效值：

　　單相電壓/電流諧波畸變率：

　　中壓A相電流諧波含量：

　　高壓三相電壓總諧波畸變率：計算出各相電壓的各諧波含量和基波含量，用總諧波含量除以基波分量。

　　單相電壓功率因數：由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實部)的反正切值。

　　單相介損：將末屏電流和對應相電壓分別作FFT運算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。

　　3 總結

　　該系統應用于智能變壓器系統中，可多個通道同步采集，轉換精度高。經實驗驗證，信號采集模塊的實時性和精度上都取得良好的效果，且工作穩定可靠。該系統采用高速14位并行A/D轉換器，簡化了接口設計，提高了讀取速度以及數據處理速度。通過CPLD實現各種復雜控制信號，通過改變XF引腳的電平，可以將外擴SRAM、Flash映射到數據空間或程序空間。DSP芯片通過CPLD芯片連接高精度數據采集芯片MAX125實現信號的多路高速同步實時數據采集，抗干擾能力強，并利用FFT算法準確計算出電網諧波因數、功率角、介損角。