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１　引言

隨著電力系統新型負荷及非線性負荷的大量增加，電力系統的電壓和電流波形會發生嚴重畸變，從而給電力系統帶來很大的“電網污染”。特別是用戶內部短路以及開關操作、變壓器或電容器組投切時的短時中斷均會引起暫態、瞬時過電壓以及電壓凹陷、凸起或短時供電中斷等電能質量擾動問題。同時電網系統中的諧波成份也越來越復雜，嚴重的電力“污染”對某些行業（如醫院的精密儀器、微計算機系統以及智能電子、工業過程控制中的微處理器等）構成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發電網崩潰的事件。所以，電力系統中電網數據的精確采集、故障判斷、數據處理已成為電網正確運行的焦點。

    現有的電網質量分析板受器件和分析方法的限制，大多對系統中的暫態、短時擾動信息難以快速、準確地捕捉。隨著高速數字信號處理ＤＳＰ　技術的發展及其制造成本的降低，ＤＳＰ技術在電力系統的各個研究領域得到了廣泛的應用。表１是ＤＳＰ方式與傳統芯片處理方式的能力對比，從中可以看出ＤＳＰ用作處理器的優勢。

表1 DSP與傳統芯片處理能力對比表    （３）對電壓、電流的ｌ～６３次諧波進行分析，給出幅度、相位以及三相電壓、電流的總畸變率；    由于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６僅有一個同步通訊口，因而設計中采用ＤＳＰ的ＵＡＲＴ擴展。同時由于輸入輸出接口的資源有限，故采用了ＣＰＬＤ擴展。圖２中將ＤＳＰ及電源、地、光電耦合器等做了簡化，有興趣的讀者可以查詢相關資料。本系統中１６Ｃ５５２的串口和并口都工作在中斷工作方式，１６Ｃ５５２的ＣＬＫ端外接１５．９７４４ＭＨｚ晶振時，可通過設置除數寄存器的高、低位ＤＬＭ、ＤＬＬ來確定通訊的波特率。    為了便于調試和實現程序加載、設置軟件斷點等功能，系統擴展了３２ｋ的快速ＳＲＡＭ來將程序、參數放入其中，調試成功后，可將待固化程序通過仿真器燒入ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的第一塊１６ｋ字的Ｆｌａｓｈ中，第二塊用于固化放置重要參數。為了調試方便和有效利用資源，程序、數據片選應采用圖３所示的連接方式，調試時程序選用前１６ｋ（８０００Ｈ～ＢＦＦＦＨ）的ＳＲＡＭ，后１６ｋ（Ｃ０００Ｈ～ＦＦＦＦＦＨ）用于存放數據參數。

２ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的硬件設計

基于ＤＳＰ處理板的主體設計思想是采用ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６構成數字處理系統，并以下位機為主體實現實時采樣、數據處理、分析和短時儲存，然后與上位機進行數據通訊，以及利用遠程計算機進行展示和數據庫存儲管理等。具體操作如下：

（１）用處理板測量并計算三相電流、電壓的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數；對４０Ｈｚ～２ＭＨｚ頻率輸入信號進行測頻采樣；

（２）對數據進行處理，分析查錯，給出報警類別，并給出開關量輸出信號以便進行開合閘操作；

圖2

（４）通過１６Ｃ５５２芯片ＵＡＲＴ擴展２個ＲＳ－２３２和一個ＲＳ－４８５接口以便與上位機進行數據交換，同時擴展一并行口以與打印機相連；

（５）用看門狗進行刷新、復位并實時檢測系統；

該處理板的主控芯片選用定點ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６。系統的硬件功能框圖如圖１所示。

該電網采樣數據處理板的功能是在數字信號處理芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的控制下完成的。數據采樣模塊采用的３片高速１４位Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸ１２５在工作時外接與１６Ｃ５５２公用的１６ＭＨｚ時鐘，因其并行接口數據訪問和總線釋放的時間特性與ＤＳＰ的特性兼容，因此，其轉換結果可由ＤＳＰ不加等待狀態而直接讀取。３片ＭＡＸ１２５在此用１２路進行同步采樣不用的通道為防干擾應接地。電壓、電流等模擬量通過變壓器轉換成－５Ｖ～＋５Ｖ的電壓，并在濾波后接入ＭＡＸ１２５，轉換開始信號由ＤＳＰ的引腳ＴＯＵＴ提供給３片ＭＡＸ１２５的ＣＯＮＶＳＴ引腳，并在上升沿啟動采樣，片內的時序發生器可控制指定的通道以使其按順序進行轉換，并將結果存儲在片內１４Ｂｉｔ×４的ＲＡＭ中，轉換結束后，每片ＭＡＸ１２５的ＩＮＴ引腳變低３片通過ＣＰＬＤ或門輸出給ＤＳＰ。讀取結果時，執行連續讀操作，第一次讀到的是第一通道的數據，第二次讀的是第二通道的數據，依此類推。

１６Ｃ５５２是ＴＩＴＬｌ６Ｃ５５２　、ＥＸＡＲＳＴ１６Ｃ５５２　 、ＶＬＳＩＶＬ１６Ｃ５５２　等公司生產的異步通信芯片。在采樣處理板中１６Ｃ５５２可作為ＲＳ２３２、ＲＳ４８５串口和打印機并口的擴展芯片，并通過ＭＡＸ２３２驅動芯片來和ＭＡＸ１４８６驅動芯片與上位機進行通訊。圖２為ＵＡＲＴ擴展的電路圖。

圖4

在硬件電路設計中，ｌ６Ｃ５５２的片內寄存器選擇線Ａ０～Ａ２以及讀寫信號均由ＤＳＰ直接控制。串、并行通道的片選線ＣＳＡ、ＣＳＢ和ＣＳＰ則由ＣＰＬＤ直接控制，可根據需要選擇串行通信方式還是并行通信方式。為防止干擾，系統加入了光電隔離器，由于ＲＳ２３２電平與ＣＭＯＳ電平不同，因此ＲＳ２３２驅動器與ＣＭＯＳ電平連接時必須經過電平轉換，ＭＡＸ２３２就是完成這一功能的。另外，用ＭＡＸｌ４８６來實現與ＲＳ４８５的通訊，該驅動芯片的ＯＥ、Ｈ／Ｆ可決定電路是工作在半雙工還是全雙工狀態，并可由ＣＰＬＤ來控制選擇。ｌ６Ｃ５５２的并口可直接連接到ＰＣ機的并口上而無須電平轉換。通訊時，通過中斷ＩＮＴ１～ＩＮＴ３可向ＣＰＬＤ邏輯塊發生申請，并由ＤＳＰ響應。

該系統能測量４０Ｈｚ～２ＭＨ的信號頻率。測量工頻時，電網信號經變壓器降壓后，再經過濾波器和比較器送給ＣＰＬＤ進行計數測量。８ＭＨｚ（ＣＬＫ）晶振脈沖輸入可以使用單獨的有源晶振，也可以用ＣＰＬＤ對已有的１６ＭＨｚ晶振分頻得到。

選用完成系統電源監控的看門狗復位芯片ＭＡＸ１２３２，可設置為自動刷新和手動復位結合方式。當電壓檢測器監控到Ｖｃｃ低于所選擇的容限時，系統將輸出并保持復位電平；以使ＤＳＰ能在一定時間內觸發ＳＴ端來刷新看門狗。如果ＳＴ在２５０ｍｓ間隔內未觸發，ＭＡＸ１２３２自動發出信號來復位系統。

３ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的軟件流程

該數據采集處理板通過ＴＭＳ３２０Ｆ２０６內部定時器中斷來啟動Ａ／Ｄ轉換，中斷周期被設置為每周波采樣６４點，即約３１２．５ｎｓ觸發一次中斷。ＭＡＸ１２５的１２路Ａ／Ｄ轉換完成后，電路將觸發中斷信號ＩＮＴ０給ＤＳＰ。實時數據由ＤＳＰ通過連續讀脈沖將數據存到內、外部擴展ＲＡＭ或通過通訊擴展芯片傳給上位機。當數據采樣達到６４個點后，開始執行ＦＦＴ單元。通常將ＦＦＴ算法程序塊存到ＤＳＰ內部存儲單元Ｂ０中，該單元是一個６４點同址基２ 時間抽取的ＦＦＴ模塊。通過ＤＳＰ算法可實現對各項電能質量指標及其它電參數的計算與分析，同時進行數據處理（包括諧波分析和不平衡度分析），也就是在采樣點采樣后實時檢測信號的峰值、有效值等信息，以判斷過壓、欠壓、振蕩等電能質量問題。最后將實時波形或分析譜結果傳送到ＰＣ上位機或其它網絡上。系統的每個采樣周期的時間分配見圖４ 所示。其軟件主程序和中斷處理程序流程圖分別見圖５、圖６ 所示。

４　結束語

我國對電網質量研究起步較晚，目前使用的電網質量檢測設備與發達國家還有一定距離，因此，電網污染問題仍然有待于進一步解決，傳統的采樣裝置有待于進一步優化提高，本文設計的電力采樣處理板采用ＤＳＰ芯片構成數字處理系統，以下位機為主體實現實時采樣、數據處理、分析和短時儲存，同時與上位機進行數據通訊并利用遠程計算機展示和存儲管理數據庫。實驗證明：利用該設備可提高系統的運算速度和精度而且性價比很高。</