余英， 王健， 朱正國 ， 黃超 ， 劉海鋒(.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 58000；. 廣西星宇智能電氣有限公司，廣西 北海 536000)

淺析電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)

余英1， 王健2， 朱正國1， 黃超1， 劉海鋒2
(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2. 廣西星宇智能電氣有限公司，廣西 北海 536000)

隨著電子科技的不斷發(fā)展以及新算法的不斷提出，高速采樣在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到重視。分析了用FPGA控制高速AD采樣轉(zhuǎn)換器的高速同步采樣硬件的可行性，并且分析了用Verilog HDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上還分析了高速采樣系統(tǒng)對電力系統(tǒng)中的高次諧波的采集的可行性，在現(xiàn)場運(yùn)行的裝置錄波數(shù)據(jù)中驗(yàn)證了采用FPGA+AD實(shí)現(xiàn)高速同步采樣的可行性。

高速同步采樣；電力系統(tǒng)；高次諧波的采集; Verilog HDL硬件描述語言；絕緣損壞

0 引 言

電力系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，能憑借系統(tǒng)自身固有的能力和其他設(shè)備的作用，恢復(fù)到原始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式，或者達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式。保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件，只有在電力系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，電力系統(tǒng)才能向各類用戶提供符合質(zhì)量要求的電能。

在電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障中，對電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力設(shè)備危害最大，且概率最大的首推短路故障。短路故障指正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地(或中性線)之間的接通[1]。

產(chǎn)生短路故障的主要原因是電力設(shè)備絕緣損壞。常見的有：雷擊過電壓或操作過電壓引起絕緣子、絕緣套管表面閃絡(luò)(電弧放電)；由于絕緣材料老化等原因，在過電壓甚至在正常電壓下發(fā)生絕緣介質(zhì)擊穿；風(fēng)、雪、地震等自然災(zāi)害以及鼠、鳥等動(dòng)物跨接裸露導(dǎo)體造成短路[2]。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中所發(fā)生的故障類型按時(shí)間的長短可分為永久性故障以及瞬時(shí)性故障兩種。電力系統(tǒng)永久性故障指的是故障長期存在并穩(wěn)定于某個(gè)狀態(tài)。電力系統(tǒng)瞬時(shí)性故障則指的是電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)短時(shí)性不穩(wěn)定運(yùn)行的故障。

目前我國研發(fā)生產(chǎn)的電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)或其他裝置主要是針對電力系統(tǒng)的永久性故障。對于電力系統(tǒng)的瞬時(shí)性故障由于缺乏對電氣模擬量的有效高速同步采集而常常采用自動(dòng)重合閘的方式進(jìn)行提高供電可靠性，這種方式體現(xiàn)了無法實(shí)現(xiàn)高速采樣并通過算法檢測出電力設(shè)備絕緣狀態(tài)的無奈[3]。

我國在電力系統(tǒng)中對電氣模擬量信號(hào)的采集，無論是大規(guī)模使用的微機(jī)保護(hù)采樣系統(tǒng)還是數(shù)字化變電站中使用的采樣系統(tǒng)，每個(gè)工頻周期的采樣率基本都小于200點(diǎn)/周波，也就是說在電力系統(tǒng)中，能被現(xiàn)有的采樣技術(shù)采集到的有效諧波次數(shù)一般不會(huì)超過40次。而根據(jù)實(shí)際的工程實(shí)踐以及采樣定理的研究發(fā)現(xiàn)，在采樣率為200點(diǎn)/周波的情況下，裝置能夠分辨的最高諧波次數(shù)不會(huì)超過20次諧波，采樣點(diǎn)數(shù)少將無法獲取瞬時(shí)性故障的有用信息[4]。

因此隨著電子科技的不斷發(fā)展，高速AD轉(zhuǎn)換芯片、高速采樣控制器也越來越多的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。

針對上述情況提出了適用于電力系統(tǒng)高速同步采樣系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)。該技術(shù)采用FPGA控制高速AD采樣轉(zhuǎn)換芯片并在FPGA內(nèi)部開辟雙口RAM[5]，這樣保證了FPGA+AD轉(zhuǎn)換整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且降低了整個(gè)系統(tǒng)硬件成本。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于弧光檢測、絕緣監(jiān)察、雷擊過電壓檢測以及小電流接地選線等領(lǐng)域。

1 電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 互感器

目前微機(jī)保護(hù)或其他監(jiān)測電力系統(tǒng)電氣量的主要設(shè)備還是互感器，互感器主要分為電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器。由于電磁式互感器在傳變電氣模擬量時(shí)有磁飽和、相角誤差大、能量損耗大等缺點(diǎn)注定不適用于瞬時(shí)性故障的電氣量檢測，也不適用高速信號(hào)的檢測。

要實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的傳變，必須使用有源器件并且避免上述傳統(tǒng)的電磁式互感器的缺點(diǎn)?；魻杺鞲衅?、羅氏線圈正好可以滿足要求。電流的測量可采用羅氏線圈，而電壓的測量可使用霍爾傳感器。

羅氏線圈(Rogowski線圈)又叫電流測量線圈、微分電流傳感器，是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料商的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)時(shí)電流對時(shí)間的微分。通過一個(gè)對輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路，就可以真實(shí)還原輸入電流。該線圈具有電流可實(shí)時(shí)測量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒有相位誤差的特點(diǎn)，其可廣泛應(yīng)用于繼電保護(hù)，可控硅整流，變頻調(diào)速，絕緣監(jiān)測、雷電信號(hào)采集等場合。羅氏線圈具有以下特點(diǎn)：

(1) 適用電流范圍大，無飽和；

(2) 具有良好的線性度；

(3) 帶寬范圍大；

(4) 無二次開路危險(xiǎn)；

(5) 過流能力強(qiáng)；

(6) 不易受外界電磁干擾；

(7) 低功耗、重量輕、安裝方便。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻杺鞲衅骶哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

(1) 霍爾傳感器可以測量任意波形的電壓；

(2) 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離；

(3) 線性度好；

(4) 帶寬范圍大；

(5) 測量范圍大；

(6) 過載能力強(qiáng)；

1.2 AD轉(zhuǎn)換芯片

在電力系統(tǒng)中由于被測電氣量比較多，裝置研發(fā)生產(chǎn)廠家往往從成本考慮會(huì)使用串行接口且位數(shù)較低的AD轉(zhuǎn)換芯片，在使用這類AD轉(zhuǎn)換芯片時(shí)需在前級(jí)增加多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。由于AD為串行數(shù)據(jù)接口，速度上不可能做到很快，再加上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，要想實(shí)現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)是不可能的。

AD轉(zhuǎn)換芯片是采用6通道同步采樣16位并行數(shù)據(jù)接口芯片——AD7656。該芯片具有以下特點(diǎn)：

(1) 片內(nèi)集成6個(gè)16位250 ksps的ADC；

(2) 6個(gè)真雙極性、高阻抗模擬輸入；

(3) 高速并行數(shù)據(jù)接口。

AD7656主要應(yīng)用于電力線路監(jiān)控和測量系統(tǒng)及儀表和控制系統(tǒng)中。AD7656的功能框圖如圖1所示。

圖1 AD7656功能框圖

1.3 高速采樣系統(tǒng)的控制器

以往控制AD轉(zhuǎn)換芯片的控制器多為CPU。CPU通過通用I/O管腳與AD芯片的控制信號(hào)相連來控制AD轉(zhuǎn)換芯片。在低速采樣系統(tǒng)中，由于采集的信息量較小，CPU能夠分身對AD芯片進(jìn)行控制，但當(dāng)在大容量、高速的采集系統(tǒng)中時(shí)，CPU將會(huì)無暇來控制AD芯片了。

因此在電力系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)，必須采用單獨(dú)的控制器來控制AD芯片，在本設(shè)計(jì)中，作者使用ALTERA公司生產(chǎn)的FPGA來對AD芯片進(jìn)行控制，并且在FPGA內(nèi)部開辟了雙口RAM實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存作用。這樣做的目的可做到降低成本的、提高可靠性。

1.4 高速采樣系統(tǒng)硬件總構(gòu)成

電力系統(tǒng)中的高速采樣系統(tǒng)由上述三部分組成，整體硬件構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)高速采樣硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于高速采樣系統(tǒng)的硬件主要是用FPGA控制的，因此高速采樣系統(tǒng)的軟件將采用目前國際上比較流行的可編程硬件描述語言Verilog HDL進(jìn)行編寫的。高速采樣系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括：基準(zhǔn)定時(shí)采樣系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)、雙口RAM控制系統(tǒng)、中斷產(chǎn)生系統(tǒng)等。

基準(zhǔn)定時(shí)采樣系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)電氣信號(hào)同步采樣的系統(tǒng)基準(zhǔn)，當(dāng)FPGA檢測到基準(zhǔn)定時(shí)采樣系統(tǒng)信號(hào)到來時(shí)，F(xiàn)PGA才啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)、雙口RAM控制系統(tǒng)、中斷產(chǎn)生系統(tǒng)等?；鶞?zhǔn)定時(shí)采樣系統(tǒng)可有另一控制器產(chǎn)生或GPS時(shí)間信號(hào)。

AD轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA的I/O管腳連接到A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換、讀數(shù)據(jù)等信號(hào)線上，當(dāng)檢測到基準(zhǔn)定時(shí)采樣系統(tǒng)后將控制A/D芯片的所有通道進(jìn)行同步高速采樣。

雙口RAM控制系統(tǒng)，在FPGA內(nèi)部開辟兩片雙口RAM區(qū)，這兩片雙口RAM之間將采用乒乓切換的方式進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。FPGA的I/O管腳與其內(nèi)部的雙口RAM的一端地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)FPGA控制雙口RAM將A/D轉(zhuǎn)換芯片傳輸過來的數(shù)據(jù)按一定的地址空間存放，當(dāng)一個(gè)雙口RAM存滿數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA將會(huì)把AD傳輸過來的數(shù)據(jù)存放到另一片雙口RAM中，這樣可保證大容量數(shù)據(jù)的緩存[6]。

FPGA控制雙口RAM在一定的地址空間內(nèi)存放數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)PGA將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)與CPU的外部中斷源相連接，當(dāng)CPU檢測到該中斷信號(hào)有效后，CPU將釋放數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線來讀取雙口RAM中緩存的數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU讀取雙口RAM的第一個(gè)地址中的數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將會(huì)收回中斷信號(hào)，使該片雙口RAM準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)緩存。高速采樣系統(tǒng)的軟件控制框圖如圖3所示。

圖3 高速采樣系統(tǒng)的軟件控制框圖

軟件代碼省略。

3 仿真分析及實(shí)例分析

當(dāng)電力系統(tǒng)中的兩相信號(hào)線處于亞擊穿狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)最高頻率在10 kHz，根據(jù)采樣定理及實(shí)際工程實(shí)踐，要想采集到10 kHz的信號(hào)，A/D的采樣頻率必須要達(dá)到70 kHz，因此按照工頻周期計(jì)算采樣頻率的話則為1 400點(diǎn)每周波。在FPGA中設(shè)置采樣時(shí)間間隔為1 ms，采用A/D轉(zhuǎn)換芯片為16位AD，則1 ms的時(shí)間間隔將得到的采樣數(shù)據(jù)為nx70x16bit=3 360 bit(式中“n”代表的是n路模擬信號(hào)輸入通道數(shù))，在電力系統(tǒng)中n一般不會(huì)超過16，因此在電力系統(tǒng)中1 ms的采樣時(shí)間間隔所得到的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)為：16x70x16 bit=17 920 bit[7]。

FPGA采樣控制的設(shè)置：A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為最長為70 μs，可設(shè)置為35 μs為轉(zhuǎn)換時(shí)間，35 μs數(shù)據(jù)讀取時(shí)間。AD7656的時(shí)序控制圖如圖4所示。

圖4 AD7656的并行接口時(shí)序圖

AD7656的時(shí)序時(shí)間表1所示。

由圖4及表1可以看出，采用AD7656轉(zhuǎn)換芯片足以滿足采樣70 kHz的模擬量信號(hào)。

根據(jù)FPGA控制AD7656的引腳框圖可編寫軟件程序，并進(jìn)行仿真測試，測試結(jié)果圖5所示。

表1 AD7656時(shí)序參數(shù)

圖5 AD7656控制程序的仿真波形

通過仿真波形以及AD7656的時(shí)序波形可以看出，AD7656的控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)對AD7656的有效控制。

實(shí)際采樣輸出的波形如圖6所示。

圖6 實(shí)際工程中所采集到的高速波形

4 結(jié)束語

大量的試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場運(yùn)行表明，在電力系統(tǒng)中采用高速采樣軟硬件系統(tǒng)將能檢測到以前沒有注意到的信號(hào)，并對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供安全保障。

本文是在硬件及軟件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上完成的，分析了電力系統(tǒng)中高速采樣的重要性以及可行性。經(jīng)過分析可得出以下結(jié)論：

(1) 高速采樣系統(tǒng)能夠使CPU或控制系統(tǒng)更好的得到電力系統(tǒng)故障瞬間所發(fā)生的一些暫態(tài)信息，從而使得電力系統(tǒng)能更好的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

(2) 同步高速采樣系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的反映電力系統(tǒng)整體電氣量的變化，從而能使值班人員或?qū)I(yè)人員比較好的分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行信息，提早找出電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

(3) 高速采樣系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)對電力系統(tǒng)的故障類型分析提供準(zhǔn)確的支撐。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，我們強(qiáng)烈建議在電力系統(tǒng)中采用高速同步采樣系統(tǒng)。

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A Brief Analysis of Software and Hardware Technology in the High-speed Sampling System of the Electric Power System

YU Ying1, WANG Jian2, ZHU Zheng-guo1, HUANG Chao1, LIU Hai-feng2
(1.Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China;2. Guangxi Xingyu Smart Electric Co., Ltd., Beihai Guangxi 536000, China)

With continuous development of electronic technology and presentation of new algorithms, application of high-speed sampling systems in the electric power system is attracting more and more attention. This paper analyzes the feasibility of a high-speed synchronous sampling hardware using FPGA to control high-speed AD sampling converter, and presents a method for implementing a high-speed sampling system by using Verilog HDL. Furthermore, it analyzes the feasibility of acquisition of higher harmonics in the power system by the high-speed sampling system, and verifies the feasibility of high-speed synchronous sampling in the FPGA+AD method by using the recording data of the device operating in the field.

high-speed synchronous sampling;electric power system;acquisition of higher harmonics;Verilog HDL hardware description language; destruction of insulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.021

TM76

A

1000-3886(2015)05-0066-04

余英(1984-)，女，湖北孝感人，工程師，主要從事配電網(wǎng)的技術(shù)監(jiān)督工作。 王健(1980-)，男，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究與裝置研發(fā)。 朱正國(1977-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事主配網(wǎng)設(shè)備技術(shù)監(jiān)督及高壓試驗(yàn)科研工作。 黃超(1988-)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事主配網(wǎng)設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作。 劉海鋒(1976-)，男，廣西貴港人，碩士生，專業(yè)：主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究與裝置研發(fā)。

定稿日期: 2014-10-27