中廣核新能源華北分公司 溫德勝 逯登龍 羅文軍 張秉元

1 引言

風電變流器生產(chǎn)檢測存在能耗大、工況模擬難、效率低下等諸多問題，本文就這些問題設計了一款監(jiān)控系統(tǒng)，其整體架構采用模塊化設計思路，設計并實現(xiàn)了信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、ADSP-21262數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲器片外擴展等模塊，并為用戶提供了人機交互界面，實現(xiàn)了風電變流器多參數(shù)和大功率的實時監(jiān)控。

2 總體設計

檢測風電變流器質(zhì)量的一種有效方式是建立高效可靠的變流器大功率試驗平臺，這種試驗平臺可全面實時監(jiān)控風電變流器的保護特征、控制系統(tǒng)運行及工作狀態(tài)，有助于提高風電變流器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。試驗平臺中，電能依次經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變壓器、網(wǎng)側(cè)大開關，最終進入環(huán)形功率回饋系統(tǒng)，其中環(huán)形功率回饋系統(tǒng)的組成部分有變流器、電抗器、開關柜及變壓器等，大功率環(huán)流建立使用了變流器逆變和自身整流的能力[1]。在深入分析試驗平臺實際需求的基礎上布置相應測點，整個監(jiān)控系統(tǒng)使用集中監(jiān)控和分布式測控的方式，分布式測控用于測量各路信號，并借助通信介質(zhì)完成和集中監(jiān)控系統(tǒng)的實時通訊，與此同時，監(jiān)控系統(tǒng)后臺實現(xiàn)虛擬示波器功能，此外，還具有自動測試、報表及數(shù)據(jù)分析的功能。

3 監(jiān)控裝置設計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求

考慮到數(shù)據(jù)運算量大及信號測量的實際要求，本文的試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)控和分布式測量的方案，先利用測控設備測量各測點，再使用交換機統(tǒng)一管理測量結(jié)果與信息。該測控系統(tǒng)采用模塊化設計，可根據(jù)實際需要靈活地減少或增加部分測控設備，即使是某一個設備出現(xiàn)故障也不會干擾其他測點。該測控系統(tǒng)的主要組成部分有終端顯示器、交換機及核心測控器，由于系統(tǒng)的實時性要求高、數(shù)據(jù)處理量大，因此核心測控器主要用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡控制與傳輸、柜內(nèi)開關量、模擬量采集以及測量數(shù)據(jù)計算；對于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集單元使用向量同步測量，這有助于提升綜合診斷能力以及反映數(shù)據(jù)時序關系；對于數(shù)據(jù)傳輸，在交換機與測控設備之間使用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，這便于集中管理數(shù)據(jù)[2]。用戶界面用于接收和顯示數(shù)據(jù)、人機交互及與遠程數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

測控系統(tǒng)的核心是硬件電路，系統(tǒng)的所有功能實現(xiàn)均依賴硬件，硬件設計的基本思路是先明確監(jiān)控系統(tǒng)目標，后選擇芯片、元器件、管腳間的信號連接以及外圍電路擴展等。常見的幾種測控方案有：基于工控機和數(shù)據(jù)采集卡的設計方案、基于單片機的設計方案以及基于DSP 的設計方案等。第一種實現(xiàn)簡單、采集功能強大，但體積大、成本較高且不適合需要現(xiàn)場實時監(jiān)控的應用場景；第二種數(shù)據(jù)處理能力弱，因此實時性差，使用以太網(wǎng)進行通信難度大；第三種DSP 的內(nèi)部集成了專門用于運算的累加器、乘法器等硬件，適用于實時性要求高、運算量較大的系統(tǒng)。由此測控系統(tǒng)采用了第三種即基于DSP 的設計方案，使用兩塊DSP，一塊用來計算和處理數(shù)據(jù)，另一塊用來控制和管理外圍通訊設備等，在測控系統(tǒng)使用雙芯片實現(xiàn)了較好的控制效果，達到最初設計測控系統(tǒng)的期望。

3.3 主要元器件選型

實際工程需要監(jiān)控系統(tǒng)能長期穩(wěn)定可靠運行，即使在環(huán)境惡劣條件下也能工作，元器件為了符合這一要求需要具備抗干擾強、壽命較長的特點，在選擇元器件時應遵循的原則如下。

一是所選元器件具有較長的壽命以及較強的抗干擾能力；二是工業(yè)級且應用廣泛；三是具備完善的技術支持及售后服務；四是符合數(shù)據(jù)計算的精度，具備較強的計算能力。由此監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器選型為：電壓型傳感器選擇可以測量交流、直流及脈沖電壓的LEM LV25-1000；電流型傳感器使用LEM hax500-1000s 和LEM hax500-2000s；A/D 轉(zhuǎn)換器選用分辨率16位以保證足夠的轉(zhuǎn)換精度；DSP選用ADSP-21262與ADSP-BF536兩款。

4 測控系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構如圖1所示。該監(jiān)控系統(tǒng)使用雙DSP 結(jié)構，不僅保證一定的數(shù)據(jù)處理能力和測量精度，還盡可能使電路設計簡潔、性能穩(wěn)定，有信號調(diào)理模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、ADSPBF536模塊、ADSP-21262模塊及對應接口等組成部分。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構

4.1 信號調(diào)理模塊

由于傳感器的輸出信號量級不同且變化幅度大，大多數(shù)不在AD 芯片要求范圍內(nèi)，因此需要增加一個信號調(diào)理模塊平移或縮放信號，同時適當濾波信號以使處理后的信號符合ADC 的實際模擬輸入要求。信號調(diào)理模塊本質(zhì)是一個信號調(diào)理電路，使用差分放大原理有效抑制了零點漂移從而降低了共模干擾的影響?；舅悸肥抢眠\算放大器“虛斷”特征完成分壓，再利用運算放大器的“虛短”特性來靈活調(diào)整信號幅值從而調(diào)整寬帶。

4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7565內(nèi)置6個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器低功耗、快速、吞吐率可達260KSPS，同時內(nèi)置低噪聲放大器，處理的輸入頻率可達4.5MHz。數(shù)據(jù)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部振蕩器與CONVST 信號來控制，另外，三個CONVST 引腳支持ADC 獨立同步采樣，若是連在一起則支持對六個ADC 同步采樣或?qū)τ闪鶄€隨機組合的三對同步采樣。CONVST 在上升沿過程中，ADC 開啟保持模式并進行轉(zhuǎn)換，到上升沿后BUSY 信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，這表示正在轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部時鐘，只要BUSY 信號一直處于高電平就不會注意其他CONVST 上升沿，轉(zhuǎn)換結(jié)束的標志是BUSY 信號由高電平恢復到低電平，這時可使用串行或并行接口讀取數(shù)據(jù)。

4.3 ADSP-21262數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的功能是運算并處理數(shù)據(jù)，AD0-15作為數(shù)據(jù)端口，用于接收來自轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號，AD13-15向鎖存器發(fā)送數(shù)據(jù)并連接在芯片的片選端進而判斷數(shù)據(jù)來源。兩塊AD 的BUSY 信號分別經(jīng)過或門接入DSP 芯片的FLG1標志腳，其作用是檢測芯片的狀態(tài)。該DSP 處理器使用外接輸入頻率為25M 的有源晶振并擴展1M 用于存儲的空間，不僅可以存儲程序，還可存儲運行中的錄波數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)等。

4.4 BF536模塊電路

BF536模塊電路的作用是檢測和管理整個系統(tǒng)并保持與上位機的通訊。該處理器的內(nèi)核供電電壓是1.2V，外部供電電壓是3.3V，DIN1-10是10路開關狀態(tài)量的輸入，其中DIN1-4狀態(tài)量輸出用來控制四路繼電器的閉合和開關。另外，為了保證輸出DOU 和輸入DIN 相匹配于DSP 接口電平，使用SN74LVCC4245芯片轉(zhuǎn)換電平，如5V 和3V 電平之間的相互轉(zhuǎn)換。PH0-15是以太網(wǎng)接口，PG10-15是SPORT0和ADSP-21262的通訊接口；PJ6-11是SPORT1和ADSP-21262的通訊接口。

4.5 存儲器片外擴展

為了降低布線復雜度、減小PCB 的面積及使用地址鎖存器的數(shù)量，該監(jiān)控系統(tǒng)選用SPI 的FLASH AT25F1024。這種存儲器不僅可以存儲程序，還可以存儲運行中的錄波數(shù)據(jù)和故障信息等。ADSP-21262具有提供SPI 接口、數(shù)據(jù)總線與地址復用、程序可設置為從SPI FLASH 引導啟動等優(yōu)點。該芯片工作電壓區(qū)間是2.7～3.6V，設置輸入電壓為3.3V 以方便統(tǒng)一管理電源，SO 和SI 分別是串行數(shù)據(jù)的輸出端口與輸入端口，SCK 是串行數(shù)據(jù)時鐘，可直接和控制器的SPI 接口相連，HOLD 是暫停串行輸入，低電平狀態(tài)為有效，作用是暫時停止和主控制器之間的串行通信，但不進行串行序列復位，因此不需要時要將HOLD 設置為高電平。

4.6 時鐘和復位電路

因為有源晶振具有不需要內(nèi)部振蕩器、相對穩(wěn)定、連接方式簡單、信號質(zhì)量好且不需要配置復雜的電路等優(yōu)點，該監(jiān)控系統(tǒng)所有時鐘都使用了有源晶振，為便于調(diào)試程序系統(tǒng)采用了ADM708S 型復位芯片，該芯片有一個支持手動復位的輸入引腳，當手動復位輸入引腳被拉低或是監(jiān)控系統(tǒng)的工作電壓小于3.08V 時，復位端會形成一個低電平且時間保持在200ms 左右，與此同時，復位電路還有一個用于檢測輸入電壓的電壓檢測引腳。

5 DSP 系統(tǒng)軟件設計

5.1 DSP 程序結(jié)構的總體設計

首先為監(jiān)控系統(tǒng)通電，一段時間延遲后系統(tǒng)開始初始化，初始化僅在復位或統(tǒng)一上電時執(zhí)行一次，主要包含定時器、中斷標志位、存儲器、時鐘模塊、I/O 模塊、狀態(tài)寄存器以及A/D 模塊等的初始化。而后采集并存儲數(shù)據(jù)，設置數(shù)據(jù)采集長度是1024點，在數(shù)據(jù)采樣完成后使用相應算法分析并計算數(shù)據(jù)，其中主要有三相不平衡度、諧波及基本電參量等參數(shù)的運算，然后將計算得出的結(jié)果保存并經(jīng)串口發(fā)送給上位機，最后利用人機交互界面呈現(xiàn)結(jié)果。

5.2 諧波分析及相應FFT 算法改進

電力系統(tǒng)中諧波問題包含來源分析、抑制與監(jiān)測等，其中諧波檢測是關鍵和基礎。

實際信號處理中，頻譜泄漏是一種非常普遍的現(xiàn)象，對此系統(tǒng)構造和選取合適的窗函數(shù)有效抑制甚至消除頻譜泄漏問題，依次應用多種矩形窗來插值FFT 分析，考慮到函數(shù)特性、復雜度和實際工程要求，選擇Blackman 窗函數(shù)，同時適用于高次諧波和小信號諧波的成分分析。

5.3 信號采集模塊設計

在DSP 硬件和A/D 芯片連接合理的前提下設計信號采集模塊，程序進入中斷保護，并將斷點標志位、地址壓入堆棧，DSP 開啟外部中斷等待busy信號，使用AD conv 開啟A/D 進行信號采樣，而后再利用中斷查詢判斷A/D 轉(zhuǎn)換狀態(tài)，如果信號仍在轉(zhuǎn)換則繼續(xù)進行中斷循環(huán)查詢操作，直到信號轉(zhuǎn)換完成為止；如果結(jié)束，接收、讀取并存儲A/D 中的數(shù)據(jù)并返回終端。

5.4 數(shù)據(jù)處理模塊設計

數(shù)據(jù)處理模塊的作用是處理采樣來的數(shù)字信號，使用合適的算法來計算電能質(zhì)量以及基本電參數(shù)的各項性能指標，基本的電參數(shù)計算包含功率、電流和電壓有效值的計算，使用改進的FFT 變換信號以提取各次諧波分量與基波，在此基礎上完成三相不平衡及閃變等計算。

6 結(jié)語

該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過諧波提取能力、基本電參量精度、功能以及系統(tǒng)等系列測試表明，系統(tǒng)各模塊功能均達到了最初設計目標與實際要求，且該試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和可靠性，同時監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的自動化水平，這大幅提高風電變流器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。