隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動下，未來數(shù)字化變電站將成為新建變電站的主流。*，電網(wǎng)信號量極多且相關(guān)性很強(qiáng)，這給采集計算和實時監(jiān)測帶來了很大的麻煩。為了解決這一問題。本文的設(shè)計師基于DSP和CPLD搭建的智能IED（Inligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測裝置）可以同時采集多路信號，并通過FFT算法得到電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

基于IEC61850的智能變電站的邏輯如圖1所示。IEC61850協(xié)議主要定義了變電站的信息分層結(jié)構(gòu)：過程層、站控層和間隔層。本文重點研究智能IED設(shè)備，按照IEC61850協(xié)議的描述，IED檢測設(shè)備位于間隔層和過程層。其中，負(fù)責(zé)存儲測量數(shù)據(jù)、進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和診斷的主IED位于間隔層;與現(xiàn)場傳感器直接的測量IED位于過程層;處于站控層的變電站現(xiàn)有計算機(jī)系統(tǒng)將存儲長期的歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由DSP、CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器搭建的算法模塊，多路選擇數(shù)據(jù)采集模塊和信號濾波模塊組成。負(fù)責(zé)DSP采集的是目前較為主流的工控DSP，CPLD采用的是altera公司的EPM3256，A/D轉(zhuǎn)換器采用的是Maxim公司的14位高速芯片MAX125。DSP專注于電網(wǎng)能量質(zhì)量的計算，而CPLD和高速A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的電路適用于多路信號的同時采集。

智能IED處理流程如圖2所示。檢測的信號主要是三相電壓、三相電流信號。信號前端電路將執(zhí)行低通濾波功能，濾除對信號影響比較大的雜波。隨后信號被高速A/D轉(zhuǎn)換器采集，通過A/D轉(zhuǎn)換器CPLD電路實現(xiàn)，zui后通過數(shù)據(jù)總線送至DSP。完成參數(shù)計算后，DSP把數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一打包上傳給主控IED，其主要功能是接收檢測IED的數(shù)據(jù)，并上傳給數(shù)據(jù)庫。

1.1 多路選擇開關(guān)

本系統(tǒng)采集的對象較多，由于計算功率因數(shù)角和介損角必須是同相同時刻的電壓和電流之間的相位差，因此必須同時采集三相電壓對應(yīng)的三相電流值和三相末屏電流值。MAX125是雙通道8路采集，每一路可以采集4路信號，在本系統(tǒng)中將用到其中3路，另一路信號可以被閑置。

1.2 與上位機(jī)通信接口

實際上，本系統(tǒng)只是整個智能變壓器的一個數(shù)據(jù)采集模塊。所有采集信號在經(jīng)過處理后還要打包傳遞給上位機(jī)。本系統(tǒng)采用簡單的RS232傳輸方式。將一次所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)打包之后通過TCP/IP傳遞給監(jiān)控中心。

1.3 數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換模塊

智能電網(wǎng)zui少也需要采集20路信號。包括高中三相電壓、三相電流、三相末屏電流和中性點電流。這些信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到監(jiān)測裝置。

本系統(tǒng)要求計算到13次以上的諧波含量，F(xiàn)FT算法采集2個電網(wǎng)周期至少128個點。電網(wǎng)頻率為50 Hz，那就意味著要在40 ms里采集128個工作點，采集頻率為3200 Hz。為了保證采集的點集中在兩個完整的周期里，需要利用DSP定時中斷采集工作點。在整個系統(tǒng)中，信號采集單元的轉(zhuǎn)換精度對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。MAX125自帶采樣保持器，通道同時采樣，采樣精度14位，適合電網(wǎng)某一時刻的電壓電流同時采樣;輸入電壓的范圍是±5 V，采集一路的時間為3μs，非常適合高速采集的系統(tǒng)。

當(dāng)MAX125對采樣的8路信號轉(zhuǎn)換完畢后，其INT引腳產(chǎn)生中斷信號，與CPLD中自定義的INT引腳相連表示轉(zhuǎn)換完畢，DSP可以通過響應(yīng)中斷對采樣信號進(jìn)行讀取與處理。MAX125通過對A0～A3的地址線編程實現(xiàn)通道的選擇，CLK信號用作A/D轉(zhuǎn)換所需的時鐘，由CPLD的時鐘提供。MA X125的數(shù)據(jù)總線（D0～D13）、時鐘輸入CLK、片選輸入CS、寫輸入WR、讀輸入RD、轉(zhuǎn)換開始輸入CONVST和中斷輸出INT引腳，均與CPLD中自定義的相應(yīng)功能I/O引腳相連。由于本系統(tǒng)需同步采集20路前端信號，而MlAX125為8通道差分輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以本系統(tǒng)需用3片MAX125芯片。

1.4 信號調(diào)理電路

220 kV或以上的變壓器引出的信號，要經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境再進(jìn)入傳感器。從傳感器進(jìn)入MAX125的信號還要經(jīng)過長線傳輸。它的信號通常不能被控制單元直接接收，因此信號調(diào)理電路就成為控制系統(tǒng)中*的一部分。一般來說在差分輸入端將20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換成1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。其中輸出端電壓高于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值，在此進(jìn)行分壓后進(jìn)行采樣。

電力系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)載，會使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅降低。從電網(wǎng)中采集的信號如果不做任何處理將會影響DSP的運(yùn)算精度。本系統(tǒng)中對信號的處理采用的是低通濾波器。低通濾波模塊一般是用電路元件（如電阻、電容、電感）來構(gòu)成所需要的頻率特性電路。一個理想的低通濾波器能夠*剔除高于截止頻率的所有頻率信號，并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件流程

首先是DSP相應(yīng)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(shù)據(jù)處理之前首先要開啟一個EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率。隨后的工作就是讀取來自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個分別對應(yīng)兩個周期的電壓電流和末屏電流值。每128個數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過程如圖3所示。

需要DSP計算的參數(shù)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(shù)。算法的核心是FFT算法。