3 信號(hào)測(cè)控模塊的電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)測(cè)控模塊的主要采集對(duì)象有： 經(jīng)過(guò)外部電壓和電流互感器轉(zhuǎn)化后的0~100 V 標(biāo)準(zhǔn)三相交流電壓和0~5 A 三相相電流； 反映變電站線路狀態(tài)及保護(hù)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)量； 功率表脈沖量。按照信號(hào)的分類(lèi)， 分別對(duì)應(yīng)于模擬量、開(kāi)關(guān)量和脈沖量。信號(hào)測(cè)控模塊的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

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圖3 信號(hào)測(cè)控模塊的結(jié)構(gòu)原理圖

　　為了保證模擬量測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性， 對(duì)于模擬量的測(cè)量采用交流采樣和硬件電路同步的方法。硬件同步和頻率采樣電路主要由遲滯電壓比較電路、高速光藕、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。遲滯比較電路將交流正弦波輸入信號(hào)變?yōu)? ~5 V 的同頻率方波信號(hào)， 高速光耦6N137 將模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開(kāi)，鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路CD4046 和三片可編程計(jì)數(shù)器芯片MC14522 構(gòu)成128 倍頻器，使輸出信號(hào)頻率為正弦輸入信號(hào)頻率的128 倍，并且跟隨輸入同步變化。MC14522 輸出的同步信號(hào)經(jīng)分壓后， 被送入TMS320LF2407A 的捕獲模塊CAP1、CAP2 用于頻率的測(cè)量。CD4046 輸出的同步倍頻信號(hào)經(jīng)脈寬整形后得到合適的脈沖信號(hào)，接A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864 的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC, 選擇輸入的多路開(kāi)關(guān)并且啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換。ADS7864 是一塊高速（2 μs）、低功耗（50 mW）、單電源（+5 V）工作的雙12 位A/D轉(zhuǎn)換器。它能以500 kHz 的采樣速率同時(shí)進(jìn)行6 通道信號(hào)采樣， 特別適用于電力監(jiān)控系統(tǒng)。ADS7864 的6 路輸入通道可分成3 對(duì)， 測(cè)量電力監(jiān)控應(yīng)用的三相， 并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成LF2407A 所需的數(shù)字信號(hào)， 存放在片內(nèi)6 個(gè)FIFO 寄存器中。為了提高系統(tǒng)的效率， 將ADS7864 的//BUSY信號(hào)接至CPLD， 由其判斷ADS7864 產(chǎn)生三個(gè)/BUSY 信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷， 通知LF2407A 一次性讀走ADS7864 的FIFO 中6個(gè)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外，ADS7864采用雙極性（±5 V） 的輸入， 由于輸入的交流電壓信號(hào)為0~100 V， 電流信號(hào)為0~5 A， 因而需要加上信號(hào)調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路。

　　開(kāi)關(guān)量和脈沖量的輸入電平為12 V。采用HCPL2631 高速光隔進(jìn)行隔離， 實(shí)現(xiàn)電平匹配和隔離抗干擾， 隔離后的開(kāi)關(guān)量和脈沖量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖單元即變?yōu)長(zhǎng)F2407A 外部I/O 輸入端信號(hào)，LF2407A通過(guò)定時(shí)訪問(wèn)相應(yīng)的I/O 端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量和脈沖量的采集。當(dāng)信號(hào)測(cè)控模塊檢測(cè)到其中一個(gè)開(kāi)關(guān)量的變位， 產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)事件順序記錄信息。對(duì)于分析電網(wǎng)故障原因具有重要作用。

　　利用了CPLD 的集成性和可編程性將處理外圍數(shù)字電路集成到一塊芯片上， 實(shí)現(xiàn)對(duì)其他芯片、液晶顯示器和鍵盤(pán)等的地址譯碼、讀寫(xiě)、控制和信號(hào)緩沖功能。

　　4 系統(tǒng)軟件介紹

　　根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)， 在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)可將RTU 分為通信主控和信號(hào)測(cè)控兩個(gè)獨(dú)立的模塊， 對(duì)兩者進(jìn)行單獨(dú)的考慮和設(shè)計(jì)。在這里，采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)模塊的整體軟件。從軟件的功能上講，通信主控模塊主要包括各種通信端口的通信程序和人機(jī)接口程序設(shè)計(jì)，信號(hào)測(cè)控模塊軟件部分則包括現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和處理、各種電力參數(shù)的計(jì)算和分析以及與上位模塊的通信程序等。在實(shí)際應(yīng)用中，通信主控模塊和信號(hào)測(cè)控模塊多個(gè)任務(wù)之間往往是互相交叉的，因此通過(guò)硬件中斷來(lái)響應(yīng)不同任務(wù)請(qǐng)求，提高處理器的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件， 為了驗(yàn)證硬件A/D 采樣系統(tǒng)的好壞， 對(duì)低壓380 V/220 V 電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量， 采樣128個(gè)點(diǎn)與示波器波形相比如圖4 所示。可以看出， 對(duì)模擬量的采樣是精確可行的。

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圖4 采樣128個(gè)點(diǎn)與示波器波形比較

表1 采樣運(yùn)算得15 次諧波峰值

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　　在此基礎(chǔ)之上， 進(jìn)行了諧波分析。本次試驗(yàn)采用電網(wǎng)電壓經(jīng)分壓變換后電壓有效值在1.7 V 左右（ 普通萬(wàn)用表測(cè)） 進(jìn)行試驗(yàn)。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展后直接進(jìn)行FFT 變換， 對(duì)應(yīng)得到15 次諧波峰值如表1 所示， 從表中數(shù)據(jù)可以看出偶次諧波很小， 幾乎為零； 而奇次諧波逐漸遞減。

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