潘航

(貴州大學,貴州 貴陽 550025)

1 概述

變電站是電力系統(tǒng)中重要的電力設施,它具備轉(zhuǎn)換電壓、分配電能、聯(lián)結電網(wǎng)和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓等功能,有必要對變電站的電流和電壓等模擬量進行采集分析。通過采集這些數(shù)據(jù)信息,建立數(shù)學模型,有效挖掘其中規(guī)律,不僅能夠?qū)﹄娏κ袌鲋黧w參與電網(wǎng)安全管理起到一定的促進作用,還能在不同的調(diào)度層面上提高電網(wǎng)運行安全性。

隨著電網(wǎng)智能化的逐步發(fā)展,35kV 變電站的電流采集的實時性及可靠性要求也隨之提高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由單片機或DSP 加外圍電路構成,由于FLASH 和片上RAM的容量有限,導致其處理能力有限。在實際應用時,單片機和DSP 可能會因為各種干擾因素的影響而不能進行正常的程序流程,導致測量系統(tǒng)的可靠性和精確度降低。

可編程門陣列(FPGA)是一種通過用戶使用可編程的邏輯控制器件,FPGA 芯片內(nèi)含大量的邏輯門和觸發(fā)器,這些邏輯門和觸發(fā)器大多是查找表結構,而且一般通過SRAM進行實現(xiàn)。其內(nèi)部邏輯結構的功能是由配置數(shù)據(jù)決定的,其一般來源于用戶所設計的硬件和軟件邏輯。通過外部接口將可編程器件的配置數(shù)據(jù)加載至芯片的SRAM中。它基于門陣列方式為用戶提供可編程資源,具有處理分析速度快,使用過程簡單方便,集成度高、可靠性強等優(yōu)點,且在完成一個復雜的時序邏輯結構設計的同時還能多次靈活重復編程,可減少硬件的開銷。

圖1

基于SPARTAN-6 的電流采集系統(tǒng)的采樣電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可集成在一塊電路板上,簡化了電路結構,在具備強實時性的同時,還擁有強穩(wěn)定性。本文將基于SPARTAN-6 芯片設計35kV 變電站電流采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)拓撲結構

變電站的電流通過霍爾電壓互感器處理,得到可采集的電壓信號,再經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流信號,此時該信號為模擬信號,該信號再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后經(jīng)顯示模塊處理發(fā)送至終端,最后用數(shù)據(jù)線連接到顯示屏對波形進行顯示。電流采集模塊也可接受遠程終端通過中繼模塊發(fā)出的操作命令。系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。

SPARTAN-6 系列FPGA 芯片可生成時鐘信號,進行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時序控制以及靜態(tài)隨機選擇存取存儲器的讀寫,接受并儲存模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號。

3 電流采集系統(tǒng)硬件電路

3.1 芯片選型

本系統(tǒng)選擇SPARTAN 系列FPGA 芯片的SPARTAN-6 為核心,型號為XC6SLX9,256 個引腳的FBGA 封裝。

Spartan-6 芯片采用45nm 技術構建, 擁有9152 邏輯單元Logic Cells,16 位乘法器DSP48,90Kb 可配置邏輯塊CLBs,576KbBlock RAM,2 時鐘單元CMTs 和200 可用IO 數(shù)量。具備功耗低、容量大,處理速度快,配置模式多樣等優(yōu)點, 可同時實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口功能,它還提供高邏輯引腳比、各種支持I/O 協(xié)議等業(yè)界領先的連接特性。

3.2 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器是以霍爾元件為核心敏感元件,利用霍爾效應和磁平衡原理進行隔離監(jiān)測電壓的模塊化工作器件,它擁有很好的電氣性能,具備工作線性度強、無慣性、精度高、動態(tài)性能好、響應速度快、工作頻帶寬等優(yōu)點。

3.3 V/I 電路設計

電壓/電流轉(zhuǎn)換是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關系的電流信號,轉(zhuǎn)換后的電流信號將趨于一定程度上的穩(wěn)定,有利于信號長距離傳輸。其電路圖如圖2 所示。

3.4 A/D 電路設計

圖2

A/D 轉(zhuǎn)換電路即模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,它由高速AD 芯片、衰減電路以及信號輸入接口構成。A/D 轉(zhuǎn)換電路具備把連續(xù)變化的量或模擬量進行離散量化,變化成相對應的數(shù)字量電路的功能。

系統(tǒng)使用的高速AD 芯片是一款8 位32 MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),單電源供電的單芯片,它采用多級差分流水線結構,內(nèi)置片上采樣保持放大器和基準電壓源AD9280 芯片。其內(nèi)部結構結構如圖3 所示。

圖3

圖4

采樣保持放大器(SHA)的動態(tài)十分性能優(yōu)秀,可適用于在連續(xù)發(fā)展通道中切換滿量程電平的多路復用技術系統(tǒng)。使用片上鉗位電路,將AC 耦合輸入信號可以偏移至預定電平等級。AD9280 具備片上可編程參考電壓源,且可以選擇外部參考電壓。單個時鐘輸入用于控制所有內(nèi)部轉(zhuǎn)換周期。AD9280 由2.7V至5.5V 的電源供電,是高速應用中低功率運行的理想之選。

根據(jù)圖4 的配置,將AD 電壓輸入范圍設置為0V～2V。

在信號輸入AD 芯片前,可用一片AD8056 芯片構建衰減電路,以保證滿足AD 芯片使用要求。其接口原本的輸入范圍(-5V～+5V)在衰減后變?yōu)?0～2V)。

當輸入信號Vin=+5(V)的時候,輸入到AD 的信號Vad=2(V);

當輸入信號Vin=-5(V)的時候,輸入到AD 的信號Vad=O(V);

4 電流采集系統(tǒng)軟件設計

50hz 頻率通過分頻模塊處理可化為任意需要頻率,本系統(tǒng)設計按照芯片可適應最大頻率設置。

100V 模擬電壓信號,通過采集模塊處理,輸出至顯示模塊,經(jīng)其處理后輸出至顯示屏顯示波形。

5 實驗結果與分析

根據(jù)電流采集系統(tǒng)設計方案在ISE 軟件上進行仿真并將信號輸出至顯示屏,得到波形圖,由此可知本系統(tǒng)利用FPGA 處理模擬信號,通過仿真平臺ISE 后,完整顯示出了波形,沒有出現(xiàn)信號失真,滿足系統(tǒng)設計要求。

6 結論

本文設計并實現(xiàn)了一種基于SPARTAN-6 系列FPGA 的35KV 變電站電流采集系統(tǒng),通過選用合適的FPGA 芯片和電路,在成本合理的情況下,實現(xiàn)了較強的實時性、穩(wěn)定性和較高的采集精度,對其他的電流測量具有一定的參考價值。