500KV光學(xué)電壓電流傳感器數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)

摘   要： 本文介紹了利用TMS320C542芯片進(jìn)行500KVOMU (Optical Metering Unit) 中數(shù)字信號(hào)處理的新方案，并對(duì)該方案的定點(diǎn)DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、外圍芯片設(shè)計(jì)、OMU系統(tǒng)軟件算法作了詳細(xì)講述。最后給出了整個(gè)OMU系統(tǒng)的整體性能和測(cè)試結(jié)論。
引 言
隨著電力系統(tǒng)的容量和傳輸?shù)碾妷旱燃?jí)進(jìn)一步增大，傳統(tǒng)的CT(Current Transformer)、PT(Potential Transformer)呈現(xiàn)出易受電磁干擾，體積大，重量重，造價(jià)高等自身不可克服的問(wèn)題。因此為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種新型的OCT(Optical Current Transducer)、OVT(Optical Voltage Transducer)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT、PT。其中，OCT利用磁致旋光效應(yīng)，即法拉第效應(yīng)，OVT利用Pockels效應(yīng)和偏光干涉原理構(gòu)成的系統(tǒng)以獲得強(qiáng)度受外加電場(chǎng)(電壓)調(diào)制的光，由此可測(cè)出外加電場(chǎng)(電壓)的大小。由OCT和OVT組成的OMU有著傳統(tǒng)PT/CT無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：具有抗電磁干擾、絕緣性能好等。這些優(yōu)點(diǎn)符合未來(lái)電站、變電所發(fā)展的需要，同時(shí)OCT、OVT運(yùn)行安全可靠，不會(huì)爆炸，還可以節(jié)約大量的銅和矽鋼片，社會(huì)效益明顯。
本文以現(xiàn)有500KV的OMU為例，詳細(xì)論述了光學(xué)電壓電流傳感器中的新型數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并將現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器用于該新型傳感器中。

圖1    DSP系統(tǒng)框架

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于OMU中OCS和OVS的檢測(cè)方法，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量中的具體情況，考慮到模擬電路易受環(huán)境溫度和外部電磁干擾影響，我們盡可能地減少模擬電路環(huán)節(jié)，并采用TMS320C542DSP數(shù)字信號(hào)處理器作為核心處理器，以提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。
當(dāng)信號(hào)經(jīng)模擬電路處理后，送至DSP， 經(jīng)DSP處理，數(shù)據(jù)輸出至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，信號(hào)也可以輸出至兩路D/A濾波，得到兩路模擬輸出以供互感器校驗(yàn)儀校驗(yàn)。整個(gè)DSP系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。
由于OMU的最后輸出檢驗(yàn)需經(jīng)過(guò)互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行校驗(yàn)，因此我們?cè)贒SP系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩路模擬輸出。由于C542具有兩個(gè)串口，且兩個(gè)串口都可以作為標(biāo)準(zhǔn)串口使用，因此我們利用這兩個(gè)串口與串行D/A進(jìn)行接口，后接濾接器進(jìn)行平滑濾波，得到最終的模擬輸出以供互感器校驗(yàn)儀校驗(yàn)。在此，我們選用14位串行D/A MAX545，D/A后接的濾波器選用UAF42。

圖2  軟件算法框圖

系統(tǒng)輸入信號(hào)由11路模擬信號(hào)組成，它們分別為電壓和電流傳感器的兩組信號(hào)和系統(tǒng)溫度量，所以電壓和電流傳感頭均采用雙光路方案。存貯器選用兩片27C256構(gòu)成32K、16位ROM，又因?yàn)镃542片內(nèi)含有10KB DRAM，而10KB DRAM相對(duì)于整個(gè)OMU數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)行所需程序和數(shù)據(jù)空間已經(jīng)足夠，故不需外掛高速RAM，這樣直接提高了系統(tǒng)的性能。
但應(yīng)注意，在DSP硬件系統(tǒng)調(diào)試前，應(yīng)確保給實(shí)驗(yàn)板供電的電源有良好的恒壓、恒流特性。尤其是，DSP的入口電壓應(yīng)保持在5.0+/-0.05V。電壓過(guò)低，則通過(guò)JTAG接口向Flash寫入程序時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示；電壓過(guò)高，則會(huì)損壞DSP芯片。另外，由于在調(diào)試時(shí)要頻繁對(duì)實(shí)驗(yàn)板接電和斷電，若電源質(zhì)量不好，則很可能在突然上電時(shí)因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，又將影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度。因此，在調(diào)試前應(yīng)高度重視電源的選擇，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查電源是否正常。此外，DSP、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接入電源前，應(yīng)加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。同時(shí)，可在DSP與片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等關(guān)鍵部分周圍布上電網(wǎng)，以減少外界干擾。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，下位機(jī)以DSP為中心，采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)FIR濾波，進(jìn)行有效值計(jì)算，并將數(shù)據(jù)送至PC。而上位PC機(jī)進(jìn)行OCT電流和參考電流有效值的比差計(jì)算，以及OCT光功率的計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示。軟件算法框圖如圖2所示。
上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信采用異步串行通信傳輸。傳輸時(shí)，發(fā)收雙方應(yīng)按照所共同遵循的協(xié)議進(jìn)行初始化。DSP對(duì)UART的初始化，主要為按照協(xié)議對(duì)8251A內(nèi)部命令寄存器的初始化，在此我們采用起止式異步通信協(xié)議，選定模式為：傳輸速率9600b/s，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)，字符長(zhǎng)度8位，波特率系數(shù)16。
在上位機(jī)我們采用了VB6.0軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)串行通信程序，而使用Mscomm.VBx用戶控件來(lái)進(jìn)行串行通信的關(guān)鍵是正確設(shè)置其中的一些屬性。在VB6.0中的通信程序設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)接收主窗口，在接收窗口中對(duì)串口進(jìn)行初始化和利用定時(shí)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)查詢接收。
軟件設(shè)計(jì)中值得注意的問(wèn)題
(a) 關(guān)于對(duì)外設(shè)的初始化和對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)：由于DSP是高速設(shè)備，所以選擇外設(shè)時(shí)應(yīng)注意外設(shè)的選通訪問(wèn)時(shí)間和讀取時(shí)間，以及DSP對(duì)外設(shè)的控制字在外設(shè)中的轉(zhuǎn)化時(shí)間。否則會(huì)造成DSP對(duì)外設(shè)不能訪問(wèn)或外設(shè)工作不正常，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作或工作不穩(wěn)定。
(b) 在中斷服務(wù)程序中的堆棧和出棧及程序保護(hù)：在中斷服務(wù)程序或子程序中，由于一般情況下會(huì)調(diào)用和修改DSP的內(nèi)部寄存器，如果在程序運(yùn)行過(guò)程中觸發(fā)了中斷而執(zhí)行了中斷服務(wù)程序，將會(huì)導(dǎo)致修改某些DSP內(nèi)部寄存器的內(nèi)容或狀態(tài)。在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序或子程序后，再回到原來(lái)程序中，由于被修改的寄存器內(nèi)容與進(jìn)入中斷服務(wù)程序前的相應(yīng)寄存器的內(nèi)容不一致，將導(dǎo)致程序的錯(cuò)誤運(yùn)行。所以應(yīng)在中斷服務(wù)程序和子程序進(jìn)入時(shí)，壓棧將被修改的寄存器及保護(hù)相關(guān)需保護(hù)的內(nèi)容。而在中斷服務(wù)程序和子程序結(jié)束前，出棧和恢復(fù)相關(guān)保護(hù)內(nèi)容，以使主程序正常執(zhí)行。
(c) 流水線沖突及相關(guān)解決辦法：由于C54XDSP使用六級(jí)流水線和增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，在DSP中使用一條program read bus(PB)，兩條data_read buses(CB, DB)和一條data_write bus(EB)，以及4條address buses (PAB, CAB, DAB, EAB)以增強(qiáng)內(nèi)部并行操作，當(dāng)內(nèi)部?jī)蓷l指令同時(shí)訪問(wèn)同一條數(shù)據(jù)線或地址線時(shí)，將會(huì)造成流水線沖突，這時(shí)有效的解決辦法是將這兩條相鄰指令間加入NOP語(yǔ)句以避免流水線沖突，這種解決方法當(dāng)程序無(wú)邏輯錯(cuò)誤而又運(yùn)行不正常時(shí)是行之有效的。

結(jié)語(yǔ)
本課題對(duì)該OMU進(jìn)行了整機(jī)測(cè)試，對(duì)于每一套測(cè)量系統(tǒng)來(lái)講，線性度是整個(gè)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而對(duì)于OMU實(shí)質(zhì)上就是利用電偏置法等建立電場(chǎng)與光場(chǎng)之間的線性關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該光電互感器具有很好的線性度。由于DSP高速處理器的采用，使得整個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的電路環(huán)節(jié)尤其是模擬電路環(huán)節(jié)大大簡(jiǎn)化和系統(tǒng)集成度大大提高，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的溫漂減少。系統(tǒng)集成度提高的直接結(jié)果是將每相電壓、電流由原來(lái)分開(kāi)測(cè)量發(fā)展到三相電壓電流集成到一個(gè)DSP信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量處理，從而提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比，并且使得系統(tǒng)的升級(jí)和更新?lián)Q代變得更為靈活和方便。