淺析電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的軟硬件技術

余英， 王健， 朱正國 ， 黃超 ， 劉海鋒(.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 58000；. 廣西星宇智能電氣有限公司，廣西 北海 536000)

淺析電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的軟硬件技術

余英1， 王健2， 朱正國1， 黃超1， 劉海鋒2
(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2. 廣西星宇智能電氣有限公司，廣西 北海 536000)

隨著電子科技的不斷發(fā)展以及新算法的不斷提出，高速采樣在電力系統(tǒng)中的應用越來越受到重視。分析了用FPGA控制高速AD采樣轉換器的高速同步采樣硬件的可行性，并且分析了用Verilog HDL硬件描述語言實現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法，在此基礎上還分析了高速采樣系統(tǒng)對電力系統(tǒng)中的高次諧波的采集的可行性，在現(xiàn)場運行的裝置錄波數(shù)據(jù)中驗證了采用FPGA+AD實現(xiàn)高速同步采樣的可行性。

高速同步采樣；電力系統(tǒng)；高次諧波的采集; Verilog HDL硬件描述語言；絕緣損壞

0 引 言

電力系統(tǒng)在受到擾動后，能憑借系統(tǒng)自身固有的能力和其他設備的作用，恢復到原始穩(wěn)態(tài)運行方式，或者達到新的穩(wěn)態(tài)運行方式。保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)正常運行的必要條件，只有在電力系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，電力系統(tǒng)才能向各類用戶提供符合質量要求的電能。

在電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障中，對電力系統(tǒng)運行和電力設備危害最大，且概率最大的首推短路故障。短路故障指正常運行情況以外的相與相之間或相與地(或中性線)之間的接通[1]。

產生短路故障的主要原因是電力設備絕緣損壞。常見的有：雷擊過電壓或操作過電壓引起絕緣子、絕緣套管表面閃絡(電弧放電)；由于絕緣材料老化等原因，在過電壓甚至在正常電壓下發(fā)生絕緣介質擊穿；風、雪、地震等自然災害以及鼠、鳥等動物跨接裸露導體造成短路[2]。

在電力系統(tǒng)運行過程中所發(fā)生的故障類型按時間的長短可分為永久性故障以及瞬時性故障兩種。電力系統(tǒng)永久性故障指的是故障長期存在并穩(wěn)定于某個狀態(tài)。電力系統(tǒng)瞬時性故障則指的是電力系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)短時性不穩(wěn)定運行的故障。

目前我國研發(fā)生產的電力系統(tǒng)微機保護或其他裝置主要是針對電力系統(tǒng)的永久性故障。對于電力系統(tǒng)的瞬時性故障由于缺乏對電氣模擬量的有效高速同步采集而常常采用自動重合閘的方式進行提高供電可靠性，這種方式體現(xiàn)了無法實現(xiàn)高速采樣并通過算法檢測出電力設備絕緣狀態(tài)的無奈[3]。

我國在電力系統(tǒng)中對電氣模擬量信號的采集，無論是大規(guī)模使用的微機保護采樣系統(tǒng)還是數(shù)字化變電站中使用的采樣系統(tǒng)，每個工頻周期的采樣率基本都小于200點/周波，也就是說在電力系統(tǒng)中，能被現(xiàn)有的采樣技術采集到的有效諧波次數(shù)一般不會超過40次。而根據(jù)實際的工程實踐以及采樣定理的研究發(fā)現(xiàn)，在采樣率為200點/周波的情況下，裝置能夠分辨的最高諧波次數(shù)不會超過20次諧波，采樣點數(shù)少將無法獲取瞬時性故障的有用信息[4]。

因此隨著電子科技的不斷發(fā)展，高速AD轉換芯片、高速采樣控制器也越來越多的應用到電力系統(tǒng)中。

針對上述情況提出了適用于電力系統(tǒng)高速同步采樣系統(tǒng)的軟硬件技術。該技術采用FPGA控制高速AD采樣轉換芯片并在FPGA內部開辟雙口RAM[5]，這樣保證了FPGA+AD轉換整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且降低了整個系統(tǒng)硬件成本。目前該技術已經廣泛應用于弧光檢測、絕緣監(jiān)察、雷擊過電壓檢測以及小電流接地選線等領域。

1 電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的硬件設計

1.1 互感器

目前微機保護或其他監(jiān)測電力系統(tǒng)電氣量的主要設備還是互感器，互感器主要分為電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器。由于電磁式互感器在傳變電氣模擬量時有磁飽和、相角誤差大、能量損耗大等缺點注定不適用于瞬時性故障的電氣量檢測，也不適用高速信號的檢測。

要實現(xiàn)高速信號的傳變，必須使用有源器件并且避免上述傳統(tǒng)的電磁式互感器的缺點。霍爾傳感器、羅氏線圈正好可以滿足要求。電流的測量可采用羅氏線圈，而電壓的測量可使用霍爾傳感器。

羅氏線圈(Rogowski線圈)又叫電流測量線圈、微分電流傳感器，是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料商的環(huán)形線圈。輸出信號時電流對時間的微分。通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流。該線圈具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差的特點，其可廣泛應用于繼電保護，可控硅整流，變頻調速，絕緣監(jiān)測、雷電信號采集等場合。羅氏線圈具有以下特點：

(1) 適用電流范圍大，無飽和；

(2) 具有良好的線性度；

(3) 帶寬范圍大；

(4) 無二次開路危險；

(5) 過流能力強；

(6) 不易受外界電磁干擾；

(7) 低功耗、重量輕、安裝方便。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻杺鞲衅骶哂幸韵聝?yōu)點：

(1) 霍爾傳感器可以測量任意波形的電壓；

(2) 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離；

(3) 線性度好；

(4) 帶寬范圍大；

(5) 測量范圍大；

(6) 過載能力強；

1.2 AD轉換芯片

在電力系統(tǒng)中由于被測電氣量比較多，裝置研發(fā)生產廠家往往從成本考慮會使用串行接口且位數(shù)較低的AD轉換芯片，在使用這類AD轉換芯片時需在前級增加多路轉換開關。由于AD為串行數(shù)據(jù)接口，速度上不可能做到很快，再加上多路轉換開關，要想實現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)是不可能的。

AD轉換芯片是采用6通道同步采樣16位并行數(shù)據(jù)接口芯片——AD7656。該芯片具有以下特點：

(1) 片內集成6個16位250 ksps的ADC；

(2) 6個真雙極性、高阻抗模擬輸入；

(3) 高速并行數(shù)據(jù)接口。

AD7656主要應用于電力線路監(jiān)控和測量系統(tǒng)及儀表和控制系統(tǒng)中。AD7656的功能框圖如圖1所示。

圖1 AD7656功能框圖

1.3 高速采樣系統(tǒng)的控制器

以往控制AD轉換芯片的控制器多為CPU。CPU通過通用I/O管腳與AD芯片的控制信號相連來控制AD轉換芯片。在低速采樣系統(tǒng)中，由于采集的信息量較小，CPU能夠分身對AD芯片進行控制，但當在大容量、高速的采集系統(tǒng)中時，CPU將會無暇來控制AD芯片了。

因此在電力系統(tǒng)中為了實現(xiàn)高速采樣系統(tǒng)，必須采用單獨的控制器來控制AD芯片，在本設計中，作者使用ALTERA公司生產的FPGA來對AD芯片進行控制，并且在FPGA內部開辟了雙口RAM實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存作用。這樣做的目的可做到降低成本的、提高可靠性。

1.4 高速采樣系統(tǒng)硬件總構成

電力系統(tǒng)中的高速采樣系統(tǒng)由上述三部分組成，整體硬件構成圖如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)高速采樣硬件系統(tǒng)構成圖

2 電力系統(tǒng)中高速采樣系統(tǒng)的軟件設計

由于高速采樣系統(tǒng)的硬件主要是用FPGA控制的，因此高速采樣系統(tǒng)的軟件將采用目前國際上比較流行的可編程硬件描述語言Verilog HDL進行編寫的。高速采樣系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要包括：基準定時采樣系統(tǒng)、A/D轉換控制系統(tǒng)、雙口RAM控制系統(tǒng)、中斷產生系統(tǒng)等。

基準定時采樣系統(tǒng)是實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電氣信號同步采樣的系統(tǒng)基準，當FPGA檢測到基準定時采樣系統(tǒng)信號到來時，F(xiàn)PGA才啟動A/D轉換控制系統(tǒng)、雙口RAM控制系統(tǒng)、中斷產生系統(tǒng)等?；鶞识〞r采樣系統(tǒng)可有另一控制器產生或GPS時間信號。

AD轉換控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA的I/O管腳連接到A/D轉換芯片的轉換、讀數(shù)據(jù)等信號線上，當檢測到基準定時采樣系統(tǒng)后將控制A/D芯片的所有通道進行同步高速采樣。

雙口RAM控制系統(tǒng)，在FPGA內部開辟兩片雙口RAM區(qū)，這兩片雙口RAM之間將采用乒乓切換的方式進行存儲數(shù)據(jù)。FPGA的I/O管腳與其內部的雙口RAM的一端地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)FPGA控制雙口RAM將A/D轉換芯片傳輸過來的數(shù)據(jù)按一定的地址空間存放，當一個雙口RAM存滿數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA將會把AD傳輸過來的數(shù)據(jù)存放到另一片雙口RAM中，這樣可保證大容量數(shù)據(jù)的緩存[6]。

FPGA控制雙口RAM在一定的地址空間內存放數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)PGA將會產生一個中斷信號，該中斷信號與CPU的外部中斷源相連接，當CPU檢測到該中斷信號有效后，CPU將釋放數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線來讀取雙口RAM中緩存的數(shù)據(jù)。當CPU讀取雙口RAM的第一個地址中的數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA將會收回中斷信號，使該片雙口RAM準備好進行下一次的數(shù)據(jù)緩存。高速采樣系統(tǒng)的軟件控制框圖如圖3所示。

圖3 高速采樣系統(tǒng)的軟件控制框圖

軟件代碼省略。

3 仿真分析及實例分析

當電力系統(tǒng)中的兩相信號線處于亞擊穿狀態(tài)時所產生的信號最高頻率在10 kHz，根據(jù)采樣定理及實際工程實踐，要想采集到10 kHz的信號，A/D的采樣頻率必須要達到70 kHz，因此按照工頻周期計算采樣頻率的話則為1 400點每周波。在FPGA中設置采樣時間間隔為1 ms，采用A/D轉換芯片為16位AD，則1 ms的時間間隔將得到的采樣數(shù)據(jù)為nx70x16bit=3 360 bit(式中“n”代表的是n路模擬信號輸入通道數(shù))，在電力系統(tǒng)中n一般不會超過16，因此在電力系統(tǒng)中1 ms的采樣時間間隔所得到的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)為：16x70x16 bit=17 920 bit[7]。

FPGA采樣控制的設置：A/D轉換時間為最長為70 μs，可設置為35 μs為轉換時間，35 μs數(shù)據(jù)讀取時間。AD7656的時序控制圖如圖4所示。

圖4 AD7656的并行接口時序圖

AD7656的時序時間表1所示。

由圖4及表1可以看出，采用AD7656轉換芯片足以滿足采樣70 kHz的模擬量信號。

根據(jù)FPGA控制AD7656的引腳框圖可編寫軟件程序，并進行仿真測試，測試結果圖5所示。

表1 AD7656時序參數(shù)

圖5 AD7656控制程序的仿真波形

通過仿真波形以及AD7656的時序波形可以看出，AD7656的控制程序能夠實現(xiàn)對AD7656的有效控制。

實際采樣輸出的波形如圖6所示。

圖6 實際工程中所采集到的高速波形

4 結束語

大量的試驗結果及現(xiàn)場運行表明，在電力系統(tǒng)中采用高速采樣軟硬件系統(tǒng)將能檢測到以前沒有注意到的信號，并對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供安全保障。

本文是在硬件及軟件實現(xiàn)的基礎上完成的，分析了電力系統(tǒng)中高速采樣的重要性以及可行性。經過分析可得出以下結論：

(1) 高速采樣系統(tǒng)能夠使CPU或控制系統(tǒng)更好的得到電力系統(tǒng)故障瞬間所發(fā)生的一些暫態(tài)信息，從而使得電力系統(tǒng)能更好的安全、穩(wěn)定的運行。

(2) 同步高速采樣系統(tǒng)能夠準確的反映電力系統(tǒng)整體電氣量的變化，從而能使值班人員或專業(yè)人員比較好的分析電力系統(tǒng)的運行信息，提早找出電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

(3) 高速采樣系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用將會對電力系統(tǒng)的故障類型分析提供準確的支撐。

鑒于以上優(yōu)點，我們強烈建議在電力系統(tǒng)中采用高速同步采樣系統(tǒng)。

[1] 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京:水利電力出版社，1985.

[2] 陳麗，王貴蘭，馬軍強.新型單相接地故障選線裝置的功能要求 [J].河北電力技術，2011，5(1):95-98.

[3] 要煥年,曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京:中國電力出版社，2009.

[4] 邵明，黃彥全，韓花榮，等.基于Prony算法的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線研究 [J]. 繼電器，2005，33(24)：6-9.

[5] 王誠，吳繼華，范麗珍，等.Altera FPGA/CPLD設計基礎篇，高級篇[M].北京：人民郵電出板社，2005.

[6] 陳偉，游彬.AD9233在高速采樣系統(tǒng)中的設計[J].電子世界，2012，8(16)：114-115.

[7] 曾大冶，張偉達，劉泉華.超高速采樣系統(tǒng)的FPGA設計[J].測控技術，2009，4(116)：116-119.

A Brief Analysis of Software and Hardware Technology in the High-speed Sampling System of the Electric Power System

YU Ying1, WANG Jian2, ZHU Zheng-guo1, HUANG Chao1, LIU Hai-feng2
(1.Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China;2. Guangxi Xingyu Smart Electric Co., Ltd., Beihai Guangxi 536000, China)

With continuous development of electronic technology and presentation of new algorithms, application of high-speed sampling systems in the electric power system is attracting more and more attention. This paper analyzes the feasibility of a high-speed synchronous sampling hardware using FPGA to control high-speed AD sampling converter, and presents a method for implementing a high-speed sampling system by using Verilog HDL. Furthermore, it analyzes the feasibility of acquisition of higher harmonics in the power system by the high-speed sampling system, and verifies the feasibility of high-speed synchronous sampling in the FPGA+AD method by using the recording data of the device operating in the field.

high-speed synchronous sampling;electric power system;acquisition of higher harmonics;Verilog HDL hardware description language; destruction of insulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.021

TM76

A

1000-3886(2015)05-0066-04

余英(1984-)，女，湖北孝感人，工程師，主要從事配電網的技術監(jiān)督工作。 王健(1980-)，男，山東濟南人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究與裝置研發(fā)。 朱正國(1977-)，男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事主配網設備技術監(jiān)督及高壓試驗科研工作。 黃超(1988-)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事主配網設備技術監(jiān)督工作。 劉海鋒(1976-)，男，廣西貴港人，碩士生，專業(yè)：主要從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究與裝置研發(fā)。

定稿日期: 2014-10-27