基于DSP+CPLD的智能IED设计

　　2.1 软件流程

　　首先是DSP相应功能的初始化，包括串口、定时中断、部分用作控制线的I/O口。在数据处理之前首先要开启一个EVA模块用于捕捉电网的频率。随后的工作就是读取来自A/D转换器的数据，一组128个分别对应两个周期的电压电流和末屏电流值。每128个数据分别进行FFT运算，运算的结果将进一步分析以得出功率因素、介损角等值。IED数据采集、运算、上传过程如图3所示。

　　图3IED数据采集、运算、上传过程

　　需要DSP计算的参数是高压A、B、C三相电压、三相电流的有效值，中压A、B、C三相电压、三相电流的有效值，各相电压电流的2～13谐波的幅值和谐波畸变率，以及高中压三相的功率因素、介损角值。DSP算法要解决的难题是计算出2～13谐波和各相的功率因数。算法的核心是FFT算法。

智能电网最少也需要采集20路信号。首先是DSP的相关功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模块和定时中断。然后通过普通I/O引脚作为触发信号，依次选择多路A/D输入信号，这些信号通过信号调理电路在信号波形稳定后可以经过MAX125被采样。通过数据总线传递给DSP，DSP经过一系列运算后得到功率因素、介损基波谐波含量，并将这些数据按照一定的数据格式打包，通过串口发送到ARM微控制器。AR M再将这些数据传输给上位机监控软件。

　　具体代码如下：

　　2.2 电网参数的计算

　　DSP接收到A/D转换的数据之后就立刻进行计算。在本设计中，电网的谐波含量和谐波因素是计算的一个重点。在电力系统中谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据傅里叶分析原理可知，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。

　　谐波可以区分为偶次与奇次性，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多、更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。利用FFT算法可以将电网电压/电流分解为50 Hz基波和多次谐波的叠加。如此一来某个特定频段上的谐波就显而易见了。

　　除了谐波的计算需要使用到FFT算法之外，系统还有其他参量的计算。由于调用的功能模块十分复杂，只对部分参数的计算过程进行描述。多数参数都是通过对采集点的离散积分求得的。

　　高压A相电压有效值：

　　高压A相电流有效值：

　　单相电压/电流谐波畸变率：

　　中压A相电流谐波含量：

　　高压三相电压总谐波畸变率：计算出各相电压的各谐波含量和基波含量，用总谐波含量除以基波分量。

　　单相电压功率因数：由FFT算法得出基波有效值的(虚部/实部)的反正切值。

　　单相介损：将末屏电流和对应相电压分别作FFT运算，所得的相位作差，该相位差角度为介损角。

　　3 总结

　　该系统应用于智能变压器系统中，可多个通道同步采集，转换精度高。经实验验证，信号采集模块的实时性和精度上都取得良好的效果，且工作稳定可靠。该系统采用高速14位并行A/D转换器，简化了接口设计，提高了读取速度以及数据处理速度。通过CPLD实现各种复杂控制信号，通过改变XF引脚的电平，可以将外扩SRAM、Flash映射到数据空间或程序空间。DSP芯片通过CPLD芯片连接高精度数据采集芯片MAX125实现信号的多路高速同步实时数据采集，抗干扰能力强，并利用FFT算法准确计算出电网谐波因数、功率角、介损角。