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電力系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一,隨著電力系統(tǒng)進一步朝著“大電網(wǎng)､大容量､大機組”的方向發(fā)展,發(fā)､輸､配電過程要求高度自動化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢｡因此,其對應(yīng)的“發(fā)､輸､配”環(huán)節(jié)對相應(yīng)的自動裝置､繼電保護裝置､故障檢測及診斷裝置等性能提出了更新更高的要求｡而數(shù)據(jù)采集子(卡)系統(tǒng)作為這些裝置的“排頭兵”,其性能直接影響著這些裝置的整體性能,同時也在一定程度上影響著整個電力系統(tǒng)運行的“穩(wěn)定性､安全性”｡ 電力系統(tǒng)中被測參數(shù)的特點: 1)大都是周期性電量; 2)實時性變量; 3)同步性變量——主要指對稱三相電壓､電流等; 4)變化快､隨機性強——主要是指一些干擾性及故障性信號(如:電力傳輸線上浪涌電流､尖峰電壓等),同時現(xiàn)場干擾信號多而復(fù)雜｡ 因此,對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅要求結(jié)構(gòu)上應(yīng)進一步小型化､靈活化､專用和通用的有機結(jié)合以適應(yīng)不同現(xiàn)場信號采集的需要,還要求其應(yīng)逐步實現(xiàn)“數(shù)字化､智能化､自動化”以滿足采集系統(tǒng)實現(xiàn)“高精度､高速度､高可靠性､多功能､多參數(shù)測量”等高性能采集和處理的要求｡基于上述要求和目標,結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護裝置特點,作者在“三路同步采集卡”設(shè)計過程中,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)上作了大膽的探索和嘗試:在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了性價比較為合理的“串并行結(jié)構(gòu)”充分利用單片機體積小､結(jié)構(gòu)簡單､現(xiàn)場適應(yīng)能力強的優(yōu)點以及其豐富的硬､軟件資源及卓越的性能優(yōu)勢,使其實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“微型､靈活”及測試過程自動化的要求;而在采集技術(shù)上依據(jù)被采信號的特點(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了對采集信號頻率的自動跟蹤和系統(tǒng)采集速率的自動變換等;同時采用了軟件實現(xiàn)抗干擾的方式——“數(shù)字濾波和設(shè)置陷阱技術(shù)”,從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能｡通過測試表明:該“智能采集卡”滿足了設(shè)計指標的要求,性能穩(wěn)定且可靠｡ 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標及現(xiàn)場測試的需要,本系統(tǒng)采用串并行結(jié)構(gòu)(見圖1),同時考慮到遠程傳輸和數(shù)據(jù)處理的需要,本采集卡利用單片機的串行通訊口并配以相應(yīng)接口可直接掛接到系統(tǒng)總線上以實現(xiàn)與上位機的實時通訊｡ 1.2 系統(tǒng)基本原理 與通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實現(xiàn)三路信號的同步采集和采集速率的自動調(diào)節(jié);另通過多路開關(guān)的有機組合在實現(xiàn)三路分時轉(zhuǎn)換的同時也實現(xiàn)了雙極性A/D轉(zhuǎn)換器量程的自動轉(zhuǎn)換,從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力｡ 1.2.1 鎖相環(huán)技術(shù) 鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動相位控制技術(shù),于20世紀30年代發(fā)展起來,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信､電子､測控等領(lǐng)域,其結(jié)構(gòu)組成見圖2,主要由相位比較器(PD亦稱鑒相器),低通濾波器(LPF),壓控振蕩器(VCO)組成｡ 其基本原理如下:PD將Vi(t)與Vo(t)的相位進行比較,產(chǎn)生一個與二者相位差成正比的誤差電壓VΦ(t),VΦ(t)再經(jīng)由LPF濾波(濾除高頻分量),得到控制電壓Vd(t),并加到VCO的控制端使VCO振蕩器輸出頻率f2向f1靠攏,直至Δf=0,即f2=f1,從而實現(xiàn)Vi(t)､Vo(t)兩信號的頻率相同而相位差保持恒定(同步),即實現(xiàn)頻率自動跟蹤和相位鎖定｡ 1.2.2 集成鎖相環(huán)CD4046 鎖相環(huán)技術(shù)盡管出現(xiàn)于20世紀30年代,但由于組成鎖相環(huán)的是一些分離元件,因此使其成本高且性能低;同時由于其它一些技術(shù)等因素的影響,極大地限制了其大范圍的應(yīng)用(早期主要應(yīng)用于電視接收機的行掃描電路和供色度信號解調(diào)的副載波振蕩電路等),直到20世紀70年代初期,隨著微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,使得制作低成本､高性能集成鎖相環(huán)電路/芯片得以實現(xiàn)｡現(xiàn)在,鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展,如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)､通信等領(lǐng)域｡作為目前國內(nèi)外最具代表性也是最常見的集成鎖相環(huán)芯片CD4046,由于其集成度高､性價比高､多功能､易組合等優(yōu)點而得到了廣泛使用,其管角排列及邏輯圖見圖3｡ 從圖3可知:VCO的輸出可以經(jīng)由一除法器進行N分頻后,再送至相位比較器Ⅰ,并進而與VI進行相位比較,最后使f2′=f1,二者的相位差恒定,從而實現(xiàn)鎖相｡由于f2′=f2/N=f1,可推得:f2=Nf1,由此表明:盡管從局部看使用除法器完成的是分頻,但就鎖相環(huán)整體而言卻是實現(xiàn)N倍頻｡本文作者正是利用CD4046的這一特性并配以三片可編程計數(shù)器芯片MC14522構(gòu)成120倍頻器(見圖4),從而實現(xiàn)三路信號在一個周波內(nèi)完成120點同步采集｡ 2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1 硬件設(shè)計 結(jié)合上述圖1所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖及測試性能要求,本系統(tǒng)選用當前較為流行的集成度較高的嵌入式8位單片機87C196NT作為主控器(并擴展了一片EPROM-2764),A/D轉(zhuǎn)換器采用性價比較高且內(nèi)含由三態(tài)緩沖器和鎖存器的12位AD1674集成芯片通過三片采樣/保持器新片LF398以及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051和CD4052的有機組合實現(xiàn)三路信號的同步采集以及AD1674分時轉(zhuǎn)換和量程的自動改變120倍頻器由CD4046集成鎖相環(huán)芯片和整型放大器4069及三片可編程計數(shù)器MC14522組成;另外在通訊接口的設(shè)計上選用了當前較為流行的CAN串行通信接口｡其硬件接線結(jié)構(gòu)圖見圖4｡ 2.2 120分頻器設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)要求(在一個周期內(nèi)完成三路共120點采集),本系統(tǒng)選用了鎖相環(huán)芯片CD4046和三片可編程計數(shù)器芯片(MC14522),其中三片MC14522按圖5所示接線圖連接｡圖中個位所示計數(shù)器芯片的輸入端(CP端)接從第三路取樣后經(jīng)4069放大器放大､濾波､整形后的輸出信號而其輸出接4046的PHI1端｡總的分頻系數(shù)N=100N1+10N2+N3,因此,只需給三片計數(shù)器置以相應(yīng)的計數(shù)值便可實現(xiàn)相應(yīng)的分頻系數(shù)｡本系統(tǒng)要求N=120,根據(jù)接線圖可以分別向百位/十位/個位置計數(shù)值1､2､0(即通過單片機向其數(shù)據(jù)輸入端送二進制0001､0010､0000)便可實現(xiàn)120倍的分頻,而對于整個鎖相環(huán)來說則實現(xiàn)了120倍頻｡ 2.3 軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件部分主要是系統(tǒng)主程序､采集子程序､通訊子程序和數(shù)字濾波子程序等設(shè)計,其中采集子程序作為中斷子程序存在;數(shù)字濾波采用遞推中值算法;所有程序采用C語言編寫｡ 數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為一門基礎(chǔ)性和綜合性相結(jié)合的技術(shù),在當今迅速發(fā)展的信息時代里起著“基礎(chǔ)性和導(dǎo)向”作用,而隨著信息技術(shù)､計算機技術(shù)､微電子技術(shù)､控制技術(shù)的快速發(fā)展在大力推動數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展和大范圍應(yīng)用的同時,也對實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的載體——數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出新的和更高的要求:使其進一步朝著微型化､智能化､柔性化方向發(fā)展｡為此,結(jié)合電力系統(tǒng)參數(shù)測試的特點和要求,本文作者在設(shè)計“三路快速､高精度同步采集卡”過程中,圍繞以提高系統(tǒng)性能的目標從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)兩方面都進行了大膽的探索和嘗試｡經(jīng)過測試表明:該“智能采集卡”性能穩(wěn)定可靠,并具有較好的柔性和智能性,較好地滿足了設(shè)計指標和測試的要求｡ |
