基于DSP的發電機電壓擾動量采集系統

陳海宏，魏 巍，姚肖方，萬書亭

（1.蒼南電力有限責任公司，溫州 325802；2.華北電力大學機械工程系，保定 071003）

隨著電網規模不斷擴大，具有快速調節性能的自動控制裝置逐漸增多。但發電機快速勵磁系統在提高系統響應速度的同時，勵磁系統時間常數大大減小，降低了電力系統阻尼，甚至出現負阻尼，使系 統 的 穩 定 性 受 到 影 響［1，2］。電 力 系 統 穩 定 器PSS（power system stabilizer）就是為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術。它在勵磁電壓調節器中，引入領先于軸速度的附加信號，產生一個正阻尼轉矩，去克服原勵磁電壓調節器中產生的負阻尼轉矩作用。用于提高電力系統阻尼，是提高電力系統動態穩定性的重要措施之一［3］。

本文首先提出一種發電機電壓擾動量分析系統，此系統是進行同步發電機無補償滯后特性（相頻特性）測量、PSS性能測試、整定其參數基本儀器之一，能夠完成發電機電壓電流測量、轉子電壓電流測量，頻譜分析、白噪聲輸出及其產生的擾動信號測量等功能。從而通過測量勵磁系統滯后頻率特性、PSS臨界放大倍數等試驗，確定機組PSS參數，使其投入運行。然后重點分析了本系統的數據采集系統軟硬件實現方法和發電機電壓擾動量實時計算方法，并通過三相標準電能表校驗裝置（XL803）進行了采集精度校驗，達到了預期目標。

1 發電機電壓波動信號分析系統總體框架

發電機電壓波動信號分析系統的總體框架如圖1所示，包括硬件部分：互感器、信號調理、采樣芯片、數字信號處理器和白噪聲信號發生器；軟件部分：DSP程序和上位機程序。

圖1 系統總體框架Fig.1 General framework of the system

1.1 硬件部分

1）互感器

三相交流電壓、電流信號采用常規無源高精度電壓、電流互感器；

直流電壓、電流信號采用瑞士LEM集團的電壓、電流傳感器。

2）信號調理

將需要采集的信號進行濾波與調制，生成適合采樣芯片輸入要求的電壓信號。

3）采樣芯片（A／D轉換）

采用數字信號處理器內部的A／D模塊，以節省成本。

4）數字信號處理器（DSP）

采用TI公司的TMS320F2812，該芯片主頻高達150MHz，并有豐富的外設，能夠滿足數據采集和信號處理的要求。

5）白噪聲信號發生器（D／A轉換及驅動）

采用單通道、高精度D／A轉換芯片，將DSP產生的白噪聲數字信號轉換為模擬信號，采用功率運放提升信號的驅動能力，以滿足PSS信號接口的需求。

1.2 軟件部分

1）DSP程序

DSP程序包含以下部分：信號采集、機端電壓擾動量提取、白噪聲信號生成以及與上位機的通信。

機端電壓擾動量的提取采用基于無功功率理論的瞬時電壓有效值實時計算方法，能夠實時測得三相電壓有效值的波動，進而測得機端電壓對控制輸入擾動的響應。

與上位機的通信程序，需要根據自定義的通信協議，實現與后臺軟件的實時交互，完成功能設置（如啟動、停止、錄波等）及參數設置，以及實時上傳采樣或預處理過的波形數據。

2）上位機程序

后臺軟件主要完成圖形界面的顯示、數據的存儲、數據的分析以及同DSP的通信。

2 基于DSP的發電機電信號采集模塊硬件設計

2.1 ADC模塊設計

TMS320F2812芯片內部的ADC模塊，只能同時對兩路信號進行并行采樣，但是在本系統中需要對三相交流電壓、電流和轉子電壓、電流共八路信號進行同步采樣。考慮到三相交流電壓、電流的測量需要比較高的精度和速度要求，使用外置的ADC采樣芯片ADS8365對三相交流電壓、電流采樣，而使用2812內置的ADC模塊對轉子電壓、電流進行采樣。

ADS8365引腳如圖2所示，為了實現ADS8365多個通道的同步采樣，采用2812的T1PWM作為ADS8365的CLK時鐘輸入信號，2812的GPIOF9引腳作為數字I／O口來控制ADS8365的A、B、C三組啟動控制信號HOLDA、HOLDB和HOLDC，這樣六通道的同步采樣，就可以通過控制2812的 GPIO9引腳來實現［4］。ADS8365芯片需要的參考電壓VREF由電源供電系統提供的2.5V作為輸入，芯片的供電電壓接供電電壓的＋5V，此外轉換結束信號EOC與F2812的CAP1相連，使其捕獲信號讀取轉換結果。

2.2 系統電源

（1）TMS320F2812的外部I／O電壓為3.3V，內核電壓為1.8V，需要兩種電平的電源供電，采用TPS767HD318為TMS320F2812提供1.8V和3.3V的直流電源，如圖3所示。

（2）A／D轉換需要VREF為2.5V穩定電壓作為標準電壓，所以通過LM4128－2.5將5V轉換為2.5V，并通過LMV841MG使其穩定輸出，具體電路圖如圖4所示。

圖2 ADS8365芯片引腳Fig.2 ADS8365chip pin connection

圖3 電源芯片Fig.3 Power supply chip

（3）采集信號時須在芯片前加整流二極管，其兩端需要模擬電壓為＋4.3V和＋0.7V，在此將5 V通過電阻RW4、RE5和運算放大器LMV842MA輸出＋4.3V和＋0.7模擬電壓，電路如圖5所示。

圖4 2.5V標準電壓輸出電路Fig.4 2.5Vstandard voltage output circuit

圖5 ＋4.3V和＋0.7模擬電壓轉換電路Fig.5 ＋4.3Vand＋0.7Vsimulate voltage conversion circuit

2.3 電流電壓互感電路

LF－AI11－32是交流電流互感器，它能把外部采集到的電流信號轉化為0～5V的電壓信號，再通過LMV844M運算放大器，送入信號采集單元。交流電壓互感電路和交流電流互感電路如圖6和圖7所示。

此外本系統還需對轉子電壓、轉子電流進行采集，采用LEM電壓、電流傳感器，具體電路如圖8和圖9所示。

2.4 USB通信模塊

本系統使用的是飛利浦D12USB2.0芯片，它有兩個傳輸線：端點1和端點2。端點1使用中斷方式，用于傳輸小量數據；端點2使用批量方式，用于傳輸大量數據。

3 基于無功功率理論的瞬時電壓有效值實時計算方法

為了提高系統響應速度，在電壓發生擾動時能及時提取到電壓有效值的擾動量，需實時求出電壓的瞬時有效值，并對電壓的突變有較高的靈敏度，本文采用了基于無功功率理論的瞬時電壓有效值實時計算方法［5］。

設三相瞬時電壓ea、eb、ec和三相瞬時電流為ia、ib、ic，分別將他們變換到兩相正交的α－β 坐 標上，兩相瞬時電壓eα、eβ和兩相瞬時電流iα、iβ為

瞬時有功功率可定義［6］為

瞬時無功功率可定義為

將三相電壓信號及產生的正弦信號分別代入式（1）和式（2），得出兩相瞬時電壓eα、eβ和兩相瞬時電流iα、iβ，將其帶入式（3）可得到瞬時有功功率為

基于無功功率理論的瞬時電壓有效值計算公式為

4 系統測試

采用三相標準電能表校驗裝置（XL803）來測試系統運行情況，使標準源產生相電壓有效值為155V，頻率為50Hz，幅值為220V。

標準源輸出交流電壓、電流信號經過信號調理部分后，送入硬件系統中，經過A／D部分完成模數轉換，數據存儲在DSP的數據存儲區中；通過調用瞬時有效值函數對數據進行處理，得到電壓、電流的有效值。

本測試采用的方案是：將標準源的相電壓與相電流輸出為固定值，分6組改變相角得到6組標準輸入，然后通過比較程序計算值與標準源的固定值來判斷計算的正確性。6組標準數據如表1所示。

6組標準源信號輸入系統，分別計算有效值，其中Ua、Ub、Uc代表三相相電壓有效值，Ia、Ib、Ic代表三相相電流有效值，U′表示計算出的三相電壓瞬時有效值。比較計算值與標準源輸出值，并計算誤差，如表2和表3所示。

由表1～表3可知，采集計算得到的電壓、電流有效值和標準源的輸出值基本吻合，最大的相對誤差分別為0.387%和0.800%。驗證了所開發的發電機電壓擾動量采集系統的正確性和準確性。

表1 標準源6組數據Tab.1 Six－group data of standard source

表2 相電壓有效值及三相瞬時有效值測量結果及誤差Tab.2 Measurement results and error of effective values of both phase voltage and three phase instantaneous voltage

表3 相電流有效值測量結果及誤差Tab.3 Measurement results and error of effective value of phase current

電壓波動信號分析系統在動模實驗室進行功能測試，采用容量為30kVA的發電機組和RCS9400型勵磁調節器進行試驗。

首先在勵磁調節器上用CoCo80頻譜分析儀加入白噪聲信號，將電機PT三相電壓接入FLC－2中，再將白噪聲信號和FLC－2輸出接入CoCo80的接收端。試驗開始后，逐步增大白噪聲輸出電平，使發電機電壓產生波動，但不超過2%，經過8次平均計算，記錄下勵磁系統頻率響應特性曲線。

然后用電壓波動測試儀向勵磁調節器加入白噪聲信號，將電機PT三相電壓接入電壓波動測試儀的電壓輸入端，再次進行試驗。實驗結果如圖10所示，分別代表相頻曲線和幅頻曲線。

圖10 電壓波動測試儀測試結果Fig.10 Tests results of generator voltage fluctuating analysis system

5 結論

（1）本文研制了一套基于DSP的發電機電壓擾動量采集系統，并通過三相標準電能表校驗裝置（XL803）進行了采集精度校驗，達到了預期目標。

（2）采用TMS320F2812型號的DSP芯片，設計了電壓擾動采集和分析系統硬件電路，能夠實時采集發電機定子三相電壓、電流和轉子電壓、電流，并且能夠實時進行三相電壓擾動量的提取。

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