基于SPARTAN- 6 的35kV 變電站電流采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘航

(貴州大學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 概述

變電站是電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)施,它具備轉(zhuǎn)換電壓、分配電能、聯(lián)結(jié)電網(wǎng)和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓等功能,有必要對(duì)變電站的電流和電壓等模擬量進(jìn)行采集分析。通過(guò)采集這些數(shù)據(jù)信息,建立數(shù)學(xué)模型,有效挖掘其中規(guī)律,不僅能夠?qū)﹄娏κ袌?chǎng)主體參與電網(wǎng)安全管理起到一定的促進(jìn)作用,還能在不同的調(diào)度層面上提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性。

隨著電網(wǎng)智能化的逐步發(fā)展,35kV 變電站的電流采集的實(shí)時(shí)性及可靠性要求也隨之提高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由單片機(jī)或DSP 加外圍電路構(gòu)成,由于FLASH 和片上RAM的容量有限,導(dǎo)致其處理能力有限。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),單片機(jī)和DSP 可能會(huì)因?yàn)楦鞣N干擾因素的影響而不能進(jìn)行正常的程序流程,導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和精確度降低。

可編程門陣列(FPGA)是一種通過(guò)用戶使用可編程的邏輯控制器件,FPGA 芯片內(nèi)含大量的邏輯門和觸發(fā)器,這些邏輯門和觸發(fā)器大多是查找表結(jié)構(gòu),而且一般通過(guò)SRAM進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)的功能是由配置數(shù)據(jù)決定的,其一般來(lái)源于用戶所設(shè)計(jì)的硬件和軟件邏輯。通過(guò)外部接口將可編程器件的配置數(shù)據(jù)加載至芯片的SRAM中。它基于門陣列方式為用戶提供可編程資源,具有處理分析速度快,使用過(guò)程簡(jiǎn)單方便,集成度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且在完成一個(gè)復(fù)雜的時(shí)序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)還能多次靈活重復(fù)編程,可減少硬件的開(kāi)銷。

圖1

基于SPARTAN-6 的電流采集系統(tǒng)的采樣電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可集成在一塊電路板上,簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),在具備強(qiáng)實(shí)時(shí)性的同時(shí),還擁有強(qiáng)穩(wěn)定性。本文將基于SPARTAN-6 芯片設(shè)計(jì)35kV 變電站電流采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變電站的電流通過(guò)霍爾電壓互感器處理,得到可采集的電壓信號(hào),再經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),此時(shí)該信號(hào)為模擬信號(hào),該信號(hào)再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后經(jīng)顯示模塊處理發(fā)送至終端,最后用數(shù)據(jù)線連接到顯示屏對(duì)波形進(jìn)行顯示。電流采集模塊也可接受遠(yuǎn)程終端通過(guò)中繼模塊發(fā)出的操作命令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

SPARTAN-6 系列FPGA 芯片可生成時(shí)鐘信號(hào),進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)序控制以及靜態(tài)隨機(jī)選擇存取存儲(chǔ)器的讀寫,接受并儲(chǔ)存模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。

3 電流采集系統(tǒng)硬件電路

3.1 芯片選型

本系統(tǒng)選擇SPARTAN 系列FPGA 芯片的SPARTAN-6 為核心,型號(hào)為XC6SLX9,256 個(gè)引腳的FBGA 封裝。

Spartan-6 芯片采用45nm 技術(shù)構(gòu)建, 擁有9152 邏輯單元Logic Cells,16 位乘法器DSP48,90Kb 可配置邏輯塊CLBs,576KbBlock RAM,2 時(shí)鐘單元CMTs 和200 可用IO 數(shù)量。具備功耗低、容量大,處理速度快,配置模式多樣等優(yōu)點(diǎn), 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口功能,它還提供高邏輯引腳比、各種支持I/O 協(xié)議等業(yè)界領(lǐng)先的連接特性。

3.2 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器是以霍爾元件為核心敏感元件,利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理進(jìn)行隔離監(jiān)測(cè)電壓的模塊化工作器件,它擁有很好的電氣性能,具備工作線性度強(qiáng)、無(wú)慣性、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 V/I 電路設(shè)計(jì)

電壓/電流轉(zhuǎn)換是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào),轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)將趨于一定程度上的穩(wěn)定,有利于信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸。其電路圖如圖2 所示。

3.4 A/D 電路設(shè)計(jì)

圖2

A/D 轉(zhuǎn)換電路即模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,它由高速AD 芯片、衰減電路以及信號(hào)輸入接口構(gòu)成。A/D 轉(zhuǎn)換電路具備把連續(xù)變化的量或模擬量進(jìn)行離散量化,變化成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量電路的功能。

系統(tǒng)使用的高速AD 芯片是一款8 位32 MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),單電源供電的單芯片,它采用多級(jí)差分流水線結(jié)構(gòu),內(nèi)置片上采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源AD9280 芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3

圖4

采樣保持放大器(SHA)的動(dòng)態(tài)十分性能優(yōu)秀,可適用于在連續(xù)發(fā)展通道中切換滿量程電平的多路復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)。使用片上鉗位電路,將AC 耦合輸入信號(hào)可以偏移至預(yù)定電平等級(jí)。AD9280 具備片上可編程參考電壓源,且可以選擇外部參考電壓。單個(gè)時(shí)鐘輸入用于控制所有內(nèi)部轉(zhuǎn)換周期。AD9280 由2.7V至5.5V 的電源供電,是高速應(yīng)用中低功率運(yùn)行的理想之選。

根據(jù)圖4 的配置,將AD 電壓輸入范圍設(shè)置為0V～2V。

在信號(hào)輸入AD 芯片前,可用一片AD8056 芯片構(gòu)建衰減電路,以保證滿足AD 芯片使用要求。其接口原本的輸入范圍(-5V～+5V)在衰減后變?yōu)?0～2V)。

當(dāng)輸入信號(hào)Vin=+5(V)的時(shí)候,輸入到AD 的信號(hào)Vad=2(V);

當(dāng)輸入信號(hào)Vin=-5(V)的時(shí)候,輸入到AD 的信號(hào)Vad=O(V);

4 電流采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

50hz 頻率通過(guò)分頻模塊處理可化為任意需要頻率,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照芯片可適應(yīng)最大頻率設(shè)置。

100V 模擬電壓信號(hào),通過(guò)采集模塊處理,輸出至顯示模塊,經(jīng)其處理后輸出至顯示屏顯示波形。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)電流采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在ISE 軟件上進(jìn)行仿真并將信號(hào)輸出至顯示屏,得到波形圖,由此可知本系統(tǒng)利用FPGA 處理模擬信號(hào),通過(guò)仿真平臺(tái)ISE 后,完整顯示出了波形,沒(méi)有出現(xiàn)信號(hào)失真,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于SPARTAN-6 系列FPGA 的35KV 變電站電流采集系統(tǒng),通過(guò)選用合適的FPGA 芯片和電路,在成本合理的情況下,實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和較高的采集精度,對(duì)其他的電流測(cè)量具有一定的參考價(jià)值。