电力硬件（通用5篇）
电力硬件 篇1
1 引言
由于过去采用设备预防性试验+设备计划性大修的维护方式[1]导致浪费人力和财力;增加检修停电时间和停电次数,造成频繁的运行操作,增加了误操作的事故率;检修过程中产生新的设备隐患;使设备总体寿命下降。
本文所研究的电力变压器热保护系统即克服了传统方法的缺点又有以下优点:通过降低维修次数,延长大修时间间隔,减少停运损失,提高电力变压器可靠性和运行有效度,节约电力变压器维护费用,降低电力变压器全寿命周期成本;能够预报电力变压器热故障发生的时间和起因,可以有效地防止突发事故的发生。
2 系统的总体构成
本系统由传感器、终端采集器和上位机组成。其中传感器用来采集温度信号;终端采集器是监测系统中信息传输和处理的关键环节,处于承上启下的地位;上位机完成的任务有:循环访问各终端采集器,并对采集器的数据进行收集;显示发电厂内电力变压器及相应温度传感器分布位置;实时显示各传感器数据;通过程序扩展,可完成全厂变压器管理。
3 单线数据温度传感器
本系统采用单线数字温度传感器DS18B20,它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理,在一条总线上可挂接任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出的信息或写入D S 1 8 B 2 0的信息,仅需要一条数据线(单线)来传输,读写及温度变换功率来源于单线。
4 终端采集器电路设计
终端采集器是整个系统最核心的部件,它以A T 8 9 S 5 2单片机为核心,由主电源电路、温度采集电路、通讯电路及显示电路几个部分组成,负责完成采集温度传感器传输的数据、显示数据结果、并以RS-485通讯协议与上位机通讯等功能[2,3]。终端采集器原理框图如图1所示。
系统工作原理如下:DS18B20进行现场温度测量,将测量数据送入AT89S52 P1口,经单片机处理后显示温度值,并与设定的报警温度上、下限值比较,若高于设定上限值或低于设定下限值则蜂鸣器发出报警,继电器用于控制电力变压器的运行状态及调节温度。
5 主电源电路
主电源为监测系统各个元件提供可靠、稳定的电源。监测系统中采用D C 5 V电源,分成完全独立的两路,供给CPU、光耦、温度传感器、各芯片等[4]。电路图如图2所示。
主电源电路的输入为交流电压,为了保证能够让系统工作在稳定情况下,延长使用寿命,并考虑系统实际抗干扰需求,交流电压选择3 6 V左右。外部电源引入后,先经由整流桥整流并滤波后引入各稳压模块(芯片)的输入端。电源由一片输入电压为36V、输出电压为5V的D C/D C电源模块组成。
6 温度传感器数据采集电路
温度传感器数据采集电路主要完成对终端采集器所带的各温度传感器DS18B20的实时数据采集。由于每一个DS18B20有唯一的系列号,多个DS18B20可以存在于同一条单线上。经验证明,距离在300米以内时,每个单线上驱动20个DS18B20不会出现读数故障。但考虑到现场实际情况,每个单线上要求驱动DS18B20个数5个以内。
为了加大通讯的安全距离,每路单线采用了4.7 kΩ的上拉电阻,加大驱动电流。根据实验证明,每一个微处理器端口在连有8个传感器的时候,正常的安全距离为300m;但是由于现场条件所限,我们采用的安全距离应当<5 0 m。
系统中DS18B20数据采集电路如图3所示:
7 通讯电路
本系统采用MAX485作为RS-485信号发送和接收器。M A X 4 8 5芯片集成了一差分驱动器和一差分接收器。
图4给出了系统所使用的RS-485通讯接口部分电路,AT89S52的端口P3.3、P3.4分别连接至MAX485接口的D E和R E端,以控制发送器和接收器使能。M A X 4 8 5的D I和R O端口分别接至单片机的T X D与R X D引脚,以进行数据交换。M A X 4 8 5的A和B端为485网络的差分信号输入/输出端,二者之间应串接一个120Ω的电阻,且RO、RE、DE、DI四个引脚均应连接上拉电阻。
系统中设有多个终端采集器,各终端采集器都要有自己的特定编码,以便被上位机查询。系统采用4位LED数码管构成终端采集器的显示部分,主要是为了显示本终端采集器中一些必要的数据而设计的。考虑到AT89S52端口数量限制问题,LED显示控制线与地址编码采用端口P0,其中P0.0～P0.4分时用于LED显示控制线与地址编码,由两片多路模拟开关CD4053来切换。
系统中模拟开关CD4053只作为采集器地址编码与LED显示的切换,仅涉及到CD4053的两种工作方式,即A、B、C全部为0或全部为1,系统设计时A、B、C端全部由端口P3.5控制。当A=B=C=0时,端口P0.0～P0.4作为地址编码接收线,当A=B=C=1时,端口P0.0～P0.4和端口P0.5～P0.7一起作为LED的控制端口。
8 键盘输入及指示电路
单片机4位键盘输入电路及相应2个指示灯分别采用端口P2.0～P2.3和P2.4～P2.5来实现。通过4个按键来实现对单片机工作启停时间及各传感器紧急控制温度线等的设置,实现变压器热保护系统的时间温度联合控制。两个指示灯可指示LED输入的四种状态:“00”表示对单片机工作启停时间进行输入;“01”、“10”、“11”分别指示对三个传感器紧急控制温度线的输入状态。四个按键的功能如下:按键1实现对4种输入状态的设定,指示灯同时进行4种输入状态的指示;按键2、按键3分别实现输入数据的+和-,以完成对数据的设定;按键4为确定键,每次输入完成按“确定”键予以确认。由于本系统需要键盘数较少,该模块和单片机连接的4个端口直接提供对各按键的控制信号。
9 电磁阀控制电路
微机保护装置发出的跳闸命令和中间信号等经光电隔离器件带动中间继电器,最后由中间继电器的触点再带动交流接触器执行相应的功能。系统中用一片模拟开关CD4053来实现电磁阀控制电路和键盘输入共用端口切换。由于模拟开关CD4053只作为采集器键盘输入与电磁阀控制的切换,仅涉及到CD4053的两种工作方式,即A、B、C全部为0或全部为1,系统设计时A、B、C端全部由端口P3.7控制。端口P2.0～P2.2分别作为模拟开关CD4053的三个输入端,当A=B=C=0时,端口P 2.0～P 2.2及P 2.3作为键盘输入控制端口。当A=B=C=1时,端口P2.0、P2.1分别作为电磁阀控制端口,端口P2.3控制一个蜂鸣器。
1 0 结束语
发电厂电力变压器热保护系统的硬件总体设计方案采用了“分散—集中—再集中”的模式。最基层为传感器元件,采用单线数字传感器DS18B20作为温度传感器;第二层为终端数据采集器,负责对传感器采集的数据进行收集,并加以显示;第三层为上位机,对各终端采集器传输的数据进行显示、处理。
摘要：变压器是整个电力系统中最重要的设备之一,其运行的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性。电力变压器的内部故障主要是过热性故障,因此研究变压器的过热故障具有很大实用价值,本文提出了电力变压器热保护系统,从终端采集电路、电源电路、数据采集电路、通讯电路、显示电路和键盘输入电路和控制电路详细介绍了本系统的构成和原理。
关键词：变压器,电力系统,热保护
参考文献
[1]唐淘.国内外变电站无人值班综合自动化技术发展综述[J].电力系统自动化,1995,19(10):10-17
[2]求是科技.单片机通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005
[3]孙育才,王荣兴,孙华芳编著,ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M].北京:清华大学出版社,2005
[4]罗睿.发电厂电缆放火监测系统的研制[D].北京:清华大学机电系,2004
摩托罗拉：成于硬件，败于硬件 篇2
对众多70后、80后来说，“Hello Moto”的铃声是对青葱岁月的一种记惦，而拥有一部曾风靡一时的Razr手机，在当时更是一件相当有面子的事情。然而，在如今由苹果和三星把持的手机市场，摩托罗拉早已风光不再。
2013年中，摩托罗拉掀起中国区第二轮裁员潮，大中华区总裁也同时离职。而早在2011年1月，曾贵为高科技行业巨子的摩托罗拉黯然分家，被拆分为摩托罗拉系统（Motorola Solutions）和摩托罗拉移动（Motorola Mobility）。同年8月，谷歌斥资125亿美元收购了后者。兴旺近百年的摩托罗拉基本就此退出了高科技产业的舞台。虽然黯然落幕，但在高科技，尤其是无线通讯史上，摩托罗拉曾经是开创一代先风的领军式企业，为人类科技进步做出过巨大的贡献。
坚持技术为本的辉煌
作为高科技史上的一个传奇，在近百年的历史中，摩托罗拉曾率先开创了多个崭新的产业，并长期居于领先地位，辉煌成就无人匹敌。
这家鼎鼎大名的企业由波尔和约瑟夫盖文兄弟在1928年创立于芝加哥，最初称为盖文制造公司（Galvin Manufacturing Corporation），以生产电池收音机的家用电源起家，而后其生产的汽车收音机大受欢迎，也因此改名摩托罗拉，即汽车（motor）和当时流行的品牌后缀（-ola）的合称。
二战中，摩托罗拉出尽风头，为美军提供当时技术最先进的战地步话机，这种步话机也成为了现代手机的雏型。战后，摩托罗拉进入电视制造业，率先推出长方形彩电显像管，而且还前瞻性地打造出集收音机、播放机和电视三位一体的产品系统，堪称史上第一代家用综合娱乐中心，因此而成为视听娱乐的代名词，俨然是当年的索尼。不仅如此，20世纪90年代初，摩托罗拉电视部还率先提出高清数字电视的整体技术指标，却因概念太过前瞻而未获美国联邦通讯委员会的认可。如若当年摩托罗拉能够获得政府的支持，并再接再厉，今天的高清数字电视市场绝非是三星的天下。
20世纪70年代，摩托罗拉成功进入芯片产业，与英特尔和德州仪器争雄，并推出苹果早期电脑所依赖的MC6800系列芯片。当然，最令摩托罗拉引以为荣的还是其在无线通讯领域的成就。早在60年代，它就为美国国家航空航天局（NASA）的水星探索器和登月飞船提供通讯设备，并在1973年推出全球第一款真正意义上的移动电话。更令人惊讶的是，摩托罗拉早在1998年就开发出在技术上无与伦比的铱星系统（Iridium satellite system），利用低空66颗连网卫星实现不依赖于地面基站的无线通讯。因此，在模拟无线通讯领域，摩托罗拉是无可争议的霸主，其强大的技术优势无人能敌。
20世纪90年代初期，经过多年积累的摩托罗拉在移动通讯、电脑芯片和数字信号处理领域都居于全球领先地位，年收入曾逾百亿美元。多年来，它几乎就是美国技术领先的象征，位于技术革新的最前沿，多次开拓新产业，引领时代向前。在高科技历史上，像摩托罗拉一样在如此多领域内做出重大贡献的企业相当罕见。它简直就是高科技企业全才，成就几乎是前无古人，恐怕也是后无来者。
其实，如果摩托罗拉能在它曾称雄的任何一个领域中保持优势，它的辉煌帝国或仍能延续。但可惜的是，其电视和芯片业务都遭受败绩，不得不黯然退出；更致命的是，赖以安身立命的手机业务在2004年推出风行一时的Razr手机后就再无作为，任由诺基亚、苹果、三星等瓜分其曾经拥有的大好江山。从那以后，摩托罗拉再无骄人战绩，虽然多次换帅，仍然无力回天。其业绩一路下滑，最终导致帝国分崩离析，一切辉煌俱成明日黄花。
智商超群，情商过低
摩托罗拉曾犯下的若干战略性失误，直接导致了其帝国的坍塌。早期最大的失误，莫过于在家族继承人罗伯特·盖文（Robert Galvin）任期，耗费巨资开发的铱星无线通讯系统。虽然这个系统是第一个真正意义上的全球无线通讯系统，在技术上极其成功，但因为用户群过小，成本太高，在商业上是一个巨大的失败。不但60亿美元的投入几乎血本无归，而且此项目耗费了摩托罗拉大量的精力，使其无法专注于更为关键的技术变革，即手机从模拟技术时代到数字时代的根本性跨越，直接造成了摩托罗拉最终的衰亡。而与此同时，诺基亚却把握住机会，实现了对摩托罗拉的赶超。其后，三星和苹果的大举挺进更是让摩托罗拉复兴无望。
当然，错失此关键朝代变革的深层原因在于摩托罗拉的文化。摩托罗拉一贯以技术为纲，本质上是一个硬件制造型企业。而且，摩托罗拉从B2B型企业起家。这些特征都使得它过于看重技术和质量，而对普通大众用户不断变化的需求缺乏准确的把握。在数字化新时代，手机用户的购买趋向已发生深刻变化，即从硬件向软件过渡。而现今的时代，所有手机的硬件性能基本持平，用户已不再关注硬件性能上的轻微提高，软件成为各品牌差异化的关键。更关键的是，手机不再是通话工具，而是一台微型电脑，用户需要的是软件和内容出众的综合体验。但摩托罗拉却固执地坚持原有模式，没有向数字化变革，而是不断推出Razr的相似版，如Rokr和Krzr等，和时代大方向逆行，其失败是必然的。
其实，摩托罗拉也并非完全没有意识到这种朝代的变更，但因为它的硬件制造文化和在模拟手机领域的辉煌，也就缺乏了壮士断腕的魄力和能力。所以，在宏观战略方向上，它非但没有以软件为主导的智能手机替代传统手机的意图，反而任由盈利主力传统手机部门掌控研发方向。因此在开发软件和内容上，一直三心二意。虽然它至少比竞争对手领先两年，却始终没有全力以赴，终于被他人赶超。
从某种意义上，这也是摩托罗拉的宿命。它诞生于文化缓慢而保守的美国中西部，虽身处高科技行业，却和硅谷企业的风格完全不同。在危机面前，作为一个曾经屡创辉煌的硬件制造型企业，摩托罗拉从未有应有的紧迫感，导致行动太慢，变革过缓。
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在用户需求日新月异的手机市场，时尚、体验和情感而非技术成为产品价值的主导，曾经靠科技实力战无不胜的摩托罗拉显得茫然不知所措。可以说，摩托罗拉是一个典型的智商超群、情商偏低的高科技企业。但可惜的是，高科技产业已进入情商称雄、内容为王的移动智能平台时代。摩托罗拉真可谓成于硬件，也败于硬件。
缺乏强力领袖 帝国分裂难合
当然，所有问题的根源都归于，摩托罗拉一直缺乏强有力并高瞻远瞩的领袖人物。在风云变幻动荡不安的高科技产业，强有力的领袖决定一切。
摩托罗拉早在上世纪90年代就开始遭遇困难，其后，家族传人克里斯·盖文（Chris Galvin）出任总裁，试图重振雄风。他虽然进行了大幅改革，如更换高管层，提高研发效率，引入高效的供应链管理，并进行Razr的开发等。但他资质平平，缺乏管理这个庞大帝国的能力。各部门间持续内斗频繁，缺乏协作，严重制约了摩托罗拉的发展。
盖文的继任艾德·詹德尔（Ed Zander）曾任职于太阳微系统（Sun Microsystems，2009年被甲骨文公司收购），对管理高科技企业应驾轻就熟。从表面上看，他改善了企业财务状况，引入了更愿承担风险的企业文化，同时推出了极其成功的Razr手机。但实际上，他任职的4年却让摩托罗拉陷入更深的泥潭。首先，为获取市场份额，他主导了Razr的大幅降价，严重影响了摩托罗拉的利润额。更重要的是，他倾向于购买技术，而非自主研发，从根本上削弱了摩托罗拉的研发能力。在他任职之前，摩托罗拉在美国的专利数始终保持在前10位。而由他执掌帅印后，专利排名竟然在2005年降至第34位。因此，摩托罗拉无法成功推出Razr的下一代强有力产品，给诺基亚、苹果和三星提供了绝好的赶超机会。当然，詹德尔也始终未能解决长期困扰摩托罗拉的内斗问题。而其之后的总裁一样默默无闻，缺乏力挽狂澜的能力。
快速深刻变革 方是持久王道
高科技产业是一个非常特殊的产业。它的运作环境、用户需求和技术升级变化不仅迅速，而且过于剧烈，同时竞争又极其残酷。今日风光无限的领袖很可能成为明日败亡的阶下囚。成住坏空的存在规律在高科技行业表现得尤为明显。所以，在这个行业，衰败是必然的。能够长治久安则是特例。上一代曾称霸天下的企业如微软、英特尔、惠普、SAP、戴尔、索尼、诺基亚和RIM等今天都在挣扎或已经消亡就是明证。
在高科技行业，要想逆势而行、创造奇迹，只有一个方法，就是对市场和技术的变化具有深刻的洞察力，并且不断深度并快速地变革，敢于壮士断腕，不但要经常放弃现有产品线和现金流，而且要改变企业文化和基因，以求与时俱进。企业，尤其是达到一定规模的企业都是抗拒变革的。能够让企业不断升华的可能性只有一个，就是有一个雄才大略、高瞻远瞩且强有力的领袖，如苹果的乔布斯（Steve Jobs）、IBM的盖斯纳（Lou Gerstner）、亚马逊的贝佐斯（Jeff Bezos）、谷歌的佩奇（Larry Page）和甲骨文的爱里森（Larry Allison）等，不断引领企业向前。没有这样的领袖，企业无论今天多么昌盛辉煌，覆灭不但是必然的，而且就在不远的将来。
作为曾创造了无数传奇的企业，摩托罗拉不但在诸多技术领域持续实现了重大突破，鲜为人知的是，它还创立了今天无数企业奉为制胜法宝的六标准差质量管理方法（six sigma）。就是这样一个实力超群的高科技巨人，也在时代变革中被大浪冲垮，这其中的教训不得不让人深思。
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电力硬件 篇3
1.1 可靠性
可靠性要求硬件平台具有较强的抗电磁干扰能力。装置工作在具有较强电磁干扰的电力系统现场, 必须具有对电磁辐射、静电、快速瞬变和耐压等电磁干扰具有3级以上的抵抗能力;一旦装置出现故障, 必须具有可靠的闭锁措施。
1.2 CPU工作的快速性和计算的准确性
由于数字式保护装置主要通过对电量的采样和运算来识别故障的, 对50Hz的交流电量采样并进行傅立叶变换, 一般最低频率要求为600Hz, 多大在1200Hz以上。
1.3 具有先进的通信接口和标准的通信规约
数字式保护、监控装置、能量管理系统、网络构成电力综合自动化系统, 要求变电站、水电站等现场实现无人值班, 信息的传递依赖通信网络, 先进的通信接口才能保证网络的可靠性, 标准的通信规约实现网络的兼容性。
2 以DSP为核心的平台主板
平台的基本配置有如下。
16路开关量输入通道。输入隔离等级为DC24V, 且装置内部也不配置开入调制元件, 22OV开入经隔离端子进入装置, 主要功能是开关位置信号采集, 生产开关量遥信或SOE。其次作为“硬压板”, 采集压板状态以闭锁或开放保护。
16路开关量输出通道。DC24V光电隔离输出, 不直接对外输出, 而装置对外的输出是继电器空接点或跳闸操作回路, 是由CPU开出通过内部电路驱动的。开出在驱动继电器的同时, 自身具有反馈通道, 用于实现通道自检。反馈信号被引回主板的一路专用开入中。自检时, 各个开出通道轮流发出lms脉冲, 脉冲不会对开出继电器造成实际动作, 从而实现对所有开出的自检。
12路模拟量输入通道。模拟量经变送器隔离, 前置低通滤波器, 运放变换后进入A/D转换芯片, 转换精度为带符号14位。模拟量通道也有自检措施, 在A/D芯片16路模拟量中, 专门有四路负责芯片本身及其外围电路的状态自检, 在这四路通道中加入特定电平, 通过不断对该电平采样, 当采样值偏离设定值时, 处理一种方式是如果偏差在正常范围, 检测值用来调节A/D的零漂或温漂, 如果超出允许范围, 则向网络报告报模拟量通道出错报文, 从专用告警开出驱动告警继电器发出中央信号, 以便及时维护。
3 差动保护装置应用
HST31A数字式变压器保护装置功能配置如下: (1) 差动速断保护。 (2) 动比率制动的差动保护。 (3) CT二次断线判别。 (4) 高、中、低各侧过负荷告警。 (5) 差动电流越限告警。 (6) 过电流启动通风。 (7) 过电流闭锁调压。励磁涌流识别采用二次谐波制动方式。装置软件包括1个主程序和2个中断服务程序。主程序功能, 管理各种软件功能模块, 包括数据处理模块、开入信号处理模块、开出驱动模块、保护功能模块、报文产生模块;实现各个模块之间的逻辑关系和执行顺序;与中断服务程序接口, 处理中断服务程序产生的实时数据。
定时采样中断服务程序, 由定时器中断源触发, 中断时间为20/24ms即1200HZ。功能:模拟量采样, 实现滤波算法;开入采样, 实现对开入信号滤波, 产生开关量的SOE, SOE的分辨率为1ms:实现外部GPS信号的绝对时钟和装置内部SOE的相对时钟;串口通信中断服务程序, 指与MMI的内部通信。串口中断实际上包括两种中断, 即通信数据的接收中断和通信数据的发送中断, 以上三个程序有机结合同时又独立运行, 程序之间通过标志位和数据进行接口。特别是主程序和定时器采样程序的配合问题是程序结构的关键, 主程序是一个无限循环程序, 但循环周期是确定的, 与定时器周期匹配 (见图1、2) 。
总之, HST3lA数字式变压器保护装置己经通过国家继电器检测中心检测, 各项指标都达到了国家标准和企业标准, 具有实用价值。
参考文献
[1]叶东印.110kV某变电站1#主变保护误动分析及改造方案的研究[J].电力系统保护与控制, 2009 (3) .
电力硬件 篇4
电力系统在受到扰动后,能凭借系统自身固有的能力和其他设备的作用,恢复到原始稳态运行方式,或者达到新的稳态运行方式。保证电力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件,只有在电力系统稳定的条件下,电力系统才能向各类用户提供符合质量要求的电能。
在电力系统可能发生的故障中,对电力系统运行和电力设备危害最大,且概率最大的首推短路故障。短路故障指正常运行情况以外的相与相之间或相与地( 或中性线) 之间的接通[1]。
产生短路故障的主要原因是电力设备绝缘损坏。常见的有:雷击过电压或操作过电压引起绝缘子、绝缘套管表面闪络( 电弧放电) ; 由于绝缘材料老化等原因,在过电压甚至在正常电压下发生绝缘介质击穿; 风、雪、地震等自然灾害以及鼠、鸟等动物跨接裸露导体造成短路[2]。
在电力系统运行过程中所发生的故障类型按时间的长短可分为永久性故障以及瞬时性故障两种。电力系统永久性故障指的是故障长期存在并稳定于某个状态。电力系统瞬时性故障则指的是电力系统在运行过程中出现短时性不稳定运行的故障。
目前我国研发生产的电力系统微机保护或其他装置主要是针对电力系统的永久性故障。对于电力系统的瞬时性故障由于缺乏对电气模拟量的有效高速同步采集而常常采用自动重合闸的方式进行提高供电可靠性,这种方式体现了无法实现高速采样并通过算法检测出电力设备绝缘状态的无奈[3]。
我国在电力系统中对电气模拟量信号的采集,无论是大规模使用的微机保护采样系统还是数字化变电站中使用的采样系统,每个工频周期的采样率基本都小于200点/周波,也就是说在电力系统中,能被现有的采样技术采集到的有效谐波次数一般不会超过40次。而根据实际的工程实践以及采样定理的研究发现,在采样率为200点/周波的情况下,装置能够分辨的最高谐波次数不会超过20次谐波,采样点数少将无法获取瞬时性故障的有用信息[4]。
因此随着电子科技的不断发展,高速AD转换芯片、高速采样控制器也越来越多的应用到电力系统中。
针对上述情况提出了适用于电力系统高速同步采样系统的软硬件技术。该技术采用FPGA控制高速AD采样转换芯片并在FPGA内部开辟双口RAM[5],这样保证了FPGA + AD转换整个系统的稳定性并且降低了整个系统硬件成本。目前该技术已经广泛应用于弧光检测、绝缘监察、雷击过电压检测以及小电流接地选线等领域。
1 电力系统中高速采样系统的硬件设计
1. 1 互感器
目前微机保护或其他监测电力系统电气量的主要设备还是互感器,互感器主要分为电磁式电压互感器、电磁式电流互感器。由于电磁式互感器在传变电气模拟量时有磁饱和、相角误差大、能量损耗大等缺点注定不适用于瞬时性故障的电气量检测,也不适用高速信号的检测。
要实现高速信号的传变,必须使用有源器件并且避免上述传统的电磁式互感器的缺点。霍尔传感器、罗氏线圈正好可以满足要求。电流的测量可采用罗氏线圈,而电压的测量可使用霍尔传感器。
罗氏线圈( Rogowski线圈) 又叫电流测量线圈、微分电流传感器,是一个均匀缠绕在非铁磁性材料商的环形线圈。输出信号时电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路,就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点,其可广泛应用于继电保护,可控硅整流,变频调速,绝缘监测、雷电信号采集等场合。罗氏线圈具有以下特点:
( 1) 适用电流范围大,无饱和;
( 2) 具有良好的线性度;
( 3) 带宽范围大;
( 4) 无二次开路危险;
( 5) 过流能力强;
( 6) 不易受外界电磁干扰;
( 7) 低功耗、重量轻、安装方便。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器具有以下优点:
( 1) 霍尔传感器可以测量任意波形的电压;
( 2) 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离;
( 3) 线性度好;
( 4) 带宽范围大;
( 5) 测量范围大;
( 6) 过载能力强;
1. 2 AD 转换芯片
在电力系统中由于被测电气量比较多,装置研发生产厂家往往从成本考虑会使用串行接口且位数较低的AD转换芯片,在使用这类AD转换芯片时需在前级增加多路转换开关。由于AD为串行数据接口,速度上不可能做到很快,再加上多路转换开关,要想实现高速采样系统是不可能的。
AD转换芯片是采用6通道同步采样16位并行数据接口芯片———AD7656。该芯片具有以下特点:
( 1) 片内集成6个16位250 ksps的ADC;
( 2) 6个真双极性、高阻抗模拟输入;
( 3) 高速并行数据接口。
AD7656主要应用于电力线路监控和测量系统及仪表和控制系统中。AD7656的功能框图如图1所示。
1. 3 高速采样系统的控制器
以往控制AD转换芯片的控制器多为CPU。CPU通过通用I / O管脚与AD芯片的控制信号相连来控制AD转换芯片。在低速采样系统中,由于采集的信息量较小,CPU能够分身对AD芯片进行控制,但当在大容量、高速的采集系统中时,CPU将会无暇来控制AD芯片了。
因此在电力系统中为了实现高速采样系统,必须采用单独的控制器来控制AD芯片,在本设计中,作者使用ALTERA公司生产的FPGA来对AD芯片进行控制,并且在FPGA内部开辟了双口RAM实现对数据的缓存作用。这样做的目的可做到降低成本的、提高可靠性。
1. 4 高速采样系统硬件总构成
电力系统中的高速采样系统由上述三部分组成,整体硬件构成图如图2所示。
2 电力系统中高速采样系统的软件设计
由于高速采样系统的硬件主要是用FPGA控制的,因此高速采样系统的软件将采用目前国际上比较流行的可编程硬件描述语言Verilog HDL进行编写的。高速采样系统的软件实现主要包括: 基准定时采样系统、A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。
基准定时采样系统是实现对电力系统电气信号同步采样的系统基准,当FPGA检测到基准定时采样系统信号到来时,FPGA才启动A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。基准定时采样系统可有另一控制器产生或GPS时间信号。
AD转换控制系统,FPGA的I / O管脚连接到A / D转换芯片的转换、读数据等信号线上,当检测到基准定时采样系统后将控制A/D芯片的所有通道进行同步高速采样。
双口RAM控制系统,在FPGA内部开辟两片双口RAM区,这两片双口RAM之间将采用乒乓切换的方式进行存储数据。FPGA的I / O管脚与其内部的双口RAM的一端地址总线、控制总线、数据总线相连,实现FPGA控制双口RAM将A/D转换芯片传输过来的数据按一定的地址空间存放,当一个双口RAM存满数据后,FPGA将会把AD传输过来的数据存放到另一片双口RAM中,这样可保证大容量数据的缓存[6]。
FPGA控制双口RAM在一定的地址空间内存放数据完成后,FPGA将会产生一个中断信号,该中断信号与CPU的外部中断源相连接,当CPU检测到该中断信号有效后,CPU将释放数据总线、地址总线、控制总线来读取双口RAM中缓存的数据。当CPU读取双口RAM的第一个地址中的数据时,FPGA将会收回中断信号,使该片双口RAM准备好进行下一次的数据缓存。高速采样系统的软件控制框图如图3所示。
软件代码省略。
3 仿真分析及实例分析
当电力系统中的两相信号线处于亚击穿状态时所产生的信号最高频率在10 k Hz,根据采样定理及实际工程实践,要想采集到10 k Hz的信号,A/D的采样频率必须要达到70 k Hz,因此按照工频周期计算采样频率的话则为1 400点每周波。在FPGA中设置采样时间间隔为1 ms,采用A/D转换芯片为16位AD,则1 ms的时间间隔将得到的采样数据为nx70x16bit = 3 360 bit( 式中“n”代表的是n路模拟信号输入通道数) ,在电力系统中n一般不会超过16,因此在电力系统中1 ms的采样时间间隔所得到的采样数据位数为: 16x70x16 bit = 17 920 bit[7]。
FPGA采样控制的设置: A / D转换时间为最长为70 μs,可设置为35 μs为转换时间,35 μs数据读取时间。AD7656的时序控制图如图4所示。
AD7656的时序时间表1所示。
由图4及表1可以看出,采用AD7656转换芯片足以满足采样70 k Hz的模拟量信号。
根据FPGA控制AD7656的引脚框图可编写软件程序,并进行仿真测试,测试结果图5所示。
通过仿真波形以及AD7656的时序波形可以看出,AD7656的控制程序能够实现对AD7656的有效控制。
实际采样输出的波形如图6所示。
4 结束语
大量的试验结果及现场运行表明,在电力系统中采用高速采样软硬件系统将能检测到以前没有注意到的信号,并对电力系统的稳定运行提供安全保障。
本文是在硬件及软件实现的基础上完成的,分析了电力系统中高速采样的重要性以及可行性。经过分析可得出以下结论:
( 1) 高速采样系统能够使CPU或控制系统更好的得到电力系统故障瞬间所发生的一些暂态信息,从而使得电力系统能更好的安全、稳定的运行。
( 2) 同步高速采样系统能够准确的反映电力系统整体电气量的变化,从而能使值班人员或专业人员比较好的分析电力系统的运行信息,提早找出电力系统的薄弱环节。
( 3) 高速采样系统在电力系统中的应用将会对电力系统的故障类型分析提供准确的支撑。
鉴于以上优点,我们强烈建议在电力系统中采用高速同步采样系统。
摘要：随着电子科技的不断发展以及新算法的不断提出,高速采样在电力系统中的应用越来越受到重视。分析了用FPGA控制高速AD采样转换器的高速同步采样硬件的可行性,并且分析了用Verilog HDL硬件描述语言实现高速采样系统的软件实现方法,在此基础上还分析了高速采样系统对电力系统中的高次谐波的采集的可行性,在现场运行的装置录波数据中验证了采用FPGA+AD实现高速同步采样的可行性。
电力硬件 篇5
目前,国内的谐波检测与分析装置在测量精度及实时性等方面存在不足。而嵌入式作为一门新兴技术,在数据处理的实时性及算法计算的精确度等方面有了很大的提高,又由于其体积小及功耗低等特点受到了广泛的青睐。笔者以ARM及其硬件电路设计为主,以μC/OS-Ⅱ为操作系统,同时结合快速傅立叶变换(FFT)对电力系统进行谐波分析[1]。
1 硬件设计(1)
1.1系统整体设计
整个系统由电压(电流)互感、低通滤波、采样保持、A/D转换、过零比较及锁相环等多个部分组成,系统结构如图1所示。首先将被测信号输入至电压(电流)互感器,使电压与电流的幅值转换到ARM芯片允许的测量范围之内,然后经过低通滤波滤除高频干扰信号,再经过A/D转换将信号送至ARM处理器,同时由锁相环和过零比较得到基波的频率,将得到的频率导入ARM处理器。ARM芯片在处理过程中利用FFT变换计算谐波含量和电力系统中运行的一些参数,最后将结果存储到相应的存储器中。
1.2 ARM芯片简介
在硬件设计中,笔者以三星公司的16/32位RISC处理器S3C44B0X为ARM处理器。其内部部件有:8KBcache、SRAM、LCD控制器、四通道DMA、二通道UART、有PWM功能的五通道定时器、同步SIO接口、PLL倍频器、I/O端口、RTC、八通道十位ADC和IIC-BUS接口[2]。
1.3 信号采样与低通滤波
被测信号通过互感器时,系统对这些电压、电流信号的大小进行转换,图2所示为电流、电压互感器的典型连接方法。
该检测系统采用允许温度范围大且带宽高的运算放大器OP07与RC网络连接组成的二阶抗混叠滤波器。此二阶抗混叠滤波器可以有效地抑制和消除混叠现象对所测信号的干扰,同时可以滤除高频分量,缓冲A/D转换时产生的能量冲击,将所测信号变为有限带宽信号再送至A/D转换器[3]。
1.4 同步采样
同步采样可以使测得的信号准确无偏差。同步采样的方法主要有软件同步和硬件同步两种。延时高、同步性较低是软件同步方式的主要缺点;而硬件同步方式在这两个方面优于前者,并且能满足实时性监测。在同步采样的实现上,本系统使用的是锁相倍频的方式,如图3所示[4]。
在采样过程中,采样信号频率必须随着工频信号频率的变化而变化,这样,在运用FFT算法进行频谱的分析过程中,不会发生频谱泄漏现象。笔者采用了频率跟踪电路对工频信号进行实时追踪的方法,对采样频率进行及时的调整。该模块主要包括锁相倍频电路和整形电路,其工作原理为:把输入信号变为方波信号,再通过锁相环将频率倍频后作为A/D采样频率。
1.5 A/D转换
ADS7864是一种双12位逐次逼近式转换器。它工作速度快、功耗低,有一个高速并行接口和6个数据寄存器,其工作电压范围为0～5V,工作温度范围为-40～+85℃。工作时,两个A/D转换器上3对(6个)输入端能同时运行,其电路结构如图4所示,此转换器采用循环模式读取各通道数据。为确保电压电流同步采样,这里将ADS7864的HOLDA、HOLDB和HOLDC 3个端口接在一起,BYTE端连低电平[5]。
2 软件设计
2.1 操作系统的移植
这里采用μC/OS-Ⅱ作为操作系统。μC/OS-Ⅱ是一个免费的嵌入式操作系统,由于其性能高及源代码公开等特点,使得其应用越来越广泛,在使用之前需要对其进行移植[6]。
要使μC/OS-Ⅱ移植到处理器上并能正常工作,处理器必须具备以下条件:
a. 处理器C编译器必须能产生可重入代码;
b. 用C语言可直接打开、关闭中断;
c. 处理器支持中断并在需要时能产生定时中断;
d. 处理器支持容纳一些硬件堆栈;
e. 处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出或存储到堆栈或内存中的命令[7]。
这里选用的开发工具是ARM SDT编译器,当上述条件满足时,就可以进行移植工作了,具体步骤如下:
a. 基本定义与配置初始化,包括定义OS_TASK_SW宏、使能和禁止中断宏,以及堆栈的增长方向等;
b. 移植OS_CPU_A.ASM文件中4个汇编函数——OSStartHighRdy函数、OSCtxSw函数、OSIntCtxSw函数和OSTickISR函数;
c. 移植OS_CPU_C.C标准C代码文件,包括6个函数——OSTaskStInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStartHook()和OSTimeTickHook()[8]。
2.2 系统的运行与调度
系统总的运行流程如图5所示。首先对所有数据结构进行初始化,将堆栈空间分配到位,然后初始化信号量或者消息队列,建立任务,并进行优先权的分配。就绪新建的任务,并从优先权最高级别的任务开始运行程序。
2.3 快速傅里叶(FFT)变换
快速傅立叶变换是一种快速算法,它也是离散傅立叶变换的一种。笔者采用的是输入倒位序,输出顺序的时间抽取FFT方法,其程序主要包括倒位序计算和递推计算两部分,并以此方法为基础运用快速傅里叶变换对测得的数据进行谐波计算[9]。
3 结束语
笔者以硬件设计为主,以ARM芯片S3C44B0X为核心,对系统的低通滤波及同步采样等模块做了具体的设计,提高了分析准确度。同时以μC/OS-Ⅱ为操作系统,结合FFT算法,在系统的实时性和可靠性方面有了进一步的提高,整个系统功能强大、使用方便,适用于一般的电力系统。
参考文献
[1]Wang R,Yang S Y.The Design of a Rapid PrototypePlatform for ARM Based Embedded System Designs[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2004,50(2):746～750.
[2]田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:373.
[3]周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:150～154.
[4]李云峰.基于S3C44B0X的嵌入式系统在自动抄表中的应用[J].电测与仪表,2007,44(3):53～55.
[5]马忠梅,马广云,徐英慧.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002:243～244.
[6]Labrosse J J著,邵贝贝译.μC/OS-Ⅱ—源码公开的实时嵌入式操作系统[M].北京:中国电力出版社,2001:323.
[7]周厚奎,张昱,金心宇.基于傅立叶和小波变换的电网谐波分析[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(6):59～62.
[8]宋泽琳,郑恩让,马令坤.基于FPGA的电力系统谐波检测算法研究及实现[J].化工自动化及仪表,2011,38(6):713～717.