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1、第 2 3卷第 1期 2 0 0 7年 2月 天津理工大学学报 J oURNAL oF TI ANJ D UNI VERS I TY oF TECHNoLoGY V0 1 2 3 NO 1 F e b 2 O o 7 文章编号：1 6 7 3-0 9 5 X(2 0 0 7)O 1-0 0 5 6-0 4 基 于 DS P的励磁控 制器数 据采集 系统设计 吴平安，刘 昂 ，周雪松，马幼捷，张跃均 ，邵宝福 (1 天津理工大学 自动化学院，天津 3 0 0 1 9 1；2 中控集团山东省有限公司，青岛 2 6 6 0 0 2)摘要：针对现代 电力 系统对 同步发 电机励磁 系统的要求和励磁控制
2、 器的进一步数 字化 趋势，设计 了以美 国 T I 公司 的 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2芯 片为核心处理器，以 A D S 8 3 6 4为 A D转换 器的数据采 集系统，介绍 了该 系统 实现励磁 控制 器的数 据采集的基本方案 关键词：T MS 3 2 0 F 2 8 1 2；A D S 8 3 6 4；电力系统；励磁控制器；交流采样 中图分类号：T P 2 7 4 文献标识码：A Da t a a c q u i s i t i o n s y s t e m o f e x c i t a t i o n c o n t r o l l e r b a s e d o
3、 n DS P W U P i n g a n ，LI U An g 2，Z HO U X u e s o n g ，MA Y o u-j i e ，Z HA N G Yu e-j u n ，S H A O B a o f u (1 S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n n e e ri n g，T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，T i a n j i n 3 0 0 1 9 1，C h i n a；2 S h a n d o n g B r a n c l C o mp
4、 a u y o f C u i n g Mo n i t o ri n g G r o u p，Q i u g d a o 2 6 6 0 0 2，C h i n a)Ab s t r a c t：Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t tha t mo d e r n p o w e r s y s t e ms s e t o n s y n c h ron o u s g e n e r a t o r a n d t h e d i g i t i z e d t l le n d o f e x c i t a t i o n
5、 c o n t r o l l e r，t h e e mb e d d e d s y s te m i s d e s i g n e d b y u s i n g Ame ric an c o mp a n y o f T I g T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 c h i p a s c e n t r al p r o c e s s o r a n d ADS 8 3 6 4 c h i p as A D c o n v e e r T h e b asi c p ropo s al i s i n t r o d u c e d t o r e ali z e th
6、e d a t a a c qu i s i t i o n and p r o c e s s i n g s y s t e m o f e x c i tat i o n c o n t rol l e r Ke y wo r d s：T MS 3 2 0 F 2 8 1 2；ADS 8 3 6 4；po we r s y s t e m；e x c i tat i o n c o n t r o l l e r；AC d a ta a c qu i s i t i o n 励磁控制器是 同步发电机的一个重要的组成部 分，在保持发 电机正常运行和 电力系统稳定运行 方 面起着重要作用，是
7、提高 电力系统安全稳定性 和运 行质量的有效而经济的手段 随着发 电机单机容量 和电网规模 的 日益扩大、先进控制理论的应用 以及 发电机各种限制、保护功能的增加，对励磁控制器的 性能提出了越来越高 的要求，电力工业 的这一 发展 趋势使励磁控制器的数字化成为必然结果 D S P (D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r)技术的不断发展为励磁控 制器实现数字化提供了一种新 的解决方案 本文介 绍 了 以，I 1I(T e x a s I n s t r u m e n t)公 司 推 出 的 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2芯片为 C P
8、 U，以 A D S 8 3 6 4为 A D转换 器的励磁控制器数据采集 系统，阐述 了其软硬件实 现的主要方案，以 D S P 对数字信号处理所做的优化 来提高励磁控制器的性能和控制指标 收稿 日期：2 0 0 6 0 6 2 6 基金项 目：天津市重点科技攻关项 目(0 3 3 1 8 6 6 1 1)第一作者：吴平安(1 9 7 5 一)，男，硕士研究生 通讯作者：周雪松(1 9 6 4 一)，男，特聘教授，博士，硕士生导师 1 系统原理框图和采用的主要芯片 1 1 数据采集与处理系统原理框图 在励磁控制器 中，数据采集系统负责采集各种 电压、电流模拟量及各种开关量 电压、电流信号经
9、隔离、变换后，送到 A D转换器 A D S 8 3 6 4，转换得到 的数字量输入 到 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2，以交流采样 方式对 电量的瞬时值进行采样，得到发电机运行的各种状 态信息 对于励磁控制器中的开关状态信号经光电 隔离送人 F 2 8 1 2 需要采集 的模拟量有：机端电压，机 端电流，电网电压，励磁电压，励磁 电流等 图 1是采 集系统构成原理图 1 2 DS P芯片 T Ms 3 2 0 心8 1 2 设计中核心 C P U采用 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2，使其作为 同步发 电机励 磁控 制器数 字 化升级 的解 决方案 T M S 3 2 0
10、 F 2 8 1 2 数字信号处理器是，I1I 公司的3 2 位定 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 2月 吴平安，等：基于 D S P的励磁控制器数据采集系统设计 5 7 点 D S P，主频达1 5 0 MH z，采用低功耗、高性能的静态 c O MS技术，将微控制器 和高性能 D S P集成在一 片 I c上，其上整合 了 F l a s h存储器、快速 的 A D转换 器、增强的 C A N模块、事件管理器、正交编码电路接 口、多通道缓冲串 口等外设，为励磁 系统数据 采集、处理和控制任务提供平台 电 压 采|l 同 步 信 号 l P M 输 一 电 流：模 拟 信 样 D
11、D S P I 数 字 移 相 I 脉 冲 形 成 _-_-号调理 保 转 凸 曲 蓬 电路 持 换 AD l TMS 控制l卜 320 信号I F28l8 数字 光 信号 +数 节点输 出 输入 一 字 耦 卤、_，隔 一 输 出 IO 离 通 道 图 1 数据采集与处理 系统框 图 F i g 1 F r a m e o f d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m 1 3 A D转换器 A DS 8 3 6 4 在 系统设计 中采用 l 6位、六通道 同步采样 的并 行接 口模数转换器 A D
12、S 8 3 6 4，其上六路模 拟量输人 分为 A、B、c三组，每组 2个通道，采用全差分输人 方式当外部时钟为 5 MHz 时，转换速率为2 5 0 k p s，相应的数据采集时间为0 8 s，转换时间为 3 2 s 内部 自带 2 5 V基准电压；本系统 中 A D S 8 3 6 4内部 缓冲器供电采用+3 3 V，因此其数据线可以与 3 3 V供电的 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2接 口采用 直连方式，无需 电 平转换 2 采集系统的硬件设计方案 2 1 系统前向通道的模拟信号调理 电路 在励磁控制器中，输入采集系统 的模拟量有发电 机励磁电压、励磁电流、仪表电压、母线 电
13、压、同步电 压、定子 电流等，交流信号由二次 P T(电压互感器)和 二次 C T(电流互感器)提供 为使输人的模拟信号与 A D S 8 3 6 4 采样需求的信号范围相匹配，电流信号须转 换为电压信号，并由预处理电路对输入模拟信号进行 滤波、放大和平移处理 图 2为 A D S 8 3 6 4一个通道 的 输入信号调理电路图，双极性单端输人经调理后的输 出信号为差分信号，分别接 A D S 8 3 6 4的同相输人端 C H A 1+和反相输人端 C H A 1 一，其接 口电路在 3 3部 分具体给出 其余各路输人信号调理同图 2 F i g 2 Ci r c u i t o f p r
14、 e p r o e e s s a n a l o g s i g n a l 其中第一级运放为电压跟随器，以提高电路的 输人阻抗；第 二级运放 为二阶低通滤波器，对输 人 A D转换器的高次谐波的干扰信号进行滤波处理，R 5为电位器，调节其大小，可以调节放大倍数，滤波 电路引起的电压相位移在软件 中加以补偿，以保证 参数计算 的精度；第 三级运 放 U 3 A 和高精度 电阻 R 6、R 7、R 8、R 9构成 的网络，用 以调节输入模拟信号 的电压范 围在 A D S 8 3 6 4的输入允许范围之内 2 2 开关量的采集模块 在励磁 系统 中需要采集 的开关 量有：增磁，减 维普资讯
15、http:/ 5 8 天津理工大学学报 第 2 3卷第 1 期 磁，自动，油开关投入，灭磁开关跳开，停机令，无功 调节，C O S ，开机令等 图 3所示的模块电路完成对 4个开关量 的采集任务，采用光耦 器件 T L P 5 2 1 4 隔离输入输出电路，达到信号匹配和抗干扰的目的 从光 耦 器 件 得 到 的数 字 输 出 通 过 总 线 收 发 器 7 4 H C 2 4 5输入到 F 2 8 1 2的数据总线，由于在此数据 是向F 2 8 1 2单向传输的，7 4 H C 2 4 5芯片传输方向选 择引脚 D I R直接接地，由 7 4 L S 1 3 8译码器提供使能 端信号，完成片
16、选 图 3 开关量采集 电路原理 图 F i g 3 P r i nc i p l e d i a g r a m o f s wi t c h s i g n a l a c q u i s i t i o n 2 3 A D输入信号与 AD S 8 3 6 4的接口电路 A D S 8 3 6 4是全差 分输入方式，输 入 电压为 0 5 V，这种输入方式可 以有效地减少共模噪声，提 高 采集精度，图 4为 A D S 8 3 6 4的输 入信号接 口电路 R E F I N和 R E F O U T短接输 出+2 5 V基准 电压，通 过电压跟 随器 U 4 A提供 给差分 电路 U 3
17、 A 和 R 6、R 7、R 8、R 9构成的 电阻 网络根 据 I N P U T 1的信号 范 围，对信号进行缩放和平移，使其满足 A D S 8 3 6 4的输 入要求，具体关系见表 1，其中 R 6=4 K，R 7=2 0 K B YT E ADD CHA ADS8 36 4 V叻 C HA C O)-u4A 一 R 吲 一 R 0 Ur m AaN D D Gm SaN D 图 4 模拟信号输入 A DS 8 3 6 4的接 口电路 Fi g 4 I nt e r f a c e c i r c u i t o f a n a l o g s i g n a l i n p u t
18、A DS 8 3 6 4 在设计中经二阶低通滤波电路后的I N P U T 信号 为 5 V，所以参数取值为 R 6=4 K，R 7=2 0 K，R 8=2 K，R9=1 0 K 表1 电阻网络参数选择 Ta b 1 S e l e c t p a r a m e t e r o ft h e r e s i s t a n c e n e t 2 4 A D S 8 3 6 4与 嘲2 0 l 2的接 口电路 A D S 8 3 6 4与 F 2 8 1 2硬件接 口电路原理 图如 图 5 所示 +3 3V B Y T E B V D D D V D D l XAl 2 ADD AO vD
19、D FD Al XAl 3 W R，A2 XAl 4 H0LDA，1 0PA4 1 0PA2 +2 5V H0LDB，1 0PA3 准电压 HOL D C 一 Al 5 R E F I N C S I S 一 l REFOUT RD RE，EOC EXT l NTl，A V D D C L K P WMl l DVDD RE S ET 1 0PFO A 2 N A T A 1 5D G N 5 I D O D 1 5 卜 ：D O D l 5 u S GND BGN D VS S 上 图5 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2与 A D S 8 3 6 4硬件接 口 F i g 5 Ha
20、r d wl l r e i n t e r f a c e b e t we e n TM S 3 2 0 F 2 8 1 2 a n d ADS 8 3 6 4 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年2月 吴平安，等：基于 D S P的励磁控制器数据采集系统设计 5 9 A D S 8 3 6 4采用+5 V模拟和数字供 电，内部缓冲 器采用+3 3 V电压，芯片可以与 F 2 8 1 2处理器实现 无缝接 口而无需电平转换 由 A D D、B Y T E和地址线 A 0、A1、A 2组合，控制数据读取方式为 l 6位，使能为 字节模 式，通 道 地址 由 A 0、A 1、A 2选 择；
21、H O L D A、HO L D B、H O L D C 为 A D S 8 3 6 4的启 动转换 控制信号，由 F 2 8 1 2的同一 I O P A 4，I O P A 3，I O P A 2引脚控制，启 动六路 A D C转换，完成同步采样；A D转换结束信 号 E O C接 F 2 8 1 2外 部 中 断 引 脚 E X TI N T 1，触 发 F 2 8 1 2的中断，读取 转换 结果；A D S 8 3 6 4的时钟 由 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的 P WM1编程提供；配置 P O R T A，E，F 为通用目的的数字量输入、输出端口；片选信号C s 由 X
22、 A1 3、X A1 4、X A 1 5和 经过译码器提供 3 数据采集系统软件设计 3 1 交流采样算法 数字式励磁控制器的大部分功能是 由软件实现 的，设计中采用交流采样方法，是实现励磁控制器 的 关键技术，较好地解决了数据采集的精度和速度的 矛盾，提高了可靠性 本设计中对发电机电压、电流 等模拟量信号每周期进行 4 o点同步采样，进一步求 得电压有效值 u、电流有效值 I 以及有功功率 P，和 无功功率 Q 下面给出这些变量的离散化计算方法 所依据的主要数学关系式 j：U=1=、软件 开发平 台 C C S(C o d e C o m p o s e r S t u d i o)中完成，
23、并通过编译、连接、调试 由系统 中使用 G P I O F 1对 A D S 8 3 6 4复位，使 A D C转换数据 的指针指向每个通 道第一个转换的数据，将H O L D A、H O L D B、H O L D C 信 号同时置为低 电平，A D S 8 3 6 4的 6个通 道将启动同 时采样，转换结束信号E O C 触发 F 2 8 1 2的中断，读取 数据 具体程序 由数据采集 主程序、中断处理程序、I O初始化程序、定义 A D C相关地址变量的头文件 及 D S P F 2 8 1 2的其他头文件组成 采集结果存储在定 义的数据缓冲区中，供其他程序调用 开 始 上 电复位 自检
24、 计数 器清o l 及 初 始 化 J r 调 用 数 字 滤 波 l 3 6 点AD采样 子程 序 I 读 数据写 入 调 用子程 序计算 缓 冲区 机 端U，I，O，P，键盘 及D I O 输 入处 计数 器加1 理 增磁 减磁操 作 限制 与报警 一I 喂狗子程序 、写1 清标 志位 P I EACKGROUP y 一个周期 开中断，恢复 现场中断返回 T I 图 6 数据采集程序框 图 Fi g 6 Fr a me o f d a t a a c q u i s i t i o n p r o g r a m P =寺 1fT 了1 N-1()：4结语 S=U Q =(3)(4)(5)
25、式中：T为采样信号的周期；N为每周期 的采样 点数；s 为视在功率 以上得到的计算结果可供控制 算法调用，以实现非线性励磁控制策略 3 2 数据采集软件流程图 励磁控制器的数据采集系统软件是励磁系统软 件的重要组成模块之一，程序设计基 于模块化编程 思想，采用 C语言和汇编语言混合编程方法，在 D S P 在励磁控制器数据采集与处理系统 中引入高性 能信 号处理器 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2，使整个励磁 系统硬件 结构简化，可以检测接收更多的状态信息和有关信 号，配备完善的限制与保护功能，实现 比较完善的调 节规律，改善系统的动态品质 参考文献：1 苏奎峰，吕 强，耿庆锋，等T M S 3 2 0 F 2 8 1 2原理与开 发 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 8 2 9 1 2 苏涛，赵峰，卢刚电力信号实时处理的集成化 设计新方法 J 电力系统 自动化，2 0 0 5，2 9(z)：7 4 7 6 1 2 一 一0 一 一 一 一 一 一：一 丽 何 维普资讯 http:/