DSP与LabWindows／CVI的电力故障监测录波器设计

摘要：针对现有电网实时监测录波系统的缺陷，设计出一种结合DSP与Labwindows／CVI软件的故障录波器。分析了FFT精确快速分析谐波的能力及其在DSP上的实现方法。介绍了硬件结构原理，给出硬件设计框图和LabWindows／CVI控制的软件流程，并研制出故障录波器。所测结果可通过LabWindows／CVI软件在电脑上实时显示。实验结果验证了DSP运用FFT分析算法的快速性和准确性，系统运行稳定可靠，有较好的应用前景。
关键词：电力故障监测录波；TMS320F28335；LabWindows／CVI；AD7656；FFT；C8051F005

引言
故障录波器是提高电力系统安全运行的重要自动装置，当电力系统发生故障或振荡时，能自动记录故障点前后一定时间内各种电气量的变化。参考文献设计的故障录波器采用虚拟软件与数据采集卡相结合的方法，其缺点是必须依靠计算机来进行计算分析，设备移动不方便，
而且数据采集卡的价格也比较高，使得产品应用有一定的局限性。参考文献设计的是一种基于DSP和A／D转换器件相结合的故障录波器，所用的A／D转换器件不能同步转换6路信号，所测结果之间有一定的延迟。针对以上缺点，现采用DSP和AD7656相结合的方法，通过外接LCD显示波形和数据，使其可以作为手持设备使用，也可连接电脑通过LabWindows／CVI软件在电脑上实时显示，所用的AD7656具有的6路同步采样特性克服了测量结果之间有延迟的缺点，提高了测量精度。

1 运行原理及相关算法
综合了此前所提出的各种性能指标，故障录波器采用硬件与软件相结合的设计方法，高速数据采集装置以DSP-TMS320F28335为核心，利用TBC-LXH双环系列闭环霍尔电流传感器和CHV-25P霍尔电压传感器对信号进行采集，并采用高性能的AD7656完成对信号的A／D转换，利用LCD进行波形显示并利用LabWindows／CVI软件进行控制。本装置加LCD主要是考虑到可以在没有电脑的情况下显示电压电流波形，方便操作。

此装置由3部分组成：检测部分、计算部分、上位机控制部分。系统框图如图1所示。系统运行情况如下：首先电网的各项电压电流通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，之后由检测部分的电压电流传感器对电网三相电压、电流等基本参数进行实时检测，所测的6路模拟量传递给AD7656；TMS320F28335控制AD7656将6路模拟量转换成数字量，DSP利用FFT算法对电压电流的数字量进行分析，提取出基波和各次谐波分量，并算出有功功率、无功功率和THD值，再传递给C8051F005单片机和终端计算机；外接于单片机的键盘控制LCD显示波形，计算机利用LabWindows／CVI软件进行波形数据的显示、存储和打印等。
本谐波分析方法采用快速傅立叶变换(FFT)。其在DSP的实现方法利用创建FFT的库函数进行运算，具体的实现方法在软件部分详细介绍。

2 系统硬件设计
本装置核心采用TMS320F28335和AD7656器件，采集来的信号经过DSP运算能通过RS-485串口与计算机通信。
2．1 TMS320F28335及外围电路
2．1．1 复位电路设计
TMS320F28335的复位电路采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期。同时，上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100～200 ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD301一但加电，其输出电压紧随输入电压，当输出电压达到启动RESET的最小电压时(温度为25℃时，其电压为1．5 V)，引脚RESET输出低电平，并且至少保持200 ms，从而满足复位要求。
2．1．2 时钟电路设计
向DSP提供时钟一般有2种方法：一种是利用DSP内部所提供的晶体振荡器电路，即在DSP的X1和X2引脚之间连接-晶体来启动内部振荡器；另一种方法是将外部时钟源直接输入X2／CLKIN引脚，X1悬空，采用已封装晶体振荡器。鉴于从资源利用和电路设计的简单性考虑，该最小应用系统的时钟电路采用TMS320F28335内部晶体振荡器，具体电路如图2所示。外部晶振的工作频率为30 MHz，TMS320F28335内部具有一个可编程的锁相环，用户可根据所需系统时钟频率对其编程设置。

2．1．3 供电电路设计
DSP的供电要求为其内核和I／O分别进行供电，现采用电源器件TPS73HD301为DSP供电，内核供电电压为1．9 V，I／O口供电电压为3．3 V。
2．2 AD7656及外围电路
AD7656的电源设计中，AVcc和DVcc是AD7656的模拟电压输入端和数字电压输入端。AD7656作为6通道独立的同步采样数据转换器，在转换过程中需要足够的电能量，所以AVcc的去耦在设计中就显得十分重要。在实际电路设计中，可以单独提供+15 V(或+12 V)电压给Vdd和Vss电源输入端，同时提供+5V给AVcc模拟电压端。通过滤波器(小电阻或磁珠)把AVcc连接到DVcc。然后再通过滤波器供给系统+5 V电源。AD7656的
RANGE接地，输入电压范围为基准电压的4倍。H／S引脚和SER／PAR都接地，用以开启硬件控制转换输入模式，由CONVSTA／B／C引脚控制采样。其中的REFCAP_A、REFCAP_B和REFCAP_C全部接地，用以控制输入全部成对转换。
2．3 系统整体硬件设计
2．3．1 AD7656与检测部分的连接
检测部分的传感器采用TBC～LxH双环系列闭环霍尔电流传感器和CHV-25P霍尔电压传感器。电流传感器的额定测量范围为O～150 A，反应时间小于20μs，温度漂移小；电压传感器测量范围为0～500 v，反应时间小于10μs，线性度好。因为输入的电压电流存在高次谐波和噪声信号，所以需要一个前置的滤波装置进行抗混叠滤波，而且为了满足AD7656的16位精度的要求，前端要选用高精度并且可以处理10 V双极信号的运算放大器作信号处理和滤波。此运算放大器选用AD8022，如图3所示。INl为初始模拟信号的输入端，经过AD8022之后传递给AD7656，其中三相电压电流都与此连接方式相同。