MAX1320在同步向量测量中的应用

MAX1320在同步向量测量中的应用

王翠

北京四方继保自动化股份有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要:介绍一种14位同时采样ADCMAX1320的主要性能特点及其在同步向量测量中的应用,包括系统的软、硬件设计和数据处理的算法。采用一种递推Fourier变换算法,提高了数据处理效率。

关键字:同步向量测量;MAX1320;DFT算法;递推

引言:同步向量测量技术是指在同一时标下(通常以GPS提供的时间作为标准),对电力系统各节点电压和电流进行同步采样,生成各节点电压和电流向量的正序向量,在统一的时间坐标系上对电力系统的状态进行分析。MAX1320芯片的分辨率高、转换速度快,每个输入通道有专用的采样保持器(T/H),可以实现对所有有效通道进行同步采样,非常适合同步向量测量。

一、同步相量测量技术

同步相量测量技术（Synchronized Phasor Measurement Technology，SPMT）源于 20 世纪 80 年代初期，由美国的 Phadke 博士和一些电气专家提出来的，它是指在全网统一的时标下（通常以 GPS 提供的时间作为标准），对电力系统的不同节点的电压和支路电流进行同步采样，生成各节点电压和支路电流相量的正序相量，在统一的时间坐标系上对电力系统的状态进行分析。同步相量测量技术实现了对信号采样的同步，通过数据处理进行了从数据到相量的转化，由 GPS 给每个相量打上时间标签，然后将这些信息以一定格式的数据包上传，以供分析。由于 GPS 逐步实现民用化，基于 PMU 的 SPMT 技术在近些年来发展很快，在 1995 年，IEEE 已经制定了针对同步相量的 IEEE Standard1344^[40]。

二、相量测量单元 PMU

①PMU 结构

PMU（Phasor Measurement Unit）利用全球定位系统 GPS 提供的同步信号进行工作，一种典型的 PMU 装置如图 2.1 所示

图 2.1 PMU 结构图

Fig2.1 PMU Structural pattern

GPS 接收器提供一个秒脉冲信号和一个包括年月日、小时分钟秒的时间标签， 时间可以是当地时间，也可以是国际标准时钟时间。脉冲信号通过锁相晶振器分割得到需要的模拟信号采样脉冲，模拟信号是经过变压器和放混叠滤波器后的电压电流信号。

与传统远动终端装置（Remote Terminal Unit， RTU）所不同的是，各 PMU 在时间上保持同步，可以测量相角，即可以获得各母线电压相量，从而可以直观了解各个状态量之间的相量关系。

②PMU 原理

电力系统的正弦电压、电流、功率等基本参量可表示为相量。借助 GPS 时钟信号，在电网各厂站建立旋转频率为 50Hz 的参考相量，其他相量都以此为参照，得到“绝对”相角， 这就是同步相量测量的基本原理。

相量测量技术的关键在于获取一个系统统一的同步时钟，相角的测量精度依赖于同步时钟的精度。随着社会的发展，全球定位系统（Global Position System，GPS） 已在各种民用事业（航空、航海和通信等）广泛应用，相量测量技术也得益与此。

GPS 输出与国际标准时钟（Universal Time Coordinated，UTC）误差为 1 s ，在频率为 50Hz 系统中理论上相角误差仅为 0.018°。根据对所接收到的 GPS 信号处理方

式的不同，相量测量可以采用过零检测法和傅立叶变换法^[41]

三、MAX1320特性和引脚[4]

MAXl320是Maxim公司最新推出的并行14位8通道同时采样器,一块芯片内部有8个采样/保持(T/H)电路,一路14位的A/DC,所以每次采集最多可以输入8路差动模拟量信号,在采/保电路作用下,依次进行A/D转换,8通道的A/D转换只需要3.7μs的时间。模拟供电电压+4.75～+5.25V,数字供电电压+2.7V～+5.25V,无需电平转换便可以直接与绝大多数的处理器直接相连;电压转换范围为±5V,双极性输入,无需负电源,提供+16.5V过压保护;先进先出(FIFO)功能,减少接口开销,并可在转换结束或转换之间读取转换结果;典型模拟输入电流为46mA,最大数字输入电流为1.6mA,典型输入阻抗8.66kΨ;工作温度范围可达-40～+85℃;16.6MHz的14位双向并行接口可方便地与ARM及其他微处理器相连。

MAX1320共有48个引脚,主要有:模拟电源输入引脚(AVDD),接+4.75～+5.25V模拟电源;模拟地(AGND);模拟量输入通道CH0～CH7;时钟模式选择输入(INTCLK/EXTCLK),该引脚接AVDD选择内部时钟,接AGND选择外部时钟输入;14位并行数据总线D0～D13,其中D0～D7是双向的,D8～D13只能输出,在CS=1或RD=1时呈高阻态;数字电源输入引脚(DVDD);数字地(DGND);转换结束输出(EOC),低电平表明一个通道转换结束,一个时钟周期后变回高电平;最后转换结束输出(EOLC),低电平表明最后一个通道的转换结束,当CON-VST跳变到低电平为下一次转换做准备时,EOLC跳变到高电平;外部时钟输入引脚(CLK);通道使能输入(AL-LON),该引脚接高电平使能所有的输入通道(CH0～CH7),接低电平则只有被选中的通道才进行A/D转换;片选输入(CS),低电平选中芯片;读选通(RD),将RD置为低电平将启动一次并行数据总线的读操作;写选通(WR),将WR置为低电平将启动一次写操作,只能写D0～D7位,主要是对配置寄存器的操作;CONVST-启动转换输入引脚,CONVST低电平时跟踪模拟信号,上升沿时采样,高电平时启动转换[4-5]。

四、A/D转换工作过程

MAX1320共有8个模入通道,可通过寄存器的设置选择使用。设置寄存器时,同时拉低CS和WR,然后向数据线D0～D7写入数据(见图1),D0～D7依次对应着通道CH0～CH7,通过向数据线D0～D7中写入“1”来选中对应的通道。要注意的是,若要求8路模入通道都要使用,则ALLON引脚一定要接高电平;如果ALLON引脚接低电平,则只有被选择的通道被使用。

MAX1320的通道选择是通过内部配置寄存器来实现的。通过数据线D0～D7写配置寄存器以激活相应通道。配置寄存器中的位直接映射到相应通道,D0位控制通道0,D7位控制通道7。通常在转换过程中的任意时刻都能够对配置寄存器进行写操作,但新的配置直到下一个的CONVST下降沿才会起作用。

转换由CONVST脚启动,当CONVST为低电平时,采样保持器采集信号,在CONVST的上升沿转换开始。多通道的转换按通道号由低到高顺序进行。一旦能够读取转换结果,转换结束信号EOC将给出一个低电平脉冲。当最后一个通道的转换结果可以被读取时,所有通道转换结束信号EOLC跳变到低电平,转换结果储存于片内对应的8×14SRAM中。

硬件接口设计

MAX1320与高速微控制器DS80C400构成一个同步采样装置。3通道同时进行采样,3路模拟量输入CH1、CH2、CH3分别为经PT转换后的三相电压UA、UB、UC。

五、软件设计

基于MAX1320的数据采集程序主要包括两方面的内容,一是通道的选择,二是数据的读取。数据采集转换前需要对配存器进行初始化,以确定数据采集的通道。

若采用中断方式,中断由MAX1320的转换结束信号EOC连接到DS80C400的外部中断INT0来实现,配置寄存器设置为0ECH。

六、数据处理和算法

同步向量测量算法可以采用传统的离散Fourier变换（DFT）,它属于非递归算法，计算量比较大。在采样率较高且测量量较大的情况下，对硬件要求比较高。这里采用了一种改进的递推DFT算法，在计算当前向量是，只需在原向量的基础上利用当前两点，采样值进行简单的运算即可。

假定被采样的输入信号是一个周期性的时间函数，除基波分量外还包含不衰减的直流分量和各次谐波。

对每个周波进行N次采样，得采样值集合，由DFT公式可以计算出基波分量的有效值和相角。求出电压向量DFT递归算法的迭代公式。

若对50Hz的工频信号进行24点采样,采样角为15°,利用公式进行迭代运算,在计算向量Xr+1时,只需在Xr基础上利用两点采样值Xr、XN+r进行计算。Xr和Xr+1可用矢量表达为X=xejф,ф即为相角。

结语：

MAX1320芯片各输入通道都带有采样保持器,可以在同步向量测量中得到广泛的应用。以MAX1320为核心的A/D转换电路具有转换速度快、与处理器兼容性好,编程简单等特点。递推DFT算法较之传统算法可大大减少计算量,适用于采样率高且测量量多的场合,可以广泛用于电网同步、电源监测、振动与波形分析等领域。

创新观点:14位ADCMAX1320芯片提供8个独立输入通道,单通道采样速率高达526KSPS。8个通道都有独立的采样保持器,可以对输入信号进行同时采样,非常适合同步向量测量。

MAX1320的软件配置简单,易于编程。递推DFT算法使计算量大大减少且与采样频率无关,便于进行实时计算。采用MAX1320芯片的同步向量测量设计方案可以进一步改进应用在PMU的研究和设计中。

参考文献：

[1]于尔铿, 电力系统状态估计. 北京: 水利电力出版社, 1985.

[2]李元科, 工程最优化设计. 北京: 清华大学出版社, 2006.

[3]胡迎松. 0-1 背包问题的深度优先算法. 计算机应用研究, 1999, 3(1): 32-33.