Mikrobilgisayar Ölçme ve Kontrol Koruma Cihazında Elektrik Ölçme Sisteminin Tasarımı
Fu Jun, Tu Yongfei, Li Peng
(Zhenjiang East China Electric Power Equipment Manufacturing Co., Ltd., Zhenjiang 212004, Jiangsu)
: Mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazında temel olarak elektrik enerjisi parametre ölçüm sistemi tasarım yöntemini tanıtmak. Tasarım, temel işleme cihazları olarak LPC1788, ATT7022, AD7606'yı kullanır.ATT7022, cihazdaki çeşitli elektrik parametrelerinin doğru hesaplanmasından sorumludur, LPC1788 ve AD7606, cihaz korumasının elektrik parametrelerinin hızlı hesaplanmasından, koruma kontrol programının çalıştırılmasından ve ATT7022 elektriksel parametre hesaplamalarının okunmasından sorumludur. sonuç.
: Mikrobilgisayar ölçümü ve kontrolü; elektrik enerjisi ölçümü; LPC1788; ATT7022; AD7606
: TP273 belge kimlik kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.08.010
Alıntı biçimi Fu Jun, Tu Yongfei, Li Peng.Mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazında elektriksel ölçüm sisteminin tasarımı J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (8): 28-30.
0 Önsöz
Mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazı, bir güç sisteminde elektriksel miktar ölçümü, anahtar miktarı toplama, koruma, kontrol, alarm ve iletişim fonksiyonlarının bir toplamıdır.Elektrik santrallerinde, trafo merkezlerinde, çelik, petrokimya ve kömür işletmelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sistem ekipmanı [1]. Önceki koruma cihazlarıyla karşılaştırıldığında, ölçüm ve kontrol koruma cihazlarının, aktif güç, reaktif güç, görünen güç, aktif enerji, reaktif enerji, güç faktörü, faz, harmonikler vb. Dahil olmak üzere elektrik enerjisi parametre ölçüm fonksiyonlarını eklemesi gerekir. Bu, ana kontrol CPU yongasının hesaplama yükünü büyük ölçüde artıracak, diğer koruma elektrik parametrelerinin hesaplama hızını etkileyecek ve ardından cihaz koruma eyleminin yanıt hızını etkileyecektir. Aynı zamanda, ölçüm fonksiyonu yüksek doğruluk gerektirir.A / D örnekleme çipinin doğruluğunun sınırlandırılması nedeniyle, CPU tarafından hesaplanan elektrik parametre sonuçlarının ölçümün doğruluk gereksinimlerini karşılaması zordur. Daha yüksek hassasiyetli A / D örnekleme çipi kullanılırsa, büyük ölçüde artacaktır. Cihazın donanım maliyeti. Bu makale, ölçüm ve kontrol cihazı ölçüm sistemi tasarlamak için yeni bir yöntem sunar.Elektrik enerji sayaçlarında yaygın olarak kullanılan enerji ölçüm çipi ATT7022, mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazının geliştirilmesi ve tasarımına tanıtıldı ve şirketimiz tarafından geliştirilen mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazına başarıyla uygulandı.
1 Sistem donanımı tasarımı
Bu cihazın ölçüm kısmının donanım tasarımı, 32 bit ARM mikro denetleyici LPC1788, enerji ölçüm çipi ATT7022EU ve A / D dönüştürme çipi AD7606'ya dayanmaktadır.ATTTO22, hesaplama cihazındaki enerji parametrelerinin hesaplanmasından sorumludur ve hesaplama sonuçlarını SPI veriyolu üzerinden LPC1788'e iletir. D7606, analog / dijital dönüşümden sorumludur.LPC1788, paralel veri yolu üzerinden A / D dönüşüm sonucunu okur, koruma elektrik parametrelerini hızlı bir şekilde hesaplar ve hesaplama sonuçlarını koruma programının çalışmasına uygular.
1.132-bit ARM mikro denetleyici çip LPC1788
LPC1788, NXP Company [2] tarafından üretilen, 512 KB çip üstü Flash, 96 KB on-chip SRAM, 5 seri port, 3 SPI arayüzü ve 2 CAN portu içeren, 120 MHz'e kadar çalışan 32-bit Cortex-M3 çekirdekli ARM mikrodenetleyicidir. , 1 MAC bağlantı noktası, 18 kanallı 12 bit ADC, 4 genel amaçlı zamanlayıcı, 1 düşük güçlü RTC, 1 dahili bekçi, 18/16/32-bit harici bellek denetleyicisi, harici desteği Statik bellek ve dinamik bellek bağlantısı, 208 pinli LQFP paketi 165 adede kadar genel amaçlı G / Ç bağlantı noktası sağlar.Yüksek entegre bir MCU kontrol yongası, zengin çevresel arabirimler, yüksek çalışma hızı ve güçlü elektromanyetik anti-parazittir. Yetenek, onu sistem donanımı tasarımının karmaşıklığını büyük ölçüde basitleştirebilen mikrobilgisayar ölçümü ve korumasının ana kontrol çipi olarak çok uygun hale getirir.
1.2 Enerjiye özel ölçüm çipi ATT7022EU
ATT7022EU, üç fazlı dört telli veya üç fazlı üç telli elektrik kablolama sistemi enerji ölçümü için uygun, çok işlevli ve yüksek hassasiyetli üç fazlı enerji adanmış bir ölçüm çipidir [3], 7 kanalın dahili entegrasyonu 19 bitlik yüksek hassasiyetli ikinci derece ADC, en büyüğü Aktif güç seviyesi 0,2, reaktif güç seviyesi 1 ve voltaj ve akım% 0,2'nin ölçüm doğruluğunu karşılayabilir, temel veya tam dalga elektrik enerjisi parametrelerini hesaplayabilir, faz sırası ve bağlantı kesme değerlendirme fonksiyonlarına sahiptir ve röle koruma ölçüm ve kontrol cihazlarının gereksinimlerini tam olarak karşılayabilir Enerji parametresi ölçüm gereksinimleri ve çip, MCU veya DSP çipi ile kolayca iletişim kurabilen bir SPI seri iletişim arayüzüne sahiptir.
Özel devre tasarımı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Transformatör tarafından toplanan akım ve gerilim sinyalleri, analog devre tarafından dönüştürüldükten sonra 100 ~ 500 mV AC sinyallere dönüştürülür ve gerçek zamanlı enerji parametresi hesaplaması için ATT7022 yongasına gönderilir.LPC1788, enerji ölçümünü her 500 ms'de bir SPI seri veri yolu üzerinden okur. Sonuç, depolama için LCD ekrana ve uçucu olmayan belleğe gönderilecektir.Aynı zamanda, güç hesaplama sonucu, iletişim yoluyla uzaktan izleme sistemine iletilebilir.
1.3A / D dönüşüm çipi AD7606
ATT7022 yongası akım, gerilim, frekans vb. Elektriksel parametreler için hesaplama fonksiyonlarına sahip olmasına rağmen, hesaplama hızı yavaştır ve koruma programının milisaniye düzeyinde hesaplama hızı gereksinimlerini karşılamak zordur.Bu nedenle koruma fonksiyon programında kullanılan elektriksel parametrelerin hesaplanması MCU'nun kendisi tarafından yapılır. . LPC1788, 8 kanallı 12 bit ADC ile birlikte gelmesine rağmen, örnekleme kanallarının sayısı ve örnekleme doğruluğunun cihazın hesaplama doğruluğu gereksinimlerini karşılamak zordur, bu nedenle sistem, çip başına 8 kanal örnekleme ile karakterize edilen 16 bit yüksek hassasiyetli senkron A / D dönüştürme çipi AD7606 kullanır Her kanalın ± 15 V analog giriş aralığı, 250 kS / S'ye kadar örnekleme hızı, tek bir 5 V güç kaynağı, 2,5 V referans voltaj çıkış modülü, basit kablolama, paralel veri arabirimi ve seri veri arabirimi vardır , MCU ile bağlantı kurmak uygundur, şu anda ölçüm ve kontrol koruma ürünlerinde en yaygın kullanılan A / D örnekleme çipidir [4].
Bu sistem tasarımında A / D dönüşümü için iki adet AD7606 yongası kullanılır ve aynı anda 16 adete kadar analog sinyal toplanabilir.Akım ve gerilim sinyalleri, analog devre tarafından dönüştürüldükten sonra ± 10V dahilinde AC sinyallere dönüştürülür ve örnekleme için AD7606 yongasına gönderilir, LPC1788 sorumludur AD7606'yı başlatın, düzenli olarak A / D dönüşümünü başlatın, dönüşüm sonuçlarını paralel veri yolu üzerinden okuyun, veri kaydı ve depolama yapın, akım, gerilim ve frekans gibi koruma fonksiyonları için elektriksel parametreleri hesaplayın, koruma fonksiyonu mantık kontrol programını çalıştırın ve sonuçları görüntüleyin, Depolama ve uzaktan iletim. Beton devre tasarımı Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir.
1.4 Analog miktar dönüştürme devresi tasarımı
Elektrik sistemine bağlanan analog miktar, akım ve gerilim trafoları tarafından düşük gerilimli bir AC sinyaline dönüştürülür ve ardından AC sinyali, yüksek hassasiyetli trafo SPT204A ve SCT254FK tarafından bir mA akım sinyaline dönüştürülür ve bu da bir örnekleme direnci vasıtasıyla gerekli gerilime dönüştürülür. Sinyal daha sonra iki kanala bölünür, biri elektrik enerjisi parametrelerinin hesaplanması için ATT7022'ye gönderilir ve diğeri işlemsel bir amplifikatör ve ikinci dereceden filtreleme ile güçlendirildikten sonra örnekleme için AD7606'ya gönderilir. Tasarım şematik diyagramı Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir. Bu makale, örnek olarak üç fazlı devredeki A fazı devresini alır ve B ve C fazı devreleri aynı şekilde ele alınır.
Transformatör tarafından dönüştürülen Uap ve Uan sinyalleri diferansiyel bir şekilde girilir, örtüşme önleyici filtre devresinden geçtikten sonra, elektrik enerjisi parametrelerini hesaplamak için ATT7022'ye gönderilir.
Diğeri tek uçlu bir giriş modunu kullanır.Sinyal, bir işlemsel yükseltici tarafından yükseltilir ve daha sonra, daha yüksek harmonikleri filtrelemek için ikinci dereceden bir aktif filtre devresinden süzülür ve ardından A / D dönüşümü için AD7606'ya gönderilir. Tasarım prensibi Şekil 5'te gösterilmektedir. Faz A gerilimini yalnızca örnek olarak alın.
2 Sistem yazılım tasarımı
Sistem yazılımı programlama için C dilini benimser, modüler programlama yöntemini benimser, programlama yazılımı KEIL MDK5.11'dir, yazılım simülasyonu için JTAG emülasyon portunu destekler, cihaz ölçüm sistemi yazılım programlaması esas olarak ATT7022 ayarına ve ölçüm sonucu okuma ve saklama, AD7606'ya ayrılmıştır. Başlatma, dönüşümü başlatma, karşılık gelen A / D kesinti okuma dönüştürme sonucu ve koruma elektriksel parametre hesaplaması.
2.1 ATT7022 yazılım tasarımı
Sistem yazılımı çalıştıktan sonra, ATT7022 elektrik enerjisi hesaplama sonuçlarını doğru bir şekilde okumak için önce kalibrasyon programını çalıştırın [5] Çip, tam dijital yazılım kalibrasyonunu destekler.Yazılım, yongadaki kayıtları başlatmak için kullanılır. Kalibrasyondan sonra, SPI kullanabilirsiniz. Arayüz elektrik enerjisi parametresinin hesaplama sonucunu okur.Sonuç sadece elektrik enerjisi ölçümü için kullanıldığından ve koruma programının çalışmasını içermediğinden çok yüksek gerçek zamanlı performansa ihtiyaç duymaz Şekil 6 ATT7022 program akış şeması Bu tasarımda cihaz her 500 ms'de bir zamanlayıcı aracılığıyla okur. Hesaplama sonucunun bir kez alınması ve ekranın güncellenmesi yalnızca ölçüm gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda sistem yükünü büyük ölçüde basitleştirir ve çalışma süresinden tasarruf sağlar. Program akış şeması Şekil 6'da gösterildiği gibidir.
2.2 AD7606 yazılım tasarımı
Sistem çalıştıktan sonra, önce AD7606 yongasını sıfırlayın ve başlatın, ardından milisaniye zamanlayıcısını ayarlayın, her 1 ms'de bir CONVSTA \ B \ C yonga pimi aracılığıyla A / D yonga dönüşümünü başlatın ve dönüştürme tamamlandıktan sonra bir kesinti yoluyla dönüştürme sonucunu okuması için LPC1788'i bilgilendirin. Koruma programı çalışma hızının gereksinimlerini karşılamak için kayıt (koruma işlevi yanıt süresi gerektirir < 20 ms), program, örneklenen verileri her 5 ms'de hesaplayacak, korumanın elektriksel parametrelerini hesaplamak için tam dalga Fourier dönüşümü yöntemini kullanacak ve sonuçları koruma mantığı kontrol programına uygulayacak şekilde ayarlanmıştır. Program akış şeması Şekil 7'deki gibi gösterilmiştir.
3 sonuç
Mikrobilgisayar ölçüm ve kontrol koruma cihazındaki elektriksel ölçüm sisteminin tasarımı, araştırma ve geliştirmenin temelini oluşturur.Performansı, cihazın genel performansını doğrudan etkileyecektir.Tasarım gerekliliği, ölçüm sonuçlarının doğruluğunu ve elektriksel parametre ölçümünün korunmasının hızlılığını sağlamaktır. Bu tasarım yöntemi, Elektrik enerjisine özel ölçüm çipi, gerçek zamanlı gereksinimlerin hesaplamasını tamamlamak için yüksek hassasiyetli ölçüm özelliklerini kullanarak ancak elektrik enerjisi parametrelerinin karmaşık hesaplamasını kullanarak cihaz tasarımına dahil edilirken, MCU ana kontrol çipi gerçek zamanlı zorlu koruma parametresi hesaplamasına ve koruma programının çalışmasına odaklanır. , Yalnızca ana kontrol yongası üzerindeki yükü azaltmakla kalmaz, gerçek zamanlı performansı geliştirir, aynı zamanda hesaplama programı programlamanın karmaşıklığını basitleştirir ve program programlama kodunu büyük ölçüde azaltır. Gerçek cihaz tasarımında ve çalışmasında, bu tasarım şeması yalnızca ölçüm sonuçlarının doğruluğu için cihazın gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda koruma cihazının hızlı yanıt vermesini sağlar ve iyi çalışma sonuçları elde eder.
Referanslar
[1] Xu Zhengya Transformatörlerin ve orta ve alçak gerilim şebekelerinin dijital koruması M Beijing: China Water Power Press, 2004.
[2] Zhang Yong ARM CortexM3 Gömülü Geliştirme ve Uygulama LPC1788 ve C / OSII M dayanmaktadır Pekin: Tsinghua University Press, 2015.
3 Wang Jianlong, Zhang Hongke, Liu Haziran Akıllı sayaçlarda elektrik enerjisi ölçüm çipi ATT7022E'nin uygulanması J. Elektriksel Ölçüm ve Enstrümantasyon, 2015, 52 (12): 52-55.
[4] Wang Xiaojin, Tu Yu. AD7606 J Ship Power Technology, 2014, 34 (9): 46-49'a Dayalı Röle Koruması Veri İşleminin Tasarımı.
5 Zhu Lin. ATT7022B'nin elektrik güç parametrelerinin ölçümünde uygulanması J Ölçme ve Kontrol Teknolojisi, 2007, 26 (1): 9-11.
