智能配电网监测系统的实现(1)

引言

电能质量是衡量电网质量的标准，电能质量问题包含电压凹陷(sag)、电压隆起(swell)、尖峰脉冲(spikes)、谐波畸变(harmonic aberration)和电气噪声(electric yawp)等，其中对电能质量影响最大的就是谐波畸变。因此，本系统的设计就是以对谐波畸变分析为主要目的。这方面的研究比较多，而且也开发出了相应的设备。以往的配电网监测设备多以51、96系列单片机为处理器，在精度和速度方面都不能满足电力系统的要求，还有就是用TI公司的DSP作为处理器，并配合ADC来完成系统设计。

ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等电力测量专用芯片，并成功地将它们应用到电网当中。最近，ADI公司又推出了高性能的强强组合，即DSP+ADC的电力测量方案。此监控系统就是采用这一组合实现的。

图2 软件框图

ADC简介

AD73360是ADI公司推出的一款专门应用于电能质量监测的IC，与一般ADC相比，AD73360有如下优势：6路独立的A/D转换通道，不仅互不干扰，而且严格保证采样同步;高精度，6个16位转换精度转换通道非常适合电能质量监测的需要。采样速率可在8KHz、16KHz、 32KHz范围内编程设置，适应范围广。AD73360为适应不同的场合提供了直流/交流、单端/差动4种不同的输入方式;采用串行接口，与DSP芯片的连接非常简单。

无论从精度、速度、采样路数或者同步采样的实现来考虑，在电力监测系统中使用AD73360都是比较理想的选择。

DSP简介

系统采用的DSP处理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定点DSP。ADSP2191M处理器具有的资源概括如下：可访问的存储空间大小为16M words，分为256页，每页的大小为64K words，其中第0页是内部RAM，第255页是内部ROM，其它空间被分为4个部分，并由ms0～ms3进行选择。有256页I/O存储区间，每页的大小为1K words，其中前8页为内部I/O存储区间，其它为外部I/O存储区间。处理器有一个主机接口、3个同步串行接口、两个SPI接口、16个可编程标志引脚、1个异步串行接口和3个32位定时器。

与AD73360连接必须采用串行总线方式，ADSP2191M就有3个这样的同步串口。

硬件电路设计

整个系统的硬件设计以ADSP2191M和AD73360为核心，再配以周边电路完成。硬件设计的框图如图1所示。

由图1可以看出，系统的硬件设计非常简单，而且没有最麻烦的同步保持电路和系统存储空间的扩展。这是因为AD73360能够实现多通道的同步转换，免除了同步保持电路的设计、ADSP2191M内部具有64K RAM，能够满足系统设计的要求。在系统硬件设计中，传感器用来将配电网参数的电能信号转化为ADC的输入信号，然后送到AD73360进行同步采样，转换后的采样数据通过同步串口传入DSP处理器，进行数据处理、谐波分析和其它操作。最后，处理器将分析结果送到LCD进行显示，并通过串口送到PC进行相应的处理。Flash用来存放系统代码。

整个系统设计中，Flash和LCD为基本的系统扩展，异步串口为基本的开发，这里只介绍一下DSP处理器与ADC的连接。它们必须通过串行接口，其中ADSP2191M为6线串行方式，而AD73360为5线的串行方式，它们的区别在于前者的串行时钟分为串口发送时钟和串口接收时钟，是彼此独立的，而后者合二为一。比较时序图会发现，二者时序基本相同，但要控制AD73360，处理器还必须能够满足下面的要求：串口工作方式可设置为外部时钟模式，串口字长可达到16bit，发送和接收的每个字都有同步帧信号，对处理器而言，接收同步帧信号为输入信号，发送同步帧信号为输入信号，帧同步信号产生在串口字高位出现的前一个时钟周期，帧同步信号为高有效。