500KV光学电压电流传感器数字信号处理系统

摘   要： 本文介绍了利用TMS320C542芯片进行500KVOMU (Optical Metering Unit) 中数字信号处理的新方案，并对该方案的定点DSP系统的硬件设计、外围芯片设计、OMU系统软件算法作了详细讲述。最后给出了整个OMU系统的整体性能和测试结论。
引 言
随着电力系统的容量和传输的电压等级进一步增大，传统的CT(Current Transformer)、PT(Potential Transformer)呈现出易受电磁干扰，体积大，重量重，造价高等自身不可克服的问题。因此为了适应电力系统的发展，迫切需要一种新型的OCT(Optical Current Transducer)、OVT(Optical Voltage Transducer)来代替传统的CT、PT。其中，OCT利用磁致旋光效应，即法拉第效应，OVT利用Pockels效应和偏光干涉原理构成的系统以获得强度受外加电场(电压)调制的光，由此可测出外加电场(电压)的大小。由OCT和OVT组成的OMU有着传统PT/CT无法比拟的优点，如：具有抗电磁干扰、绝缘性能好等。这些优点符合未来电站、变电所发展的需要，同时OCT、OVT运行安全可靠，不会爆炸，还可以节约大量的铜和矽钢片，社会效益明显。
本文以现有500KV的OMU为例，详细论述了光学电压电流传感器中的新型数字信号处理技术，并将现代数字信号处理器用于该新型传感器中。

图1    DSP系统框架

系统硬件设计
基于OMU中OCS和OVS的检测方法，并结合实际测量中的具体情况，考虑到模拟电路易受环境温度和外部电磁干扰影响，我们尽可能地减少模拟电路环节，并采用TMS320C542DSP数字信号处理器作为核心处理器，以提高系统精度和稳定性。
当信号经模拟电路处理后，送至DSP， 经DSP处理，数据输出至PC机进行数据的管理，信号也可以输出至两路D/A滤波，得到两路模拟输出以供互感器校验仪校验。整个DSP系统的方案设计如图1所示。
由于OMU的最后输出检验需经过互感器校验仪进行校验，因此我们在DSP系统中设计了两路模拟输出。由于C542具有两个串口，且两个串口都可以作为标准串口使用，因此我们利用这两个串口与串行D/A进行接口，后接滤接器进行平滑滤波，得到最终的模拟输出以供互感器校验仪校验。在此，我们选用14位串行D/A MAX545，D/A后接的滤波器选用UAF42。

图2  软件算法框图

系统输入信号由11路模拟信号组成，它们分别为电压和电流传感器的两组信号和系统温度量，所以电压和电流传感头均采用双光路方案。存贮器选用两片27C256构成32K、16位ROM，又因为C542片内含有10KB DRAM，而10KB DRAM相对于整个OMU数据处理系统运行所需程序和数据空间已经足够，故不需外挂高速RAM，这样直接提高了系统的性能。
但应注意，在DSP硬件系统调试前，应确保给实验板供电的电源有良好的恒压、恒流特性。尤其是，DSP的入口电压应保持在5.0+/-0.05V。电压过低，则通过JTAG接口向Flash写入程序时，会出现错误提示；电压过高，则会损坏DSP芯片。另外，由于在调试时要频繁对实验板接电和断电，若电源质量不好，则很可能在突然上电时因电压陡升而烧坏DSP芯片。这样既会造成经济损失，又将影响开发进度。因此，在调试前应高度重视电源的选择，同时在调试过程中应经常检查电源是否正常。此外，DSP、片外程序存储器和数据存储器接入电源前，应加滤波电容并使其尽量靠近芯片电源引脚，以滤除电源噪声。同时，可在DSP与片外程序存储器和数据存储器等关键部分周围布上电网，以减少外界干扰。

系统软件设计
系统软件分为上位机和下位机两大部分，下位机以DSP为中心，采集信号，经过FIR滤波，进行有效值计算，并将数据送至PC。而上位PC机进行OCT电流和参考电流有效值的比差计算，以及OCT光功率的计算、存储、显示。软件算法框图如图2所示。
上位机和下位机之间的通信采用异步串行通信传输。传输时，发收双方应按照所共同遵循的协议进行初始化。DSP对UART的初始化，主要为按照协议对8251A内部命令寄存器的初始化，在此我们采用起止式异步通信协议，选定模式为：传输速率9600b/s，1位停止位，无校验，字符长度8位，波特率系数16。
在上位机我们采用了VB6.0软件平台设计串行通信程序，而使用Mscomm.VBx用户控件来进行串行通信的关键是正确设置其中的一些属性。在VB6.0中的通信程序设计中，我们设计了一个数据接收主窗口，在接收窗口中对串口进行初始化和利用定时时钟对数据进行定时查询接收。
软件设计中值得注意的问题
(a) 关于对外设的初始化和对外设的访问：由于DSP是高速设备，所以选择外设时应注意外设的选通访问时间和读取时间，以及DSP对外设的控制字在外设中的转化时间。否则会造成DSP对外设不能访问或外设工作不正常，从而导致系统无法工作或工作不稳定。
(b) 在中断服务程序中的堆栈和出栈及程序保护：在中断服务程序或子程序中，由于一般情况下会调用和修改DSP的内部寄存器，如果在程序运行过程中触发了中断而执行了中断服务程序，将会导致修改某些DSP内部寄存器的内容或状态。在执行完中断服务程序或子程序后，再回到原来程序中，由于被修改的寄存器内容与进入中断服务程序前的相应寄存器的内容不一致，将导致程序的错误运行。所以应在中断服务程序和子程序进入时，压栈将被修改的寄存器及保护相关需保护的内容。而在中断服务程序和子程序结束前，出栈和恢复相关保护内容，以使主程序正常执行。
(c) 流水线冲突及相关解决办法：由于C54XDSP使用六级流水线和增强型哈佛结构，在DSP中使用一条program read bus(PB)，两条data_read buses(CB, DB)和一条data_write bus(EB)，以及4条address buses (PAB, CAB, DAB, EAB)以增强内部并行操作，当内部两条指令同时访问同一条数据线或地址线时，将会造成流水线冲突，这时有效的解决办法是将这两条相邻指令间加入NOP语句以避免流水线冲突，这种解决方法当程序无逻辑错误而又运行不正常时是行之有效的。

结语
本课题对该OMU进行了整机测试，对于每一套测量系统来讲，线性度是整个系统性能的重要指标，而对于OMU实质上就是利用电偏置法等建立电场与光场之间的线性关系。经试验验证，该光电互感器具有很好的线性度。由于DSP高速处理器的采用，使得整个数据处理系统的电路环节尤其是模拟电路环节大大简化和系统集成度大大提高，从而使得整个系统的温漂减少。系统集成度提高的直接结果是将每相电压、电流由原来分开测量发展到三相电压电流集成到一个DSP信号处理系统中进行测量处理，从而提高了系统的性能价格比，并且使得系统的升级和更新换代变得更为灵活和方便。