沙智明
郝育黔
郝玉山
杨以涵
（华北电力大学电力工程系!"#!!$
）摘
要
电力系统实时相角测量技术为电力系统动态监控提供了重要手段。数据采集是实时
相角测量系统中的重要环节。本文介绍了一种高速数据采集系统，它基于高速、高性能、可热插拔的
%&%’总线，采用了多路同步采样方式，在采样触发环节引入了数字锁相环，数据采集软件基于()*实时操作系统。整个系统具有很高的实时性，在电网频率改变时能自适应调节采样频率，提高了采样精度，具有一定的可扩展性、可移植和通用性。
关键词
实时相角测量
数据采集%&%’总线
实时操作系统
$引言捞泥
随着电网互联程度的不断提高和电网结构日益复杂，提高电力系统的安全稳定性显得更加重要。基于+&，的实时相角测量装置（&-./0123./4135
637897:8，&29）既可同步测量母线电压相量和线路电流相量，又可同步测量发电机的转速与功
角，是提高电网动态监控水平的有效手段［#，;］。将
分布安装于不同地点&29测量的信息实时传送到调度中心，运行人员就能够实时了解到整个系统的动态运行状况，并可以利用这些实时信息实现闭环
稳定控制［$，<］。
作为实时相角测量系统的前端，高速数据采集系统是&29的重要组成部分。数据采集系统的速度与精度将直接影响整个相角测量系统的性能。要实现高速数据采集，除了要有高性能的=／>转换设备，同时还需要高速的数据传输总线。%06?
.@85&%’（%&%’）总线是工业控制领域先进的总线标准。它将&%’总线优良的电气特性与A 2B 总线坚固的机械结构相结合，具有高速、高可靠性、坚固性好、通用性强的特点，代表了工业总线的发展趋
势［C ，D ］。
本文为电力系统实时相角测量介绍了基于%&5
%’总线的高速数据采集系统。它采用高性能、具有热插拔功能的%&%’总线，以及快速、具有#D 位采样分辨率的高精度=／>转换器，可同时对#D 路通道的模拟信号进行每工频周期$；点的同步采样。该系统已经通过测试，应用于实时相角测量系
统的实际项目中。
%高速数据采集系统的硬件结构
数据采集卡、%&9模块构成。从发电厂和变电站的测量&E 、测量%E 取出的三相电压、三相电流等模拟信号，经过信号调理模块变换为F C !G C A 范围电压信号，再引入高速数据采集卡进行=／>转换，转换结果由%&9模块根据>H E 算法处理，就可以计算出电压、电流的幅值和相位。在高速数据采集系统中，%&9模块采用台湾凌华公司的&’’’I C !$9%&%’%&9卡，信号调理模块和高速数据采集卡均自行开发，其中数据采集卡的设计是本系统的核心。%&$数据采集卡的结构模块
基于%&%’总线的高速数据采集系统构成主要包括：%&%’总线接口模块、先进先出缓存模块、=／>转换模块、逻辑控制模块和热插拔电源管理模块等，如图#所示。由信号调理模块调整好的电压、电流等多路模拟量，首先要通过多个采样／保持器进行同步保持，然后经多路开关依次送入=／>转换器处理，=／>转换结果存入H ’H J ，通过%&%’总线接口送入主机%&9进行处理。%&%数据采集卡各功能模块设计;K ;K #%&%’总线接口
%&%’接口的实现通常有两种方案：一种是直接用可编程器件如H &+=／%&L >完成&%’接口设计；另一种是采用专门的&%’接口芯片实现。由
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《电气应用》!""#年第!$卷第$期
图!高速数据采集系统框图
于"#$协议较复杂，第一种方案实现起来相对困难，开发周期也较长，而直接购买"#$的$"核又较昂贵。因此，目前的多数#"#$接口大都采用专门的"#$接口芯片实现，本系统采用了"%&公司的"#$’()*芯片。
27.5g bt>纹眉机
"#$’()*是符合"#$规范+,+和#-./
012"#$规范+,!的3+位"#$接口芯片，它支持主／
从模式"#$传输，具有!3+45／6的"#$突发传输速度，局部总线可支持7、!8及3+位外围设备，局部总
线操作速度可高达)(49:，并为#-./012"#$的热切换操作提供了专门支持。"#$’()*的局部总线接口灵活，可工作在三种模式下，分别为4模式、；模式和#模式，其中4模式使"#$’()*可与4-<2-=->0公司的4"#7)(／78(等芯片进行无缝接口，；模式为局部和数据／地址总线复用的工作方式，#
模式为局部数据／地址总线非复用的工作方式［?］。
本系统中"#$’()*工作在#模式下。
"#$’()*有三种数据传输方式，分别为"#$主模式传输、"#$从模式传输和@4A 传输。本系统采用"#$主模式工作方式，即"#$’()*局部总线上的#"B 或控制器通过"#$’()*主动访问"#$总线的内存或$／C 资源。此时，局部总线上"#$’()*是从设备，而#"%@中的控制器是主设备。+,+,+数据缓存模块
由于"#$’()*内部的D $D C 深度只有3+级，传送的数据量较大时，内部的D $D C 会很快存满，如果数据没有被及时取走，而外数据还在不断输入，前面的数据会被覆盖，就会造成数据丢失。因此，本系统采用了外接D $D C 器件$@E ?++!)进行D $D C 扩展，可存储!8路信号在一个工频同期内的采样数据。
$@E ?++!)是$@E 公司生产的高速#4C F 异步D $D C ，深度为)!+级，位宽为!7位，存取速度可
达!(G 6。除了标准的满标志（D D ）与空标志（H D ）外，$@E ?++!)还提供可编程的几乎满标志
（A D ）、几乎空标志（A H ）和半满标志（9D ），使其很方便与"#$’()*接口。
+,+,3A ／@转换模块
为了保证系统的!8个模拟输入通道同步采样，A ／@转换模块在前端采用了!8个采样／保持器，在采样触发脉冲到来时可同时对!8路模拟信号采样保持，再经多路开关依次将每个通道保持的模拟信号输入A ／@转换器进行模数转换。
采样保持器采用A @?73，它是一种高速采样保持，到达(,(!I 采样精度的时间为+)(G 6，内部使用自校正电路以减小保持误差，片内集成了一个保持电容而无需外接电容，电压下降率为(,(+!J ／!
6且有很高的线性度。多路开关采用了7通道的A @K 8(7，它的接通速度为?)G 6，断开速度为*)G 6，通道电阻小于3("。A ／@转换器采用!8位的A @?883，最高转换速率达到+)(L F ／6，可支持多电压输入范围和单、双极型电压输入，内部集成了转换时钟和误差校正电路，M )J 供电即可工作。
为了使系统能跟踪电网周波的变化，实现等相位间隔采样，采样触发环节引入了锁相环电路，以保证在系统电压频率改变时3+个采样点仍可均匀地分布在每个周波内。锁相环电路原理如图+所示。
图+锁相环电路框图
+,+,*逻辑控制模块
逻辑控制模块包括数据采集控制模块、D $D C 控制模块和"#$接口控制模块。采用A >2N =0公司的#"%@器件H "4?!+7完成这部分功能，既简化了外围电路，又提高了控制模块的集成度。
当每一次采样触发脉冲信号到来时，数据采集控制模块先触发全部采样／保持器对各通道信号进行保持；然后由多路开关切换到某一通道并启动A ／@转换，当数据转换完成后，数据采集控制模块通知D $D C 控制模块将A @?883的输出数据写入
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!"#$%%&’的缓存中；多路开关再切换到下一通道，并重复上述数据转换过程，直到全部通道数据转换完毕。
在(／"转换过程中，当)!)*半满时，+,!接口控制模块就通知+,!-.’/从!"#$%%&’中读取数据并存入其内部)!)*中。然后+,!-.’/将向系统申请+,!总线的控制权，得到控制权后就发起+,!传输。逻辑控制模块的工作原理如图0
所示。
%1%1’热插拔电源管理模块
高可用性热插拔技术（2345(673879383:;2<:=>7?
）是,+,!总线的一个主要特，它不但可以保证硬件设备在带电插入和拔出时硬件不受到损坏，还可使设备在带电插入和拔出后的硬件资源重新分配、软件初始化和程序终止等方面工作由系统
自动完成，而正在运行的系统不受影响［@］。
为了保障上述热插拔功能的安全实施，,+,!
规范定义了三种过程：物理连接过程，指的是板卡插入或拔出过程；硬件连接过程，指系统的硬件在电气上连接或断开的过程；软件连接过程，指软件层与系统连接或断开的过程。其中，硬件连接过程是整个热插拔中最为关键的过程。,+,!规范专门为此过程增加了A "=B C !信号和2B (C #2D !信号。A "=B C !为短针信号，该信号的插槽与背板相应插针的接触标志着其他信号插针均已可靠接触到位，外设卡会检测到A "=B C !处于低电平，此时外设卡上的电源管理电路就可以打开主电源通路，为整个+,A 板上电。而当外设板即将拔出时，A "=B C !将恢复高电平，电源管理电路将关闭主
电源通路，以保护板卡上的元件。2B (C #2D !信
号又被称为电源良好信号，当它为低电平时，表示外设卡上的电源供电状态正常，设备可以从复位状态中释放和连接到+,!总线。若2B (C #2D !信号为高电平，则表明外设卡电源不正常，系统卡检测到这个信号后会向外设卡发送复位信号并将其隔离。
电源管理模块的设计是实现硬件连接过程最重要的环节。本系统电源管理模块设计中，采用了凌特公司的热插拔控制器C #,&@/@。C #,&@/@以受控方式来开通和关闭电路板上的电源电压，使电路板可在带电的,+,!插槽中安全地插入或取出，同时又不会干扰系统电源。C #,&@/@通过两个外部E 沟道晶体管控制010F 和’F,+,!电源，并且这两路电源在上电后受到片内的两级电路断路器保护，可防止过流和短路故障。,+,!定义的A "=B C !引脚可直接连接在C #,&@/@的*))／*E 引脚上，用来开关设备卡电源或将电路断路器复位。在板卡插入或拔出期间，C #,&@/@的+G B ,2(G H B 引脚可为总线!／*引脚提供&F 或&F 以外的预充电电压。+,!G =#!信号与2B (C #2D !信号通过芯片内部逻辑，可产生一个
新的局部+,!复位信号C *,(C +,!G =#!，用
来在任一组电源电压超出容许范围时对,+,!板卡进行复位。!数据采集软件
为了提高相角测量系统的实时性，本系统采用I E J @1%为操作系统平台，并在此平台上开发了采集卡设备驱动程序、模拟量幅值与相位计算程序。I E J 是一个分布式、微内核实时操作系统，具有实时性高、稳定、可靠及易于裁减与扩展等特点。由于I E J 的性能出，可运行于多种硬件平台，其已广
泛应用于军工、航天、电信、工业自动化等实时性要求较高的诸多领域。
不同于其他操作系统，I E J 并没有把设备驱动程序与操作系统内核紧密结合在一起，而是将驱动程序与其他标准进程一样对待，加载设备驱动程序不会影响操作系统的其他部分，设备驱动程序的开发与调试也可以像一般应用程序那样。
采集卡设备驱动程序完成三部分功能：一是探测采集卡是否存在，若存在则获取为采集卡分配的
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内存及!／"的基地址与大小及中断号等硬件资源；二是完成设置采集卡工作模式等初始化工作；三是响应采集卡的硬件中断，及时将采集卡转换完成的数据复制到内存中的某个指定区域，以供计算程序使用。
设备驱动程序获取硬件资源时，首先要调用#
$%&’’&$()*+%$*（）函数，连接到,-!.*/+*/，同时使用#$%&’’&$()*+%$*（）函数，就可根据
采集卡012"3中的厂商标识（4*5)6/!7）与设备标识（7*+%$*!7）得到给采集卡分配的基地址及
中断号等信息。另外，还必需调用8(/*&)-’9（:8"8-8;!"，<），以确保线程获得!／"访问权限，否则在线程利用%5、6=’等代码进行操作时会出现错误。现在就可以用%5>（）、6=’>（）等函数对基地址加偏移量后得到的地址的单元进行读写操作了。
幅值与相角计算程序得到采样数据后，利用7?8算法，就可分别计算出每路电压、电流信号的幅值与相位，生成相量形式的电压与电流数据。将采集到的电压、电流相角，打上高精度的@,.时间标记，通过通信网络实时传输到调度中心，就实现了广域同步实时相角测量。!结束语
本文介绍的高速数据采集系统，由于采用了多路同步采样方式，消除了扫描式采样系统由于固有扫描间隔造成的多路不同步带来的相位误差。在采样触发环节引入了数字锁相环逻辑，使系统在电网频率改变时能自适应调节采样频率，采样点可均匀分布在每个工频同期内，提高了采样精度。数据采集系统采用了-,-!总线结构，使系统具有高速、高可靠性、可热插拔等特点，而且系统的通用性及可扩展性好。软件系统采用了A :B 实时操作系统，并在此平台上开发了数据采集软件，提高了整个数据采集系统的实时性能。动模实验测试表明，高速数据采集系统所采集的电压、电流幅值与相角误差精度均小于<C D E ，达到了设计要求。目前该系统已经在某省电网基于实时相角测量的电网稳定在线监控系统项目中得到实际应用。
参考文献
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模块化机组（:6/’(-(%5&09*$’/%$,6>*/]5%+*/G %’K
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