電流互感器是現在電力系統中不可缺少的設備，隨著電力系統電壓等級的不斷升高，對電力系統運行可靠性要求越來越苛刻，傳統的電磁式電流互感器已經遠遠不能滿足要求了。目前國內外很多高校和企業都在致力于開發新一代的電流互感器。我們經過多年研究，研制成功了有源式光纖電流互感器，對互感器二次側信號的處理過程中，采用了TI公司的數字信號處理器TMS320F206，用該處理器實現了對互感器二次側輸出電壓信號的真有效值測量、被測量高壓電力線電流的數字顯示以及互感器和電力系統保護裝置的數字接口等重要功能，實現了互感器低壓端的全數字化。

1 真有效值計算原理
? 真有效值(RMS)是電力和電子系統中的一個重要參數，對真有效值進行精確的測量是很多精密儀器所必需的，準確快速地對真有效值進行計算是很多后續工作的前提。目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成電路直接把交流信號變成直流輸出，然后對直流輸出信號進行處理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值轉換芯片。這種方法測量范圍窄、精度低、轉換芯片價格高、功能單一。還有采用直接對交流信號進行整流的方法來實現直流變換的，價格便宜，但是精度更低，很難滿足實際應用中的要求。

? 在我們設計的電流互感器中，由于得到的輸出是直接數字量（瞬時被測信號的A/D轉換），為了接口方便和滿足精度和速度的要求，我們采用了TMS320 F206高速數字信號處理器，采用直接計算的方法來實現采樣數據的預處理。

?連續信號的真有效值定義如下：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，v(t)是被測量交流信號，T是被測信號的周期。?

? 類似地，在數字系統中，上述計算公式應該校正為：

其中：V_RMS是被測量信號的真有效值，N是每周期采樣點數，v(i)是被測信號瞬時采樣的數字量。

? 在本系統中，采用式（2）對已得到的數字量進行平方累加求和，然后再取平均，最后開平方的方法。由于TI 的DSP都有MAC指令，很容易求累積和。

在實際計算中，為了計算方便，輸入信號每周期我們采樣512次，每計算16個采樣值的平方和后，除以16，整個周期共作32次這樣的運算，最后再把32次這種運算的結果累加，形成一周期內的平方和的平均值。采用這種方法，可以避免處理器一直累加導致溢出的麻煩。

對于平方根的求取，由于TMS320F206沒有專用的開平方指令，而有專用的平方運算指令，所以我們采用下面的稱之為逐次逼近的算法：

? 即先令輸出信號為輸入信號最大可能值的一半（用二進制數表示則為最高位為1，其余位為0），然后把反饋信號（輸出信號的平方）同輸入信號比較，如果反饋信號比輸入信號小，則保留原輸出的二進制數的最高位，若反饋信號大于輸入信號，則該位置為0。然后再令輸出信號的次高位為1，重復上邊過程。按上述方法重復?N次（N?為數據的二進制寬度），即得到被開方數的開方結果整數部分，當數據位寬度足夠寬的時候，開方結果的小數部分可以忽略。本設計中由于處理器的累加器是32位字節寬度的，而A/D轉換器為12位，通過把累加的內容適當移位，充分利用處理器32位處理能力，忽略小數部分也能夠完全滿足精度的要求。采用該方法，能夠迅速計算整數的開方，并且算法簡單，容易用匯編語言編程實現。實際上，這種算法在本質上就是所謂的二分法查找。

? 整個軟件算法對輸入數字量的處理過程如圖2所示。

圖中，因為A/D輸出的是12位二進制補碼數，在DSP讀出數據后，先取絕對值（F206有專門的ABS指令），這樣可以把輸入數據作為無符號整數來處理，減少編程中的麻煩。圖中的低通濾波器是為了清除輸入信號因為干擾而帶入的高次諧波對真有效值的影響而設置的，采用數字濾波的方法，可以用簡單的一階IIR濾波器實現。圖中的開根號部分即上邊所述的逐次逼近算法。開方后的值應該在具體編程序的時候給與適當的偏置補償，以抵消系統中的固有誤差，提高整個系統的精度。最后把計算出的真有效值進行增益調整，體現被測高壓電力線上的實際電流真有效值。

2 系統硬件結構
? 在我們設計的有源式電流互感器中，采用一片ALTERA公司的CPLD（EPM7128）實現低壓控制部分各種時序的發生，同時生成高壓端A/D轉換器的工作時序，通過光纖傳送到高壓電力線端。高壓端得到的瞬時采樣值通過光纖傳回控制室，經過CPLD進行簡單的處理，以并行16位數據的方式輸出。DSP處理器TMS320F206同CPLD之間實現無縫連接，直接以外部端口的方式讀取16位并行數據，然后對獲得的數據進行計算，得到真有效值，監視系統運行情況，同時用LED顯示實際高壓電力線上的電流有效值。整個系統硬件結構如圖3所示。

TMS320F206作為主控制芯片，該芯片是TI公司新一代16位定點數字信號處理器，內部自帶32 k FLASH程序存儲器，4 k RAM存儲器，不需要外部擴展就能夠滿足整個系統的設計要求。該處理器在?20 MHz?主頻時，指令周期為50 ns，有適合于數字信號處理的高效指令集，能方便地進行復雜數學運算和有效地對外部接口進行控制。

? 系統中采用1片ALTERA公司的EPM7128作為整個系統的數字邏輯部分。該芯片可以重復編程，內部有2 500可用門，128個宏單元，能滿足大部分復雜邏輯的要求。該芯片的使用，大大減少了數字系統工作所需要的分離邏輯器件數目，增強了系統可靠性和保密性。

? 顯示模塊采用MAX7219顯示專用芯片，該芯片能夠以三線SPI的方式同處理器接口，控制方便。該芯片只需要1只電阻就可以設置顯示亮度，并且可以用軟件的方式更改亮度。該芯片自動實現動態掃描方式顯示，能驅動8只7段LED數碼管，使用該芯片可以大大簡化處理器對顯示的控制接口和程序設計。

? 在低壓側，除了用TMS320F206對被采樣信號的真有效值進行計算、驅動顯示、給出保護接口外，用D/A轉換器重新恢復被測量的模擬信號，得到模擬量輸出。這是因為現在電力系統很多測量和執行機構還需要使用模擬量，所以本設計中為了保持和現有設備的兼容性，增加了模擬量輸出模塊。

3 系統軟件設計
? 由于整個系統的運算量不是很大，所以采用匯編語言進行程序設計。TI TMS320C2000系列匯編語言功能強大，控制方便，有很多專用的指令集，很適合于進行數字信號處理。整個算法采用模塊化設計方法。即顯示控制模塊、D/A驅動模塊、繼電保護邏輯實現模塊和真有效值計算模塊。主程序框圖如圖4所示。

DSP對數字量的讀取采用中斷方式，設置為外部中斷INT1，設置為高優先級。每次讀取數據后，就進行平方運算、累積前面的平方運算結果。完成512次（對輸入信號一個周波采樣512次）平方累積后，調用開平方子程序，算得該周期的輸入信號真有效值。用算得的有效值來監視電網電力線的運行情況，提供保護手段。

? 對于顯示，不需要每周波更新一次顯示，觀察者也無法反應太快的顯示更新。所以我們采用每計算16個周波的真有效值然后取平均，再去更新顯示的方法。這樣，一方面不會使顯示器一直閃爍，另一方面也可以通過平均的方法提高精度。

4 結語
? 該系統利用DSP處理器靈活高速的特點，對被測量電壓信號進行了精確的測量，同時為電力系統提供可靠實時的保護信號。提出了真有效值計算的有效方法，采用該方法處理數字數據，精度高，程序設計方便，在實際應用中簡化了設計和增強了可靠性。

參考文獻

［1］宋萬杰.CPLD技術及其應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999
［2］MAX7219 user reference.MAXIM corporation.1998
［3］張芳蘭.TMS320C2XX用戶指南［M］.北京：電子工業出版社，1999?
［4］Yan Xu,Sunan Luo,Miaoyuan Ye.220 kV Active Optical Fiber Voltage Transformer［J］.SPIE，1998，3547?
［5］Zhe Zheng, Zhan Chen,Feng Liu.A Practical Hybrid Fiber Optic Current Sensor on High Voltage Power Line［J］.SPIE，2000，4220