锁相环在微机保护中的应用

摘要：针对微机保护中采用传统的采样方法，采样频率难以自动跟踪被测量的频率变化而发生变化，必然会导致FFT运算产生误差。本文采用锁相环同步采样技术实现对微机保护装置中交流电压、电流信号的频率和相位进行锁定，以提高测量精度和实时性。结合锁相环控制AD7656模数转换芯片的实验，证明整周期同步采样在微机保护装置中的可行性，解决了软件同步采样的实时性差、软件编写复杂等问题。

微机保护装置广泛地应用于电力系统中，担负着保护电力系统的重要任务，在配电网中还起着测控的作用，如何准确、实时的测量电压、电流量直接关系到微机保护装置的性能。由于电网的频率是变化的，并且微机保护装置是工作在故障状态，N点等间隔采样并不能恰好使每一点处在一个整周期内，势必造成测量的误差。采用传统的方法，采样频率难以自动跟踪被测量的频率变化而变化，必然会导致FFT运算产生误差。这种误差来源于非整周期采样引入的窗截断，这样FFT就不能算出各次谐波分量的准确值。因此，本文提出采用锁相环同步采样技术实现对微机保护装置中交流电压、电流信号的频率和相位进行锁定，以提高测量精度和实时性。

1 同步采样的分类

减少和消除同步误差的方法是采用同步采样技术，同步采样使每个采样点均匀的分布在一个整周期内。同步采样可以利用软件实现，也可以利用硬件实现。软件实现同步采样，是利用比较器将交流信号变成方波信号，CPU检测两次上升沿或两次下降沿之间的时间间隔，即一个周期的时间，然后根据采样点数计算出采样间隔，通过软件控制AD采样。虽然利用软件实现同步采样，可以减少硬件的复杂程度，但是增加了CPU的负担和软件编写的难度，降低了微机保护装置的实时性，同时电网的频率是波动的，相邻两个周期的频率有差别，也会引起误差。用硬件实现同步采样，硬件相对复杂，直接控制AD，但是减少了CPU的开销和软件编写的难度，同时从根本上消除因采样不同步而造成的误差。

2 锁相环的工作原理

锁相环的基本组成框图如图1，它主要由鉴相器(PD)、低通滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。

压控振荡器的输出U0反馈至鉴相器的输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上的平均电压Ud的大小决定。外部输入信号Ui与来自压控振荡器的反馈信号U0相比较，产生的误差输出电压Uphi正比于Ui和U0两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到平均电压Ud。平均值电压Ud朝着减小U0和Ui之差的方向变化，直到压控振荡器输出频率和输入信号频率一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定即相位锁定。当锁相环入锁时，在一定范围内具有“捕捉”信号的能力，压控振荡器自动跟踪输入信号的变化。

本文使用的是集成电路锁相环CD4046，其内部结构如图2所示。主要由相位比较器I和Ⅱ、压控振荡器(VCO)、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。相位比较器I采用异或门，即两个输入端信号的电平相异时，输出端信号(管脚2)Uphi为高电平;反之，输出为低电平。当两个输入信的相位差在0°-180°范围内变化时，Uphi的脉冲宽度也随之改变。相位比较器Ⅱ对输入信号占空比的要求低，允许输入非对称信号，具有很宽的频率捕捉范围，而且不会锁定输入信号的谐波。相位比较器Ⅱ提供数字误差信号和锁定信号两种输出，进入锁定状态时，两个输入信号之间保持0°相移。

集成电路锁相环CD4046采用的是RC型压控振荡器，需要使用外接电阻R1和电容C1作为充放电元件。当锁相环对输入的跟踪信号的频率宽度有要求时，还需要外接电阻R2。压控振荡器VCO的振荡频率取决于外接电阻R1、R2、电容C1及压控振荡器的控制端(管脚9)。根据公式(1)和(2)可以计算出压控振荡器的大致工作范围，外接电阻、电容可参考在以下范围内：当VDD大于或等于5V时，C1大于等100pF;R1、R2、R3大于等于5 kΩ，小于等于1 MΩ，具体的电阻、电容值还需要通过试验来确定。

3 锁相环与AD7656采样电路的设计

本装置需要采集12路模拟信号，包括：3路保护/测量用电压，1路零序电压、1路线路抽取电压、3路保护用电流、3路测量用电流和1路零序电流。一块AD7656只能同时采集6路模拟信号，因此，需要2块AD7656。同时CPU的引脚有限，为了减少占用CPU的资源，采用串行方式SPI读取AD7656中的数据，多块AD7656可以采用菊花链的方式级联在一起。如图3所示，两块AD7656之间通过一路SPI级联，CPU从DOUTA管脚读取采样后的数据;锁相环控制AD的CONVST管脚启动采样;CS为片选信号，低电平有效，可以直接接地，使AD一直处于选中状态：SCLK是CPU为AD提供的时钟信号。

3.1 信号调理电路

如图4所示，第一级运算放大器构成了电压跟随器，减小输出电阻，提高带负载能力;第二级运算放大器构成了反向加法电路，用于调零漂;第三级运算放大器也构成了电压跟随器，减小输出电阻，即减小AD内部的时间常数，提搞AD的采样频率。同时，U2还经过电压比较器和地电位比较后，输出方波F_IN1，作为锁相环的输入。

3.2 锁相环及倍频电路

如图5所示，分频器选用CD4040，设计时通过跳线T1、T2、T3设置了3个可选的分频倍数，分别为16倍频、32倍频、64倍频。图4(b)的输出信号接入CD4046的14管脚，作为输入信号，4管脚是输出信号，去控制AD7656启动采样。

3.3 AD7656采样电路

如图6所示为AD7656级联电路图，锁相环的输出信号PLL-CONVST控制两块AD7656的21、22、23管脚，同时启动12路采集;CPU作为主机为AD7656的11管脚(AD—SCLK)提供时钟信号。CPU从图6(a)的管脚7(DATA—OUTA)通过SPI读取数据;图6(a)的12管脚与图6(b)的管脚7连接，实现两块AD7656的级联;通过判断AD7656的18管脚(AD—BUSY)来提醒CPU读取转换数据。

4 实验结果

如图7(a)-(c)所示为倍频采样脉冲信号，上半屏为工频50 Hz的方波信号，下半屏为倍频后的采样脉冲信号。图7(a)为16倍频采样脉冲信号，图7(b)为32倍频采样脉冲信号，图7(c)为64倍频采样脉冲信号。从图中可以发现，利用锁相环CD4046和分频器CD4040实现了硬件同步采样。同时，采样脉冲的波形在上升沿后有一个下降的过程，由于AD7656是上升沿触发采样，因此并不影响AD7656启动采样。

5 结束语

基于锁相环的同步采样技术，解决了软件同步采样的实时性差、软件编写复杂等问题。在微机保护装置中，实现了等周期同步采样，提高了交流电流、电压参数的测量精度和时实性。此外，该方法还可以应用于其他交流采样算法，比如电能质量监测、故障录波等，具有实用价值。