第四章 併網型分散式電源數位保護電驛之建構
4.4 相關電驛之建構及測試
4.4.5 相位跳躍電驛
相位跳躍電驛(Vector Surge Relay, VSR)的原理是使用正常信號每 一週期之平均頻率來當作基準值，之後得到新一週期之頻率則計算出 相角變化量
，觀察這變化量來判斷系統是否發生孤島運轉現象。圖 4-25 為相位跳躍電驛之演算法時序示意圖。在程式執行的開始，輸入 信號由 ADC 取樣經由傅立葉轉換測頻法求出每一週期之頻率，連續 儲存 8 筆週期頻率資料在記憶體當中並計算出這前 8 筆週期頻率之平 均頻率f
ave，再計算出下一週期頻率f
new，由公式(4-32)計算其相角變 化量
，判斷相角變化量
是否超過設定值，如果超過設定值即發 出跳脫信號，反之則再求出下一週期之頻率資料並將記憶體中最舊一 筆頻率資料移除，儲存最新一筆頻率資料，再重複上述之計算過程，此演算法採用移動視窗法(Moving Window)，因此有計算快與節省記憶 體的優點[41]。圖 4-26 為 VSR 動作之流程圖。
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圖 4-27 為 VSR 之功能模組。使用 DSP 描述 VSR 設計架構並配 合周邊電路作整合，頻率經演算法算出後，即可執行 VSR 之保護功能。
此功能模組中， “Freq” 為輸入頻率；“reset”為復歸信號，當送出跳脫 信號時，“trip” 信號為高電位與 “timer” 輸出數值，“trip”可在數位控 制板上連接一燈號得知信號。“trip”為跳脫信號輸出，當孤島運轉發生 時，將發出跳脫信號；“timer”為執行時間，當孤島運轉發生時，從電 驛正常狀態至跳脫狀態所耗費的時間，單位為奈秒(nano second)。
VSR
Freq. trip
timer reset
圖 4-27 VSR 之功能模組
圖 4-28 為 VSR 模擬圖。設定跳脫設定值為 2°，當
≧2°時，電 驛發出跳脫信號，圖(a)為相位正常測詴，圖(b)為相位異常測詴。圖中 V1 波形為輸入信號經 ADC 後取樣波形;中間為程式寫入區;程式執行 結果可由右下角區塊輸入其變數名稱得知;當程式組譯時有錯誤可由 下方區塊內得知錯誤，可為偵錯用。(a) (b)
圖 4-28 VSR 電驛功能之(a)相位正常測詴(b)相位異常測詴
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將取樣結果存至 ADC 結果暫存器，再由公式(4-33)到公式(4-34)求出 其振幅與相位，公式(4-37)可求出其頻率變化，並加上預設系統頻率值，
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其中
n
：取樣點數f
s ：取樣率接著分別計算其振幅差、頻率差與相位差是否答併網標準，是則 送出併網信號，反之則繼續執行其演算法，併網控制動作流程如圖 4-29 所示。
圖 4-29 併網控制流程圖
4.5.2 併網控制之測詴
使用 DSP 描述併網控制器設計架構並配合周邊電路作整合，如圖 4-30 所示，為併網控制器之功能模組，模組內功能都是在 DSP 控制器 中模擬出之結果。斷路器兩端電壓經演算法將振幅、頻率與相位算出 後，分別計算其相差值，即可執行併網控制器之併網功能。此功能模
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組中，“V1”為配電系統端電壓；“V11”為 DG 欲併網端電壓；“reset”
為復歸信號，當送出併網信號時，“trip” 信號為高電位與 “timer”輸出 數值，“trip”可在數位控制板上連接一燈號得知信號。
併網控制器
V1 trip
timer reset
V11
圖 4-30 併網控制器之功能模組
圖 4-31 為併網控制器模擬圖。當振幅、頻率與相位達併網標準時，
併網控制器發出併網信號，圖(a)為未達併網標準之測詴，圖(b)為達併 網標準之測詴。圖中 V1 波形為電網端電壓經 ADC 後取樣波形;V11 為發電端電壓經 ADC 取樣後波形，波形圖 X 軸為取樣點數，Y 軸為 電壓值，以 12 位元表示;程式執行結果可由下方區塊輸入其變數名稱 得知;當程式組譯時有錯誤可由左下方區塊內得知錯誤，可為偵錯用。
此測詴標準為頻率差 0.2Hz，電壓差 5％，相位角度差 15°。
(a) (b)
圖 4-31 併網控制器功能之(a)未達併網標準測詴(b)達併網標準測詴
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4.6 本章小結
在本章節首先介紹了此併網型分散式電源數位保護電驛裝置的硬 軟體架構，得知此裝置的系統及操作。接下來陸續介紹訊號如何取樣、
頻率如何計算與相關演算法等並實際應用及程式編寫。最後介紹了在 本研究中所規劃的幾種保護電驛之功能與測詴以及如何判斷是否達到 倂網條件等分析。
本文併網控制之併網時間，使用晶片中 CPU 計時器功能所計算出 來，當併網情況產生後，停止計時器，讀取計時器中暫存器所經過的 時間，再乘上 CPU 執行時間，即可算出併網時間。CCS 軟體中也有 提供功能計算程式執行時間。使用 CPU 計時器功能計算的執行時間與 CCS 軟體中所計算出的時間相比對，其相差時間極小，故可用 CPU 計時器功能來計算併網時間，但計時器只是利用中斷來約略的算出執 行時間，所以倂網或跳脫時間的準確度有待加強。
另外在 CCS 軟體內所顯示波型的功能無法在一個示波圖內同時 顯示三相波型，因此在本文中都只顯示出 a 相波型來觀察其結果。
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第五章 併網型分散式電源數位保護電驛之 硬體模組設計
5.1 簡介
此併網型分散式電源數位保護電驛是由本身 DSP 核心搭配許多 的周邊模組組裝而成，共有七大模組：電源模組、數位信號控制器模 組、控制模組、量測模組、人機介面模組、數位輸入/輸出模組與背板 模組等。每個模組都有各自的 MCU 控制，再經由背板模組將其他模 組相連接並編寫程式，完成此裝置的製作，如圖 5-1 所示，而裝置模 組間之關係示意圖如圖 5-2 所示。在接下來的小節將陸續介紹各個模 組的功能及特性。
圖 5-1 併網型分散式電源數位保護電驛裝置
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圖 5-2 裝置模組間關係示意圖
5.2 電源模組之設計
圖 5-3 為電源模組實體圖。此保護裝置所有電源的來源全來自於 電源模組，由圖中可知此電源模組依功能可區分為幾個部分：交流電 源輸入連接器、400W 電源供應器、8bit MCU、直流輸出連接器、H/L 輸入/輸出連接器與背板連接器等。
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圖 5-3 電源模組實體圖
圖 5-4 為電源模組示意圖。上電之後經過濾波送至 400W 的電源 供應器與設計電路提供出多組電壓，並設計偵測電路來察看電源的狀 態以及系統目前的溫度，電源供應器本身也具有自我保護的功能，而 所提供之多組電壓透過背板連接器傳送至各個模組。H/L 輸入/輸出連 接可藉由 MCU 來控制模組裡之繼電器，而 MCU 則是選擇前章節所 提到之 ATMEL-AT89S8253 來當作此模組之核心。
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圖 5-4 電源模組示意圖
1. 電源供應器(Power Supply)
此電源供應器規格如圖 5-5 所示。
圖 5-5 電源供應器規格 2. 12V/24V 電壓升壓調整電路
使用 MC34063 電壓調整控制電路,將其設計成升壓(Step-Up)電路，
用直流 12V 輸入,產生直流 24V 輸出。
3. 電源狀態量測電路
使用 AD7888 類比轉數位轉換器(8-Channel,125 kSPS,12-Bit)來量 測各電源(5V、3.3V、12V1、12V2、-12V、+24V、5Vsb)的當前電壓 狀態。
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4. 溫度量測電路
AD590 是一種電流型感測器，會隨溫度高低而改變其本身電流大 小。當電源電壓在Ｖcc=4Volt~30Volt 之間時，其電流將隨溫度的大小 而線性地變化。藉此結合 AD7888 來量測系統內部的溫度。
5.3 數位信號控制器模組之設計
圖 5-6 為數位信號控制器模組實體圖。此保護裝置的主要核心 TI-TMS320F28335 晶片即在此數位信號控制器模組，由圖中可知此模 組依功能可區分為幾個部分：數位信號處理器、轉接連接器與石英震 盪器等。
圖 5-6 數位信號控制器模組實體圖
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圖 5-7 數位信號控制器模組示意圖
圖 5-7 為數位信號控制器模組示意圖。此模組主要的功能即為 TI-TMS320F28335 晶片的應用，其接腳對應轉接連接器並透過轉接連 接器與控制模組作組裝連接。在本研究中尚未使用到此模組，因為尚 在開發階段而 DSP 晶片燒錄次數有限，故透過控制模組上 DSC 轉接 連接器接腳跳接至數位控制板 F28335 上相對應之接腳。此部分可在 未來的研究上加以探討。此晶片已在前面章節作詳細的介紹，故在此 只作簡單提要。
1. 高效能靜態 CMOS 技術：
(1) 操作速度最高 150 MHz (6.67-ns 週期時間)。
(2) 1.9-V/1.8-V CPU 核心操作電壓、 3.3-V I/O 使用電壓。
2. 高效能的 32 位元中央處理器(TI TMS320C28x)：
(1) 符合 IEEE-754 的單精確浮點單元。
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(5) 一個 I2C 匯流排。
10. 12 位元類比轉數位轉換器,具有 16 個量測通道：
(1) 80-ns 轉換率。
(2) 2 x 8 通道輸入多工器。
(3) 兩個取樣與維持電路(Sample-and-Hold )。
(4) 單一與同步轉換。
(5) 提供內部與外部參考電壓。
11. 最高到 88 個單獨可程式,多工 GPIO。
12. 支援 JTAG 邊界掃描(Boundary Scan)。
5-4 控制模組之設計
圖 5-8 為控制模組實體圖。此保護裝置對外的通訊介面皆在此控 制模組。由圖中可知此模組依功能可區分為幾個部分：RS-232、RS-485、
CAN BUS、USB、LAN、DSC 模組、電源管理區塊與背板連接器等。
圖 5-8 控制模組實體圖
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圖 5-9 控制模組示意圖
圖 5-9 為控制模組示意圖。DSC 轉接連接器主要是將數位信號控 制器模組組裝連接於此，而此控制模組透過背板連接器與各模組作溝 通聯繫。此板最主要的功能即為通訊，此模組設計多種通訊介面，如 RS-232、RS-485、USB、CAN 與 LAN 等，並搭配控制電路作調整。
在本研究中尚未使用到此模組的通訊功能，僅使用 DSC 模組，可在未 來的研究中加以探討。以下為此模組功能作個詳細介紹。
1. 通訊介面：
(1) RS-485。
(2) RS-232。
(3) CAN：
a. 使用於 3.3V 電源。
b. 高輸入阻抗允許一個匯流排上有 120 個節點。
c. 未上電的結點並不影響匯流排。
d. 相容於 ISO11898 標準的要求。
e. 訊號傳輸率最高到 1 (Mbps)。
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f. 熱停機保護。
g. 開路故障安全設計。
h. 無故障的上電與掉電保護對於熱插拔應用。
(4) LAN：
使用 RTL8019AS 網路控制晶片來做系統對外網路溝通介 面： 16Bit & 32Bit內嵌式處理器與一些8Bit微控制器的標準位址/
資料匯流排，其主要有以下USB主機操作：
a. 致能中斷。
b. Vbus-on與設備連接。
c. USB匯流排重置。
d. SOF/EOP的產生。
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使用 TPS767D301 作為雙電壓調整器以提供快暫態響應，低電壓 漂移的電壓，其主要是作為 DSP 所使用，每個電壓調整器輸出電流最 高到 1 A.輸出電壓規格如下：3.3-V/2.5-V、3.3-V/1.8-V 與
3.3-V/Adjustable。
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圖 5-10 量測模組實體圖-1
圖 5-11 量測模組示意圖-1
圖 5-12 為量測模組實體圖-2。由圖中可知此模組-2 依功能可區分 為幾個部分：8bitMCU、比流器連接器、比壓器連接器、計數器連接 器、相位檢測連接器、增益放大器、波形產生器、訊號繼電器、繼電 器驅動器與轉接連接器等。