一種小模擬量輸入電能表檢定裝置的研制

張 健，穆小星，段梅梅

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210019)

隨著國網(wǎng)公司智能變電站試點(diǎn)工作的展開，小模擬量輸出的電子式互感器及小模擬量輸入電能表也已經(jīng)在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的互感器其輸出為100 V或100/及5 A或1 A，而電子式互感器模擬信號(hào)輸出量均為電壓量，其量值在幾十毫伏到幾伏之間[1]。因此傳統(tǒng)的電能表檢定裝置對(duì)小模擬量輸入電能表而言已經(jīng)不適用。需要研制一種小模擬量輸入電能表檢定裝置，完成小模擬量輸入電能表從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)的一整套測(cè)試工作。

1 技術(shù)原理

小模擬量輸入電能表檢定示意圖如圖1所示。新型檢定裝置采用“標(biāo)準(zhǔn)源法”，其核心裝置是三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源。三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的模擬小電壓信號(hào)，且內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖發(fā)生器和電能脈沖誤差比較器，可以直接接收被檢表發(fā)出的電能脈沖并計(jì)算出電能誤差。

圖1 小模擬量輸入電能表檢定示意圖

目前儀器檢定多采用“標(biāo)準(zhǔn)表法”，即用一個(gè)功率源同時(shí)加載于被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)儀器上，比較2種儀器測(cè)量值之差，從而得出被檢儀器的誤差。如圖1所示，新型檢定裝置采用“標(biāo)準(zhǔn)源法”，在檢定過程中不再需要標(biāo)準(zhǔn)表。在精度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)置值即為標(biāo)準(zhǔn)值。采用“標(biāo)準(zhǔn)源法”節(jié)省了標(biāo)準(zhǔn)表的制造、運(yùn)輸、維護(hù)和操作。且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，使檢定工作更簡(jiǎn)單。對(duì)單相系統(tǒng)或三相系統(tǒng)線間的單相電子式電壓互感器及三相電子式電壓互感器，其二次模擬量電壓輸出的額定值為：1.625 V，2 V，3.25 V，4 V，6.5 V。 用于三相系統(tǒng)線到地的單相電子式電壓互感器，其二次模擬量電壓輸出的額定值為上述額定值值除以電子式電流互感器的二次模擬量電壓輸出的額定值為：22.5mV，150mV，200mV，225mV，4 V[3]。三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源可以模擬不同電子式電壓互感器和電子式電流互感器的額定二次電壓輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)

三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源的硬件框圖如圖2所示。主要由數(shù)字信號(hào)處理模塊、基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA的控制模塊、人機(jī)接口、通訊接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器和電源電路組成。

圖2 三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源硬件框圖

數(shù)字信號(hào)處理器為基于一款單指令多數(shù)據(jù)內(nèi)核制成，支持32位定點(diǎn)和32/40位浮點(diǎn)算法格式，支持400 MHz內(nèi)核時(shí)鐘速度；為大幅提升系統(tǒng)的整體性能，內(nèi)置了有限長度和無限長度沖擊響應(yīng)濾波器以及傅里葉變換加速器等額外的處理模塊。利用數(shù)字信號(hào)處理單元的快速浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力，實(shí)時(shí)計(jì)算6路信號(hào)每個(gè)周波的波形數(shù)據(jù)，能保證輸出正弦波波形失真度在0.05%以內(nèi)。該數(shù)字處理單元提供提供的人機(jī)接口和通訊接口，可以與控制模塊實(shí)現(xiàn)無縫連接接口。控制模塊采用雙寄存器邏輯和一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級(jí)模塊。為保證輸出正弦波形的頻率穩(wěn)定，利用FPGA中的鎖相環(huán)產(chǎn)生的精密時(shí)鐘信號(hào)來同步6路數(shù)模轉(zhuǎn)換器。另外，其鎖相環(huán)可消除時(shí)鐘歪斜和占空比失真，可實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)時(shí)鐘控制，其頻率綜合器可實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和調(diào)相。人機(jī)接口由液晶顯示器、面板按鍵、鼠標(biāo)、鍵盤組成。通訊接口由以太網(wǎng)和RS232構(gòu)成。

操作時(shí)，通過面板按鍵等輸入設(shè)備或以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通訊方式，輸入6路交流信號(hào)的頻率、幅值、相位以及諧波等電參量到數(shù)字信號(hào)處理器，信號(hào)處理器對(duì)電參量進(jìn)行歸一化處理，按照等周期采樣計(jì)算和離散量化處理6路波形數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按順序發(fā)給控制模塊，并同時(shí)發(fā)送頻率值給?？刂颇K根據(jù)頻率值，通過內(nèi)部數(shù)字鎖相環(huán)輸出一個(gè)精密時(shí)鐘信號(hào)[4]，把6路波形同時(shí)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器。通過功率放大電路輸出所需要的6路交流信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

新型三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源的嵌入式軟件設(shè)計(jì)分為信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)和控制模塊軟件設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。軟件主要用C語言編寫。主程序里，信號(hào)處理模塊對(duì)電參量進(jìn)行歸一化處理，對(duì)一個(gè)周波的6路波形進(jìn)行等周期采樣計(jì)算和離散化處理，然后把離散的波形數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，并通知控制模塊新的波形數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，每個(gè)周期循環(huán)一次。人機(jī)接口和通訊接口部分采用中斷方式處理?？刂葡到y(tǒng)采用Verilog HDL設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)與信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)通訊接口，該接口用于接收6路波形數(shù)據(jù)和頻率值。根據(jù)頻率值利用全數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)，用于同步6路模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖3 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)主程序框圖

4 小模擬量信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)

小模擬量輸入電能表檢定裝置中的小模擬量信號(hào)幅值比較小，最小可到毫伏級(jí)。小模擬量信號(hào)在產(chǎn)生和傳輸過程中容易受到各種噪聲干擾。這些干擾有的來自工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾或射頻干擾，也有功率源內(nèi)部其他電路產(chǎn)生的電磁干擾，噪聲信號(hào)往往會(huì)有多種頻率成分，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響輸出精度。為了減少噪聲信號(hào)對(duì)校驗(yàn)過程的影響，可以采用以下幾個(gè)措施，濾除或減小干擾噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。

4.1 從供電系統(tǒng)上消除干擾

功率源的數(shù)字部分和模擬部分采用隔離供電方式，數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)通過電容隔離芯片進(jìn)行隔離。這樣能防止高頻數(shù)字信號(hào)通過公共電源回路干擾小模擬量信號(hào)。因?yàn)槟M信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相比對(duì)電源紋波更敏感，所以模擬部分的電源采用具有低噪聲和高電源紋波抑制性能的低壓差線性穩(wěn)壓器。該模擬線性穩(wěn)壓器能夠抑制來自上游電源和下游負(fù)載的噪聲，而且自身不增加噪聲，是為敏感模擬電路供電的理想電源器件。

4.2 從器件選型上控制干擾

一般數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電壓參考基準(zhǔn)溫漂系數(shù)比較高，因此必須選用低溫漂系數(shù)的外部電壓參考基準(zhǔn)芯片來配合高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器。為了最大程度地降低運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓和漂移，消除1/f噪聲，以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)調(diào)理。必須選擇零漂移精密運(yùn)算大器，本設(shè)計(jì)使用的業(yè)內(nèi)目前噪聲最低的斬波放大器，具有0.3 μV失調(diào)電壓、0.002μV/℃失調(diào)電壓漂移、158 dB共模抑制和150 dB電源抑制。適用于要求高增益放大低水平信號(hào)的應(yīng)用和低噪聲精密應(yīng)用。除了有源器件，選擇電容、電阻、電位器等無源器件時(shí)，要特別注意這些無源器件的容差、溫度、寄生效應(yīng)。本設(shè)計(jì)中的精密積分器中的電容使用NPO陶瓷電容，它的溫度漂移可以達(dá)到每攝氏度0.000 3%。電阻的溫度系數(shù)必須嚴(yán)格匹配，選用熱阻較低的同一批次的電阻。

4.3 合理的接地系統(tǒng)和屏蔽系統(tǒng)

眾所周知，儀表系統(tǒng)的接地分為保護(hù)接地、系統(tǒng)接地和屏蔽接地。要獲得精確的測(cè)量值除要求儀表本身具有較高的精度外，更重要的是系統(tǒng)應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)[5]。功率源選擇屏蔽機(jī)箱，這樣可以非常有效地防止外部電磁干擾和射頻干擾影響其內(nèi)部模擬電路工作。在屏蔽機(jī)箱開口的地方：如顯示器、開關(guān)、按鍵、旋鈕、連接器等部分，要合理地使用導(dǎo)電墊片、網(wǎng)屏和涂料。穿過屏蔽機(jī)箱的所有電纜、走線、連接器都應(yīng)該用環(huán)繞金屬屏蔽體包裹，并且該屏蔽體應(yīng)該在入口點(diǎn)處連接到屏蔽機(jī)箱上。本功率源設(shè)計(jì)時(shí)采用混合接地技術(shù)。要求功率源的屏蔽機(jī)箱通過3芯電源線可靠接大地。功率源內(nèi)部的模擬信號(hào)地通過0.01μF低電感陶瓷電容接屏蔽機(jī)箱，這樣可以提高模擬信號(hào)抗高頻信號(hào)的干擾能力。6路模擬信號(hào)在屏蔽機(jī)箱外通過屏蔽雙絞線進(jìn)行傳輸，雙絞線的屏蔽層通過屏蔽連接器接屏蔽機(jī)箱。在雙絞線遠(yuǎn)端（即小模擬量輸入電能表端），也要通過0.01μF低電感陶瓷電容接地，這樣即可提供高頻接地又阻止低頻線路電流在屏蔽體中流動(dòng)避免構(gòu)成低頻接地環(huán)路。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型小模擬量輸入電能表檢定裝置的設(shè)計(jì)方案，討論了其核心裝置三相小模擬量標(biāo)準(zhǔn)功率源的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)討論了小模擬量信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)方案。利用該檢定裝置可以完成小模擬量輸入電能表從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)的一整套測(cè)試工作。為有效地校驗(yàn)和檢定各種小模擬輸入電能表提供了新的手段。

[1]金 逸，劉 偉，查顯光，等.智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2012，31(2)：12-14.

[2]GB/T 20840.7—2007，互感器 第8部分：電子式電壓互感器(IEC 60044-7∶1999)[S].

[3]GB/T 20840.8—2007，互感器 第8部分：電子式電流互感器(IEC 60044-8∶2002)[S].

[4]曾慶貴.鎖相環(huán)集成電路原理與應(yīng)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012：20-21.

[5]李福全.模擬信號(hào)傳輸過程的匹配[J].自動(dòng)化與儀器儀表，1999（5）：54-55.