用于電能質(zhì)量監(jiān)測的電子式互感器采集單元設(shè)計(jì)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 陳 勇特變電工南京智能電氣有限公司 李 聰云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 袁 明 宋 潔江蘇金智科技股份有限公司 劉升鵬

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用于電能質(zhì)量監(jiān)測的電子式互感器采集單元設(shè)計(jì)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 陳 勇
特變電工南京智能電氣有限公司 李 聰
云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 袁 明 宋 潔
江蘇金智科技股份有限公司 劉升鵬

【摘要】本文介紹了用于電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測的電子式互感器采集單元的設(shè)計(jì)方案。電子式互感器一次線圈將電網(wǎng)電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號，并輸入到高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。FPGA通過串行接口讀取ADC采樣值，然后根據(jù)DL/T 282協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀，通過高速串行光纖模塊發(fā)送至合并單元及電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

【關(guān)鍵詞】電能質(zhì)量監(jiān)測；電子式互感器；FPGA；DL/T 282

1　電子式互感器用于電能質(zhì)量監(jiān)測概況

隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，許多新型的電氣設(shè)備在其運(yùn)行中會向電力系統(tǒng)注入各種電磁干擾，導(dǎo)致電能質(zhì)量問題日益突出，并引起了電力部門和電力用戶的高度重視［1］。因此能夠?qū)崿F(xiàn)對電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測、全面分析及故障判斷的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置成為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。

隨著電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展、設(shè)備自動(dòng)化程度的提高及光纖通信技術(shù)的普及應(yīng)用，智能化變電站有逐漸取代常規(guī)變電站的趨勢，而電子式互感器作為智能化變電站的重要組成因子，成為了研究與分析的熱點(diǎn)［2］。近幾十年來，國內(nèi)外研究人員已研究和制造出了電子式電流互感器（ECT）和電子式電壓互感器（EVT），并將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)［3］。

數(shù)字化變電站電子式互感器的采樣率一般在12.8KHz以下，而電能質(zhì)量監(jiān)測裝置要求信號采樣率至少達(dá)到50KHz以上。因此研究采樣頻率滿足要求的采集單元非常必要，也是工程應(yīng)用的迫切要求。

2　方案概述

用于基于電子式互感器的電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)包括三相電壓互感器、三相電流互感器、合并單元及電能檢測裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1所示中，電子式互感器一次部分為電子式互感器的電功率線圈。二次部分為采集單元。采集單元的整體方案如圖2所示。

圖2　采集單元

圖2所示中，采集單元的輸入為低功率線圈輸出的有效值為1.5V的正弦波電壓信號。采集單元由低通濾波電路、高精度ADC、FPGA處理模塊及高速串行光纖模塊組成，其中，F(xiàn)PGA處理模塊主要功能包括讀取ADC采樣數(shù)據(jù)的串行接口模塊和基于DL/T 282協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

3　采集單元

3.1低通濾波電路

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對電網(wǎng)線路電流電壓的采樣頻帶有較高要求，需要達(dá)到至少256次諧波（頻率12.8KHz）。設(shè)計(jì)低通濾波電路，濾除該頻帶以外更高次諧波以及電網(wǎng)線路的干擾信號，在滿足電能質(zhì)量監(jiān)測裝置要求的情況下，盡量減少干擾信號對采集系統(tǒng)的影響。低通濾波電路如圖3所示。

圖3　低通濾波電路

圖3所示中，輸出信號的傳遞函數(shù)為：

幅頻特性為：

低通濾波電路的截止頻率是指該頻率的幅頻衰減為-3db，即A=0.707，根據(jù)式（3），截止頻率應(yīng)為f0。而行波測距系統(tǒng)的要求，f0為12.8KHz，根據(jù)式（2），計(jì)算取R1=R2=4.12K，C1=1.5nF。

3.2高精度ADC

考慮到電能質(zhì)量監(jiān)測對數(shù)據(jù)精度和采樣速率的要求，選擇ADI公司的200KSps采樣率、16位多通道同步ADC芯片AD7606。該芯片在使用單+5V作為供電電源的情況下，支持真正的雙極性輸入，而在高噪聲電源條件下也能保證16位無失碼性能。AD7606的數(shù)字量輸出接口有2種，為16位并行總線接口和串行接口。AD7606芯片單個(gè)采樣通道的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　單個(gè)通道的結(jié)構(gòu)

低通濾波器電路的輸出信號的兩端直接接到CLAMP管腳。CLAMP管腳為輸入鉗位電路，可以承受高達(dá)±16.5V的過電壓，保證了在異常情況下內(nèi)部電路不被損壞。

3.3FPGA串行接口模塊

FPGA與AD7606的串行接口包括/CS，DOUT和SCLK信號，時(shí)序如圖5所示。

圖5　時(shí)序圖

圖5所示中，AD7606在/CS下降沿，輸出通道1采樣值的最高位bit16，接下來在SCLK的上升沿依次輸出較低位數(shù)據(jù)。

FPGA串行接口模塊定義狀態(tài)機(jī)，根據(jù)上述時(shí)序完成采樣數(shù)據(jù)的讀取及存儲。狀態(tài)機(jī)包括空閑態(tài)、轉(zhuǎn)換態(tài)、數(shù)據(jù)讀取態(tài)、存儲態(tài)和結(jié)束態(tài)，狀態(tài)機(jī)流程如圖6所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)采樣率為50KHz，即每個(gè)采樣點(diǎn)周期為20us，因此在空閑態(tài)中判斷若到達(dá)20us定時(shí)時(shí)間則進(jìn)入轉(zhuǎn)換態(tài)，并向AD7606發(fā)送CONVERT信號，啟動(dòng)一次同步轉(zhuǎn)換。根據(jù)AD7606的手冊，典型的轉(zhuǎn)換時(shí)間TCNV為4us，因此在轉(zhuǎn)換態(tài)中判斷若達(dá)到4us定時(shí)時(shí)間，則進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取態(tài)。在數(shù)據(jù)讀取態(tài)中，拉低/CS并給出SCLK信號，然后在SCLK的上升沿依次將數(shù)據(jù)位移入暫存寄存器。判斷若是讀完一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即16bit數(shù)據(jù)，就將暫存寄存器存入FIFO中。當(dāng)本次轉(zhuǎn)換的所有通道讀取完成，將進(jìn)入結(jié)束態(tài)，觸發(fā)一次數(shù)據(jù)幀發(fā)送，然后再次進(jìn)入空閑態(tài)等待下次采樣周期。

圖6　串行接口狀態(tài)機(jī)

3.4FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊從串行接口模塊的FIFO中獲取三相電流或電壓信號的16位數(shù)字量采樣值，按照DL/T 282協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀，最終通過光纖模塊發(fā)送至合并單元及電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

DL/T 282協(xié)議是中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電子式互感器與合并單元之間的數(shù)據(jù)傳輸格式。DL/T 282協(xié)議定義數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbit/s或其整數(shù)倍，數(shù)據(jù)流采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART進(jìn)行異步通信，每個(gè)字節(jié)由11位組成，包括1個(gè)啟動(dòng)位’0’，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位’1’，數(shù)據(jù)位低位先發(fā)。本方案中幀格式各字節(jié)定義如表1所示。

表1　幀格式

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊定義狀態(tài)機(jī)來完成表1中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。狀態(tài)機(jī)包括空閑態(tài)、起始字節(jié)態(tài)、數(shù)據(jù)態(tài)、CRC態(tài)及結(jié)束態(tài)。

圖7　數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)

在數(shù)據(jù)態(tài)中，根據(jù)字節(jié)號，依次發(fā)送表1中規(guī)定的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送三相采樣值時(shí)，需要首先產(chǎn)生FIFO_RD信號，然后從FIFO的數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

完成了行波測距用的電子式互感器高頻信號采集與傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)之后，按照圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對本方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)設(shè)備包括三相電子式電壓電流互感器各1支、合并單元1臺和電能質(zhì)量監(jiān)測裝置1臺。

對系統(tǒng)加上高壓信號，從電能質(zhì)量監(jiān)測裝置中得到各項(xiàng)電能質(zhì)量信號，與所加電能質(zhì)量參數(shù)吻合。試驗(yàn)結(jié)果證明本方案在電子式互感器應(yīng)用場合，能夠?yàn)殡娔苜|(zhì)量監(jiān)測裝置提供有效的采樣數(shù)據(jù)，具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］趙逸眾，肖湘寧，姜旭.現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.電氣技術(shù)，2006（1）：13.

［2］王濤，張寧，劉琳等.有源電子式互感器故障診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（18）：74.

［3］王紅星，張國慶，郭志忠等.電子式互感器及其在數(shù)字化變電站中應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（9）：115.

陳勇（1977—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：繼電保護(hù)。

李聰（1984—），男，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)。

袁明（1990—），男，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)。

宋潔（1984—），女，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向：繼電保護(hù)。

劉升鵬，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)。

作者簡介：