全自動(dòng)互感器校驗(yàn)儀整檢裝置的設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電能計(jì)量中心 榮先金 郭正 呂馥香

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司技術(shù)培訓(xùn)中心 鄒靜

全自動(dòng)互感器校驗(yàn)儀整檢裝置的設(shè)計(jì)

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目前使用的互感器校驗(yàn)儀采用手動(dòng)方式對(duì)互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行檢定，存在設(shè)備笨重、工作效率低等弱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)需統(tǒng)一互感器校驗(yàn)儀通訊協(xié)議，采用電子式設(shè)計(jì)，具備圖像識(shí)別能力的互感器校驗(yàn)儀整體檢定裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有互感器校驗(yàn)儀的全自動(dòng)檢定。

互感器校驗(yàn)儀；電子式；全自動(dòng)檢定

0 引言

根根據(jù)JJG169校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)程及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，校驗(yàn)儀在出廠試驗(yàn)、型式試驗(yàn)或后續(xù)檢定時(shí)要求都非常嚴(yán)格。一臺(tái)普通的校驗(yàn)儀通常具有電流和電壓互感器測(cè)量功能，而電流有5A和1A檔，電壓則有220V、150V、100V、100/V、100/3V檔，根據(jù)檢測(cè)要求，最嚴(yán)格的檢定范圍為10-2檔（1%～10%十個(gè)點(diǎn)）、10-3檔（0.1%～1%十個(gè)點(diǎn)）、10-4檔（0.01%～0.1%十個(gè)點(diǎn)），按照上述檔位算出一共有210個(gè)測(cè)試點(diǎn)，再加上同相分量、正交分量分別測(cè)試，則一共有420個(gè)測(cè)試點(diǎn)。如果按照現(xiàn)在傳統(tǒng)的電工式校驗(yàn)儀整檢裝置手動(dòng)測(cè)試、手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、手動(dòng)錄入報(bào)表，則一臺(tái)校驗(yàn)儀檢驗(yàn)下來(lái)需兩天方能檢完。為大幅度提升檢定效率，避免手動(dòng)記錄帶來(lái)的誤差，所以設(shè)計(jì)一種采用數(shù)字化全自動(dòng)控制原理的電子式互感器校驗(yàn)儀整檢裝置十分必要。

1 設(shè)計(jì)思路概述

擬設(shè)計(jì)的電子式互感器校驗(yàn)儀整檢裝置的工作思路如下：

a、裝置采用線性穩(wěn)定電源，保證源頭穩(wěn)定，減少誤差測(cè)量帶來(lái)的干擾。具體由DA給出基準(zhǔn)信號(hào)送到功率放大器，功率放大器輸出至輸出變壓器給出對(duì)應(yīng)的I和U。

b、通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)置任意倍率的測(cè)試點(diǎn)，自動(dòng)輸出任意測(cè)試點(diǎn)的誤差標(biāo)準(zhǔn)量值。

c、校驗(yàn)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)可通過(guò)自動(dòng)錄入上位機(jī)記錄表為主和手動(dòng)錄入測(cè)試值為輔的兩種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，并且自動(dòng)計(jì)算出校驗(yàn)儀的測(cè)量誤差，然后輸出報(bào)表。

2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字電路設(shè)計(jì)思路

裝置的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)用先進(jìn)的16位單片機(jī)TMS28335為核心，通過(guò)AD和DA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形成上位機(jī)和下位機(jī)的神經(jīng)中樞，由計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的測(cè)試控制命令，控制繼電器進(jìn)行分類控制，同時(shí)將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。如圖1，它能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、分析、功率驅(qū)動(dòng)等事務(wù)的執(zhí)行；還能作為人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)庫(kù)、打印機(jī)以及溫濕度、時(shí)實(shí)時(shí)鐘等事務(wù)的管理。

圖1 數(shù)字電路方框圖

圖2 電流互感器測(cè)量接線原理圖

2.2 TMS28335的功能利用

利用TMS28335先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自的

總線結(jié)構(gòu)。跟AD和DA交換數(shù)據(jù)使單片機(jī)的處理能力得到最大利用。

利用TMS28335中CPU含有32bit的中央算術(shù)邏輯單元（CALU）、32bit的累加器、比例移位器、16bit×16bit乘法器、輔助寄存器算術(shù)單元（ARAU）和16位雙精度浮點(diǎn)庫(kù)運(yùn)算單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。利用TMS28335可尋址的存儲(chǔ)器空間共512K字，片上256 Kxl6的Flash存儲(chǔ)器，34 Kxl6的SARAM存儲(chǔ)器．將所有程序及控制儲(chǔ)存在其中。

2.3 串口通訊的功能利用

2.3.1 同步串口通訊

用TMS28335具有的3個(gè)同步串口（SSP），串行外設(shè)置為2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個(gè)McBSP(多通道緩沖串行接口)模塊、1個(gè)SPI模塊、1個(gè)I2C主從兼容的串行總線接口模塊；提供與編譯碼器、串行AD轉(zhuǎn)換器等串行器件的直接通信。采用同步串口使得單片機(jī)與外設(shè)非常方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上位機(jī)是否有新的執(zhí)行命令，采取相應(yīng)的操作。

2.3.2 異步通訊模式

計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀之間的通訊方式為異步通訊模式(RS232)，將儀器中保存的測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理?；蛘哕浖?jí)版本可以通過(guò)異步通訊口將測(cè)試儀器進(jìn)行升級(jí)。在儀器設(shè)計(jì)中，使用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以將人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)庫(kù)以及打印機(jī)功能進(jìn)行編譯，通過(guò)異步串口將生成的程序下載到DSP2中運(yùn)行，此方法的使用可以大量減少開(kāi)發(fā)時(shí)間以及開(kāi)發(fā)的難度，同時(shí)增強(qiáng)了公司儀器人機(jī)對(duì)話的一致性，提高了軟件設(shè)計(jì)水平。

3 模擬電路設(shè)計(jì)

3.1 模擬電路設(shè)計(jì)思路

模擬電路在可調(diào)線性電源給出的IP和UP處采樣出對(duì)應(yīng)的I和U,然后經(jīng)由AD采樣，最后經(jīng)過(guò)多級(jí)放大、濾波，給出百分表對(duì)應(yīng)ΔI和ΔU。其中為保證微差信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)放大電路中采用放大電阻采用低溫漂高精度模壓電阻。

3.2 模擬電路的誤差理論

整檢裝置校驗(yàn)互感器校驗(yàn)儀時(shí)，是模擬互感器的實(shí)際誤差而給出的標(biāo)準(zhǔn)量值，其中分成兩個(gè)正弦量，即同相分量和正交分量。以下以電流互感器校驗(yàn)為例，根據(jù)校驗(yàn)儀的測(cè)量原理（如圖2）。

當(dāng)流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的電流與流過(guò)被檢互感器的電流相等時(shí)，即，流過(guò)互感器校驗(yàn)儀K端的差流為零，此時(shí)互感器誤差為零，當(dāng)時(shí)，則互感器校驗(yàn)儀K端有差流流過(guò)，其誤差可用圖3的矢量圖表示。

由于實(shí)際測(cè)量中δ是一個(gè)很小值，因此可近視認(rèn)為：

故得到電流互感器誤差，其中，

圖3 誤差矢量圖

根據(jù)以上誤差測(cè)量原理，反推互感器校驗(yàn)儀整檢裝置輸出的同相分量量值I（同）=I0×f%，正交分量量值I(正)= I0×δ×34.38（分）。

3.3 模擬電路工作原理

如圖4，功率源輸出電流信號(hào)T0/Tx或電壓信號(hào)a/x給被測(cè)校驗(yàn)儀，同時(shí)將此信號(hào)放大濾波后作為百分表信號(hào)給單片機(jī)計(jì)算，另一路信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后分別給同相DA控制和正交DA控制作為控制基準(zhǔn)。當(dāng)同相和正交給出量值控制信號(hào)時(shí)，功率輸出將輸出與百分表成比例的電流或電壓信號(hào)，當(dāng)同相DA和正交DA控制信號(hào)不變時(shí)，百分表變大，KD將成比例變大，反之百分表變小時(shí)，KD也將成比例變小。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

按國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG169-2010《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》的內(nèi)容進(jìn)行的功能設(shè)計(jì)，按內(nèi)容人性化設(shè)計(jì)，滿足計(jì)量檢定部門(mén)的使用內(nèi)容要求可按使用者的需求方便添加其它模塊及功能。設(shè)有自動(dòng)測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試。按要求算出各給出點(diǎn)的允許誤差，當(dāng)軟件測(cè)出校驗(yàn)儀示值時(shí)對(duì)應(yīng)算出誤差大小。

4.1 軟件需要具有的功能

1）對(duì)互感器校驗(yàn)儀的檢定按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程設(shè)定，具有廣泛的適用性；

2）測(cè)試方法豐富有自動(dòng)測(cè)試、識(shí)別測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試；

3）能根據(jù)使用者的要求一鍵導(dǎo)出原始記錄、檢定證書(shū)、結(jié)果通知書(shū)；

4）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保存和查詢能力，歷年各送檢單位數(shù)據(jù)都可按照設(shè)備樹(shù)儲(chǔ)存，可隨時(shí)方便查看且可比較同設(shè)備歷年送檢情況自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。

4.2 全自動(dòng)功能的設(shè)計(jì)

圖4 整檢裝置工作原理框圖

圖5 上位機(jī)功能示意圖

現(xiàn)互感器校驗(yàn)儀生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的校驗(yàn)儀樣式種類各異，通訊協(xié)議未統(tǒng)一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的互感器校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)控制。故采用圖像識(shí)別模塊。利用高清攝像機(jī)拍攝互感器校驗(yàn)儀顯示示值，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞給上位機(jī)軟件，最終在軟件上顯示。這樣就可以繞開(kāi)互感器校驗(yàn)儀通訊協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題，從而可以對(duì)所有廠家生產(chǎn)的互感器校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)校準(zhǔn)上傳的流程。

5 結(jié)語(yǔ)

互感器校驗(yàn)儀全自動(dòng)檢定裝置的研制成功，可以大大減輕檢定人員的工作量，提高了工作效率。并且保證了數(shù)據(jù)的正確性。解決了互感器校驗(yàn)儀通訊不統(tǒng)一無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有的互感器校驗(yàn)儀全自動(dòng)測(cè)量這一難題?；ジ衅餍ｒ?yàn)儀的全自動(dòng)檢定推動(dòng)計(jì)量水平的發(fā)展，為后續(xù)計(jì)量檢定工作帶來(lái)了方便。其自動(dòng)原理及方法也會(huì)帶動(dòng)其它計(jì)量產(chǎn)品加快走向自動(dòng)化檢定。

[1]JJG169-2010《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》．

[2]Q/GDW 1897《互感器校驗(yàn)儀通信協(xié)議》．

[3]王文華，基于《互感器校驗(yàn)儀通信協(xié)議》的全自動(dòng)整檢裝置，《自動(dòng)化與儀器儀表》2015年2期（總第184期）．

[4]宋健康，基于互感器校驗(yàn)儀全自動(dòng)整體檢定的研究，《質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究》2010年第3期（總第9期）．

[5]包玉樹(shù)，全自動(dòng)互感器校驗(yàn)儀整體檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，《電測(cè)與儀表》，2012,49(7)：41-44．

[6]賴渝，全自動(dòng)互感器校驗(yàn)儀整體檢定系統(tǒng)應(yīng)用，《科研》,2015(3)：249-250．