基于FPGA的互感器校驗儀研究

張松琛

(同方股份有限公司，北京 100083)

0 引言

互感器校驗儀是一種檢定電流互感器或電壓互感器的儀器，按其測量原理分為直接比較式校驗儀和測差式校驗儀[1]。目前國內(nèi)使用的校驗儀普遍為測差式校驗儀，測差式校驗儀就是將標(biāo)準(zhǔn)與被試互感器的二次電流或二次電壓之間的差流或差壓輸入校驗儀，并與二次電流或二次電壓進(jìn)行比較，由差流對工作電流或差壓對工作電壓的比值的同相分量讀出比值差、正交分量讀出相位差，其精度等級通常為1級或2級。隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展應(yīng)用，測差式校驗儀不僅具備電流電壓互感器誤差、阻抗、導(dǎo)納測量功能，而且具有分析、控制、顯示、通訊等其他輔助功能[2-3]。

1 測差式校驗儀的測量原理

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

如用瞬時值表示，則工作電壓u和被測小電壓Δu相應(yīng)為：

u=Umsinωt.

(4)

Δu=ΔUmsin(ωt+φ).

(5)

校驗儀基本測量線路的原理是，當(dāng)工作電壓過零時，測量線路通過采樣電路測得小電壓的瞬時值，即：

u=Umsinωt=0.

(6)

(7)

同時通過峰值保持電路，測得工作電壓的幅值：

(8)

當(dāng)工作電壓經(jīng)過正交移相器移相后過零時，測得小電壓的瞬時值，即：

(9)

(10)

(11)

本系統(tǒng)是將標(biāo)準(zhǔn)互感器和被試互感器的二次輸出值做差，將差值信號與標(biāo)準(zhǔn)信號同時送入采集模塊，測量時在直角坐標(biāo)系下將誤差分解，在0°相位和180°相位時其同相分量為零，此時測得的誤差為相位差；在90°相位和270°相位時其正交分量為零，此時測得的誤差為比值差。

本系統(tǒng)采用硬件誤差分離的方式進(jìn)行測量，通過硬件將誤差的同相分量和正交分量進(jìn)行分離測量，通過模擬回路將比值差和相位差進(jìn)行分離，使用獨立的模擬調(diào)理電路經(jīng)放大、移相、濾波處理后進(jìn)行AD采樣處理，采用多相位測量法進(jìn)行測試結(jié)果的噪聲過濾，在簡化軟件設(shè)計復(fù)雜度的同時提高了測試精度。

2 硬件設(shè)計

基于FPGA的互感器校驗儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，其模擬部分由兩級放大電路和兩級濾波電路組成，主要進(jìn)行小信號的處理；數(shù)字部分由FPGA、液晶觸摸屏、存儲器、RS232接口、RS485接口、藍(lán)牙接口以及USB接口組成，ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入FPGA進(jìn)行誤差計算。

圖1 基于FPGA的互感器校驗儀系統(tǒng)框圖

圖1中，T0、Tx為標(biāo)準(zhǔn)回路信號輸入，標(biāo)準(zhǔn)回路由一級放大電路和一級有源帶通濾波電路組成，主要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回路的信號處理，其濾波器設(shè)計為中心頻率50 Hz、帶寬可調(diào)的有源濾波器，對二次諧波和三次諧波有較強(qiáng)的抑制能力，且可使用電位器進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，用于同步過零點采樣；K、D為差值信號輸入，差值信號進(jìn)入系統(tǒng)后拆分為同相誤差回路和正交誤差回路，其模擬回路均采用兩級放大濾波進(jìn)行處理，目的是采樣低百分比下的小誤差信號。

采用16位ADC作為標(biāo)準(zhǔn)回路和誤差的模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA在計算出信號的零點之后開始啟動采樣，通過軟件PLL觸發(fā)每周波128點的采樣節(jié)拍并對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，對于標(biāo)準(zhǔn)回路的有效值采用均方根算法進(jìn)行計算，在采樣整周期的最后一個采樣點前進(jìn)行實時采樣點的平方累加計算，在最后一個采樣點計算完成后進(jìn)行均值計算及開平方計算得到標(biāo)準(zhǔn)回路的有效值，并根據(jù)額定二次值計算百分表。對于差值回路，由于硬件上進(jìn)行了誤差分離，使用ADC的兩個通道進(jìn)行同相分量和正交分量的采集，并與標(biāo)準(zhǔn)回路進(jìn)行比較計算得到比值差和相位差。

藍(lán)牙通訊主要用于與手持式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；Flash的前2 MB用于存儲系統(tǒng)參數(shù)，后6 MB寫入了文件系統(tǒng)，便于文件操作進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲查詢；設(shè)計了USB接口進(jìn)行U盤的讀寫，用于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出；RS232接口連接PC機(jī)和打印機(jī)等外設(shè)，用于傳輸和打印當(dāng)前內(nèi)存區(qū)保存的測試數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，主要實現(xiàn)模擬回路的程控放大、誤差計算以及人機(jī)交互等。程控放大的作用是使處理后的誤差信號保持在ADC量程的中間位置，便于誤差信號的采樣。人機(jī)交互的主界面如圖2所示，主要具有誤差的顯示、記錄、查詢以及校驗儀的檢定等功能。

在軟件主界面點擊CT進(jìn)入電流互感器誤差校驗界面，如圖3所示，點擊測量按鈕后開始誤差測量，此時開始升一次電流，測試過程中分別保存1%、5%、20%、100%、120%測試點的誤差數(shù)據(jù)，升到120%后開始降電流，下降過程分別保存對應(yīng)點的下限誤差，當(dāng)百分表降到1%以下時測量完成。此時點擊保存按鈕進(jìn)行被試互感器參數(shù)及誤差數(shù)據(jù)的保存，點擊返回按鈕返回主界面。

圖3 電流互感器誤差測試界面

4 系統(tǒng)測試

互感器校驗儀的準(zhǔn)確等級是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)指標(biāo)[4]，按照J(rèn)JG169—2010互感器校驗儀檢定規(guī)程的檢定線路[5]，系統(tǒng)檢定回路如圖4所示。

圖4 互感器校驗儀檢定回路

使用如圖4所示的測試回路進(jìn)行校驗儀檢定，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)計算可知：該校驗儀精度滿足2級要求[6]。

表1 互感器校驗儀整體檢定數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文提出一種互感器校驗儀的解決方案，采用硬件誤差分離及多相位測試等措施進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，滿足了高精度和高穩(wěn)定性的要求。試驗數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)具有測試精度高、系統(tǒng)功能完善、反應(yīng)迅速等特點。