精密電流互感器自動(dòng)化檢定裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永興，劉罡，姜春陽

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營銷服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，精密電流互感器在計(jì)量領(lǐng)域使用日益廣泛。目前，精密互感器的檢定管理模式已形成由省市集中招標(biāo)、集中采購、集中檢驗(yàn)、統(tǒng)一配送的管理模式。因此，精密電流互感器在省級(jí)計(jì)量檢定部門檢定工作量大幅提升。傳統(tǒng)校驗(yàn)檢定方法采用人工切換變比方式，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等缺點(diǎn)［1-3］。因此，亟須研制一種精密電流互感器自動(dòng)化檢定裝置。

文獻(xiàn)［4-6］研制了不同類型的電子式高精密電流互感器校驗(yàn)儀，通過校驗(yàn)儀完成精密電流互感器自動(dòng)化檢定；文獻(xiàn)［7-8］通過軟件方式完成精密電流互感器的半自動(dòng)化檢定；文獻(xiàn)［9-10］通過介紹了檢定系統(tǒng)一次側(cè)切換方式的研究。上述方法均存在一定的局限性：校驗(yàn)儀自動(dòng)化檢定法對(duì)互感器校驗(yàn)儀依賴程度過高，一旦互感器校驗(yàn)儀出現(xiàn)故障則無法完成檢定。軟件自動(dòng)化檢定實(shí)質(zhì)上只能自動(dòng)完成同一變比內(nèi)不同測量點(diǎn)，對(duì)于不同變比的切換仍需手動(dòng)完成。一次側(cè)切換方式著重對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)改造，缺乏對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［11-16］對(duì)低壓電流互感器自動(dòng)化檢定進(jìn)行了不同程度的研究，但未應(yīng)用于高準(zhǔn)確度等級(jí)的精密電流互感器。

提出一種基于高性能的單片機(jī)和CPLD 芯片的精密電流互感器自動(dòng)化檢定裝置，采用單片機(jī)和CPLD 芯片控制一次、二次的接線更換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升流、自動(dòng)變比切換、自動(dòng)檢定等功能。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由PC機(jī)、互感器校驗(yàn)儀、調(diào)壓器、升流器、RS485 總線和互感器檢定線路組成。其中，互感器檢定線路包括切換控制板、標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一、二次接線和被試電流互感器一、二次接線。系統(tǒng)采用集中管理設(shè)計(jì)理念，事先根據(jù)檢定規(guī)程要求和實(shí)際測量需求對(duì)軟件進(jìn)行測量流程預(yù)設(shè)，同時(shí)將切換控制板與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器全部一次、二次端子連接，通過切換控制板內(nèi)部繼電器完成標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器一次端子和二次端子的導(dǎo)通。試驗(yàn)開始時(shí)，PC 機(jī)軟件首先檢測本次測量的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器變比，并計(jì)算出需要導(dǎo)通的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器一次端子和二次端子，通過RS485 通信接口下發(fā)指令，由切換控制板執(zhí)行命令，進(jìn)而完成標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被試電流互感器的一次、二次接線更換功能。當(dāng)本次測量的變比完成試驗(yàn)即標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器的一次電流和二次電流均為零時(shí)，對(duì)切換控制板發(fā)出過零點(diǎn)信號(hào)，切換控制板通過RS485 通信接口向PC 機(jī)軟件發(fā)出本次測量變比完成指令，進(jìn)而PC 機(jī)軟件開始進(jìn)行下一變比的測量，如此循環(huán)完成自動(dòng)變比切換功能。同時(shí)，PC 機(jī)軟件根據(jù)檢定規(guī)程要求和實(shí)際測量需求的預(yù)設(shè)指令，通過RS485 通信接口對(duì)互感器校驗(yàn)儀的不同測量點(diǎn)進(jìn)行限定。當(dāng)互感器校驗(yàn)儀達(dá)到所需測量點(diǎn)時(shí)，暫時(shí)停止調(diào)壓器升壓和升流器升流動(dòng)作。由互感器校驗(yàn)儀完成本測量點(diǎn)誤差數(shù)據(jù)的采集，并上傳給PC 級(jí)軟件。當(dāng)完成誤差數(shù)據(jù)的采集后，繼續(xù)完成調(diào)壓器升壓和升流器升流動(dòng)作，直至達(dá)到下一個(gè)所需測量點(diǎn)，如此循環(huán)完成同一變比的所有測量點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)的采集上傳功能。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

按照檢定規(guī)程要求或常見測量需求，對(duì)電流互感器進(jìn)行檢定時(shí)，設(shè)定額定電流為IN，額定負(fù)荷至少需要完成5%IN，20%IN，100%IN，120%IN下的基本誤差測量，輕載負(fù)荷至少需要完成5%IN，100%IN下的基本誤差測量。當(dāng)突然完成上述測量點(diǎn)切換時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器一次側(cè)有可能產(chǎn)生高壓電弧及諧波干擾，對(duì)被試電流互感器的計(jì)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響［17-18］。為避免上述情況的發(fā)生，本研究檢定系統(tǒng)中采用軟啟動(dòng)策略，在切換控制板中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的一次側(cè)端子電壓采用動(dòng)態(tài)監(jiān)視，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被試電流互感器的一次側(cè)端子電壓達(dá)到過零點(diǎn)時(shí)立即完成下一測量點(diǎn)的切換，有效地控制了高壓電弧及諧波產(chǎn)生。

2 互感器檢定線路設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電流互感器結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)電流互感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。一次繞組N1的端鈕為L1—L8，中間抽頭式；一次補(bǔ)償繞組Nb與它對(duì)應(yīng)，其端鈕為b1—b8，用來間接接地，即b1接一次極性端L1，與一次繞組非極性端L2—L8相對(duì)應(yīng)的b2—b8接地；二次繞組N2也為抽頭式，端鈕為K1—K9；二次補(bǔ)償繞組NB與二次繞N2組相對(duì)應(yīng)，其端鈕為B1—B9。各電流比的實(shí)際接線由標(biāo)準(zhǔn)和被試互感器銘牌提供，本文不再贅述。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)電流互感器結(jié)構(gòu)

2.2 互感器檢定線路

互感器檢定線路如圖3 所示（忽略補(bǔ)償繞組Nb和NB）。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一次繞組極性端L10與被試電流互感器一次繞組極性端L11相連，標(biāo)準(zhǔn)、被試電流互感器一次繞組非極性端L20和L21接升流器。標(biāo)準(zhǔn)、被試電流互感器一次繞組與升流器總體呈串聯(lián)狀態(tài)，接收來自升流器的大電流。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次繞組極性端K10與被試電流互感器二次繞組極性端K11相連，同時(shí)與互感器校驗(yàn)儀K 端子相連。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次繞組非極性端K20與互感器校驗(yàn)儀T0端子相連。被試電流互感器二次繞組非極性端K21接負(fù)荷ZX后與互感器校驗(yàn)儀TX端子相連?；ジ衅餍ｒ?yàn)儀D 端子接地。標(biāo)準(zhǔn)、被試電流互感器二次繞組總體亦呈串聯(lián)狀態(tài)，通過互感器校驗(yàn)儀供電回路T0-TX端子和測差回路K-D端子完成對(duì)電流互感器計(jì)量誤差的檢定。

圖3 互感器檢定線路

3 PC機(jī)內(nèi)部數(shù)字電路設(shè)計(jì)

PC 機(jī)內(nèi)部數(shù)字電路設(shè)計(jì)如圖4 所示，主要由16位單片機(jī)TMS28335、可編程邏輯芯片CPLD、靜態(tài)存取器SPAM、閃存存取器FLASH、MAX232 串口總線、DA 和AD 轉(zhuǎn)換器、各路輸入和輸出模塊組成?；ジ衅鳈z定線路得到計(jì)量誤差、電流等參數(shù)通過外部輸入模塊通過8 通道同步采樣模塊傳輸至CPLD 中，CPLD 將參數(shù)通過SPAM 和FLASH 傳輸至單片機(jī)TMS28335 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。TMS28335 將處理后數(shù)據(jù)通過8路隔離輸出和2路串口總線輸出完成對(duì)圖1中切換控制板的控制。同時(shí)CPLD 亦可將數(shù)據(jù)通過20 路隔離輸出和經(jīng)轉(zhuǎn)換的4 路AD 輸出傳輸至切換控制板?；ジ衅餍ｒ?yàn)儀顯示數(shù)據(jù)由CPLD外設(shè)顯示模塊提供。按鍵輸入功能和打印功能亦由CPLD實(shí)現(xiàn)。

圖4 PC機(jī)內(nèi)部數(shù)字電路設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于TMS28335單片機(jī)和可編程邏輯芯片CPLD系統(tǒng)的檢定裝置，其軟件系統(tǒng)采用CCS 開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用匯編語言編寫。主程序流程如圖5 所示，包括硬件系統(tǒng)啟動(dòng)、軟件系統(tǒng)初始化、自動(dòng)升流、設(shè)定百分點(diǎn)判斷、測量點(diǎn)判斷、數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳等流程。首先將檢定裝置硬件系統(tǒng)電源啟動(dòng)，打開系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化，開始自動(dòng)升流操作。系統(tǒng)開始進(jìn)行設(shè)定百分點(diǎn)的判斷，當(dāng)未達(dá)到額定百分點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)升流，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定百分點(diǎn)時(shí)暫停升流，記錄此時(shí)的檢定數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行測量點(diǎn)結(jié)束的判斷，當(dāng)測量點(diǎn)未結(jié)束時(shí)則繼續(xù)自動(dòng)升流，并繼續(xù)執(zhí)行設(shè)定百分點(diǎn)的判斷，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)點(diǎn)百分點(diǎn)同時(shí)測量點(diǎn)結(jié)束時(shí)，停止升流并將數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至軟件系統(tǒng)中，檢定流程結(jié)束。

圖5 主程序流程

5 設(shè)備比對(duì)試驗(yàn)

為驗(yàn)證該檢定裝置試驗(yàn)性能，采用相同的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被試電流互感器與人工試驗(yàn)臺(tái)體進(jìn)行設(shè)備比對(duì)。依據(jù)JJG 313—2010《測量用電流互感器檢定規(guī)程》和JJG 1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》要求［19-20］對(duì)被檢電流互感器所有30 個(gè)變比均進(jìn)行檢定，試驗(yàn)時(shí)間和人數(shù)等信息如表1 所示。由表1可知，采用自動(dòng)化檢定裝置無需換線人員，可節(jié)省1人的試驗(yàn)人數(shù)。同時(shí)由于在切換變比過程中自動(dòng)檢定裝置單次時(shí)間僅需要0.5 min，人工試驗(yàn)臺(tái)體需要2 min，因此自動(dòng)檢定裝置試驗(yàn)總時(shí)間大大減少。設(shè)備比對(duì)表明：本精密電流互感器自動(dòng)化檢定裝置可大幅提高試驗(yàn)效率，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 設(shè)備比對(duì)試驗(yàn)信息

6 結(jié)語

提出一種精密電流互感器自動(dòng)化檢定裝置，對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和互感器檢定線路進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，給出PC 機(jī)內(nèi)部芯片的數(shù)字電路圖和系統(tǒng)軟件的主程序流程圖。在相同標(biāo)準(zhǔn)器和被試品條件下將本檢定裝置和人工檢定臺(tái)體進(jìn)行設(shè)備比對(duì)，證明本檢定裝置可大幅提高試驗(yàn)效率，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前，本檢定裝置最大電流設(shè)計(jì)為5 000 A。當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí)對(duì)切換控制板的切換能力要求更高，會(huì)出現(xiàn)未完成自動(dòng)切換現(xiàn)象。同時(shí)，切換控制板對(duì)消除互感器一次側(cè)高壓電弧和諧波的研究尚處于理論研究階段，缺乏準(zhǔn)確的應(yīng)用驗(yàn)證。另外，切換控制板的使用壽命能否如標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一樣可以長期使用有待時(shí)間檢驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)具有長使用壽命、可切換更大電流的切換控制板以及切換控制板對(duì)消除電弧和諧波的詳細(xì)分析將是未來工作的主要方向，相關(guān)研究成果將在未來給出。