張 健，穆小星，段梅梅

(江蘇省電力公司電力科學研究院國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，江蘇南京210019)

隨著國網(wǎng)公司智能變電站試點工作的展開，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驗室到現(xiàn)場的一整套測試工作。

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“標準源法”，其核心裝置是三相小模擬量標準功率源。三相小模擬量標準功率源可以產(chǎn)生標準的模擬小電壓信號，且內(nèi)置標準電能脈沖發(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“標準表法”，即用一個功率源同時加載于被檢儀器和標準儀器上，比較2種儀器測量值之差，從而得出被檢儀器的誤差。如圖1所示，新型檢定裝置采用“標準源法”，在檢定過程中不再需要標準表。在精度范圍內(nèi)，標準源的設(shè)置值即為標準值。采用“標準源法”節(jié)省了標準表的制造、運輸、維護和操作。且容易實現(xiàn)自動檢定系統(tǒng)，使檢定工作更簡單。對單相系統(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]。三相小模擬量標準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

三相小模擬量標準功率源的硬件框圖如圖2所示。主要由數(shù)字信號處理模塊、基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA的控制模塊、人機接口、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 三相小模擬量標準功率源硬件框圖

數(shù)字信號處理器為基于一款單指令多數(shù)據(jù)內(nèi)核制成，支持32位定點和32/40位浮點算法格式，支持400 MHz內(nèi)核時鐘速度；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)字信號處理單元的快速浮點數(shù)計算能力，實時計算6路信號每個周波的波形數(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接口和通訊接口，可以與控制模塊實現(xiàn)無縫連接接口?？刂颇K采用雙寄存器邏輯和一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級模塊。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)生的精密時鐘信號來同步6路數(shù)模轉(zhuǎn)換器。另外，其鎖相環(huán)可消除時鐘歪斜和占空比失真，可實現(xiàn)低抖動時鐘控制，其頻率綜合器可實現(xiàn)倍頻、分頻和調(diào)相。人機接口由液晶顯示器、面板按鍵、鼠標、鍵盤組成。通訊接口由以太網(wǎng)和RS232構(gòu)成。

操作時，通過面板按鍵等輸入設(shè)備或以太網(wǎng)遠程通訊方式，輸入6路交流信號的頻率、幅值、相位以及諧波等電參量到數(shù)字信號處理器，信號處理器對電參量進行歸一化處理，按照等周期采樣計算和離散量化處理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)輸出一個精密時鐘信號[4]，把6路波形同時送到數(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。

3 軟件設(shè)計

新型三相小模擬量標準功率源的嵌入式軟件設(shè)計分為信號處理軟件設(shè)計和控制模塊軟件設(shè)計。其中數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。軟件主要用C語言編寫。主程序里，信號處理模塊對電參量進行歸一化處理，對一個周波的6路波形進行等周期采樣計算和離散化處理，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，每個周期循環(huán)一次。人機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，主要實現(xiàn)與信號處理單元的數(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)一個同步時鐘信號，用于同步6路模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖3 數(shù)字信號處理系統(tǒng)主程序框圖

4 小模擬量信號抗干擾設(shè)計

小模擬量輸入電能表檢定裝置中的小模擬量信號幅值比較小，最小可到毫伏級。小模擬量信號在產(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，噪聲信號往往會有多種頻率成分，嚴重時會影響輸出精度。為了減少噪聲信號對校驗過程的影響，可以采用以下幾個措施，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)字信號通過電容隔離芯片進行隔離。這樣能防止高頻數(shù)字信號通過公共電源回路干擾小模擬量信號。因為模擬信號與數(shù)字信號相比對電源紋波更敏感，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算放大器的失調(diào)電壓和漂移，消除1/f噪聲，以實現(xiàn)最佳的信號調(diào)理。必須選擇零漂移精密運算大器，本設(shè)計使用的業(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，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到每攝氏度0.000 3%。電阻的溫度系數(shù)必須嚴格匹配，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)的接地分為保護接地、系統(tǒng)接地和屏蔽接地。要獲得精確的測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，要合理地使用導電墊片、網(wǎng)屏和涂料。穿過屏蔽機箱的所有電纜、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)該在入口點處連接到屏蔽機箱上。本功率源設(shè)計時采用混合接地技術(shù)。要求功率源的屏蔽機箱通過3芯電源線可靠接大地。功率源內(nèi)部的模擬信號地通過0.01μF低電感陶瓷電容接屏蔽機箱，這樣可以提高模擬信號抗高頻信號的干擾能力。6路模擬信號在屏蔽機箱外通過屏蔽雙絞線進行傳輸，雙絞線的屏蔽層通過屏蔽連接器接屏蔽機箱。在雙絞線遠端（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)計方案，討論了其核心裝置三相小模擬量標準功率源的軟硬件設(shè)計方法，并詳細討論了小模擬量信號抗干擾設(shè)計方案。利用該檢定裝置可以完成小模擬量輸入電能表從實驗室到現(xiàn)場的一整套測試工作。為有效地校驗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)測技術(shù)及應(yīng)用[J].江蘇電機工程，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技術(shù)出版社，2012：20-21.

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