包玉樹，葉加星，程健林，李士華

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輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容評價(jià)系統(tǒng)研究

包玉樹，葉加星，程健林，李士華

摘 要：研發(fā)了一種輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容的評價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)，建立一個(gè)能同時(shí)包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導(dǎo)干擾的綜合電磁環(huán)境。用于模擬輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具的工作環(huán)境，對臵于環(huán)境中的試驗(yàn)器具的測試可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，評價(jià)其環(huán)境電磁兼容性能。

關(guān)鍵詞：輸變電，電磁兼容，DDS

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對電網(wǎng)的安全和自動(dòng)化能力也提出了更高的要求。在輸變電系統(tǒng)中各種電氣電子設(shè)備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加。電網(wǎng)輸變電設(shè)備檢修維護(hù)所采用的各種試驗(yàn)器具正是在各種強(qiáng)電磁環(huán)境下工作，其可靠性會(huì)受到電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的電磁耦合、靜電耦合和電暈輻射的射頻干擾影響。因該類試驗(yàn)器具的可靠性要求低于電力保護(hù)裝置，且考慮到此類試驗(yàn)器具生產(chǎn)規(guī)模小，品類繁多，若按照保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14598.20-2007 電氣繼電器第26部分：量度繼電器和保護(hù)裝置的電磁兼容要求》進(jìn)行相關(guān)電磁兼容測試，耗費(fèi)的時(shí)間長，成本高，且試驗(yàn)條件所表征的干擾特征與工作現(xiàn)場電磁環(huán)境具有較大差異。目前，我國專門針對輸變電設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容能力的考核和測試方法的研究還是空白，需要進(jìn)行探討并期望形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

本文中，我們設(shè)計(jì)了一種專門用于輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容評價(jià)的裝置，該裝置具有諧波干擾觸發(fā)功能，可以形成同時(shí)包含交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾及傳導(dǎo)干擾的綜合電磁環(huán)境，用于模擬輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具工作現(xiàn)場的強(qiáng)磁場環(huán)境，通過數(shù)據(jù)采集和對比分析，對試驗(yàn)器具的測試可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對輸變電一次試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容的評價(jià)。該裝置集成度高，體積小，重量輕，使用方便靈活，可替代進(jìn)口產(chǎn)品。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能

針對國內(nèi)目前在輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容研究方面的空白，設(shè)計(jì)一種輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容的評價(jià)系統(tǒng)。該評價(jià)系統(tǒng)由評價(jià)裝置和計(jì)算機(jī)平臺(tái)組成，其中評價(jià)裝置是系統(tǒng)的核心部分，具有觸發(fā)諧波干擾信號、標(biāo)準(zhǔn)輔助信號，高速采樣交流電參數(shù)，測試數(shù)據(jù)分析對比的功能。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于能模擬試驗(yàn)器具工作現(xiàn)場的復(fù)雜電磁干擾環(huán)境，對試驗(yàn)器具的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容評價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)包括3部分：主機(jī)（上位機(jī)）、評價(jià)裝置（下位機(jī)）、試驗(yàn)器具。

主機(jī)負(fù)責(zé)評價(jià)方案的制定，具備人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)控制評價(jià)裝置的諧波干擾觸發(fā)，控制標(biāo)準(zhǔn)信號施加，還負(fù)責(zé)采集評價(jià)裝置和試驗(yàn)器具的數(shù)據(jù)，并分析對比、數(shù)據(jù)保存、通訊管理、報(bào)告打印等。

評價(jià)裝置是整套系統(tǒng)的核心裝置，負(fù)責(zé)觸發(fā)諧波干擾，參照輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具的實(shí)際工作環(huán)境，建立一個(gè)同時(shí)包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導(dǎo)干擾的綜合電磁環(huán)境，將被測試裝置置于此環(huán)境內(nèi)工作，對被測試驗(yàn)器具施加標(biāo)準(zhǔn)電參數(shù)信號進(jìn)行測試，通過高速采樣獲取并顯示試驗(yàn)器具的真實(shí)數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中，主機(jī)與評價(jià)裝置和試驗(yàn)器具的通信采用RS232串口通信的方式。

2.2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示：

圖2 評價(jià)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

評價(jià)裝置的主要功能模塊包括電源模塊、串口通信模塊、交流電參數(shù)高速采樣模塊、信號發(fā)生模塊、人機(jī)界面模塊、主系統(tǒng)模塊。

評定裝置的工作程序分為兩步，第一步，諧波干擾觸發(fā)：評定裝置通過串口通信模塊接收上位機(jī)下傳的用戶需要的干擾諧波數(shù)據(jù)，或者由用戶用外置鍵盤設(shè)置所要發(fā)生的波形的參數(shù)（設(shè)置的參數(shù)在LCD上顯示），主系統(tǒng)模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出給信號發(fā)生模塊，信號發(fā)生模塊完成信號的生成和調(diào)整后輸出給外部的試驗(yàn)器具，同時(shí)交流電參數(shù)高速采樣模塊對試驗(yàn)器具的真實(shí)進(jìn)行采集，傳給主模塊芯片，對兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，完成一次檢驗(yàn)程序。

2.2.2 主要功能模塊及原理

（1）主系統(tǒng)模塊

主系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208作為主控制芯片，負(fù)責(zé)所有模塊的數(shù)據(jù)處理，利用FPGA的可編程片上系統(tǒng)的邏輯資源在其內(nèi)部定制軟核處理器及所需的各種邏輯電路，信號發(fā)生模塊的波形產(chǎn)生和信號回測、高速采樣模塊的數(shù)據(jù)采樣等都是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的。

（2）串口通信模塊

與上位機(jī)通信，串口通信模塊采用三菱RS232串口通訊模塊QJ71C24N-R2，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好。

（1）信號發(fā)生模塊

信號回測部分包括復(fù)合反饋控制放大器模塊和幅度反饋模塊，具體結(jié)構(gòu)在后文中詳述。其工作原理是，產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號輸入到復(fù)合反饋控制放大器模塊，得到大電壓、大電流和大功率信號，反饋模塊用于將放大的信號與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，誤差反饋至主模塊芯片進(jìn)行調(diào)整，完成信號輸出的閉環(huán)控制，從而使輸出值穩(wěn)定在用戶設(shè)定值。

1）DDS工作原理

如一個(gè)幅值為1，初相為0的正弦信號可表示為公式（1）：

u(t) = sin(2πf0t) = sinθ(t) （1）

對公式（1）進(jìn)行采樣，采樣周期為Tc（即采樣頻率為fc），則可得到離散的波形序列為公式（2）：

工科院校教師專業(yè)化發(fā)展思想的缺失，直接給新教師培訓(xùn)帶來三大“災(zāi)難”：學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)不重視，職能部門不積極，二級教學(xué)單位不主動(dòng)；新教師培訓(xùn)過程形式化、表面化，違背“教學(xué)知識(shí)、教學(xué)技能、教學(xué)能力”逐層遞進(jìn)發(fā)展規(guī)律；新教師培訓(xùn)評價(jià)的“教學(xué)性”弱化，培訓(xùn)效果不理想，培訓(xùn)目標(biāo)達(dá)成度低。

u(n) = sin(2πf0nTc)(n = 0,1,2….) （2）相應(yīng)的離散相位序列為公式（3）：

θ(n) = 2πf0nTc=?θ.n (n = 0,1,2….) （3）式中為公式（4）：

?θ= 2πf0Tc= 2πf0/fc（4）

是連續(xù)兩次采樣之間的相位增量。根據(jù)采樣定理為公式（5）：

只要從公式（2）出來的離散序列即可唯一的恢復(fù)出公式（1）的模擬信號。從公式（1）可知，相位函數(shù)的斜率決定了信號的頻率；從公式（4）可知，決定相位函數(shù)斜率的是兩次采樣之間的相位增量?θ。因此，只要控制這個(gè)相位增量，就可以控制合成信號的頻率。

現(xiàn)將整個(gè)周期的相位2π分成M份，每一份為δ= 2π/ M，若每次的相位增量選擇為δ的K倍，即可得到信號的頻率為公式（6）：相應(yīng)的模擬信號為公式（7）：

式中K和M都是正整數(shù)，根據(jù)采樣定理的要求，K的最大值應(yīng)小于M的1/2。

綜上所述，在采樣頻率一定的情況下，可以通過控制兩次采樣之間的相位增量（不得大于π）來控制所得離散序列的頻率，經(jīng)保持、濾波之后可唯一的恢復(fù)出此頻率的模擬信號。

2）DDS模塊

DDS工作原理框圖如圖3所示：

圖3 DDS基本結(jié)構(gòu)

DDS由相位累加器、波形查詢表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器組成。

DDS的核心部位是相位累加器，它由一個(gè)寄存器和一個(gè)加法器構(gòu)成。加法器的加數(shù)是相位寄存器的當(dāng)前值，而被加數(shù)是頻率寄存器的值（也被稱為頻率控制字FSW），它用于實(shí)現(xiàn)相位的相加。相位累加器的輸出在每個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)被存放到相位寄存器里，以便進(jìn)行下一個(gè)時(shí)鐘的累計(jì)和相位尋址，相位寄存器的值也就是相位累加器的輸出。在實(shí)際的應(yīng)用中，相位累加器的位數(shù)是有限的，因此一旦其輸出值達(dá)到最大值時(shí)，相位累加器便會(huì)重新循環(huán)輸出。

相位累加器的輸出值是和輸出波形的相位有一定關(guān)系的FSW累加值，是相位的量化值，不能直接輸出。想要實(shí)現(xiàn)波形輸出還需要一個(gè)被稱為波形查找表的變換裝置將相位序列碼變換為幅度序列。波形查找表中存儲(chǔ)的是輸出波形在某些相位點(diǎn)上的電壓采樣值，本系統(tǒng)中的波形查找表采用的是ROM，可以通過改變波形查找表中的值來改變輸出波形。

在實(shí)際應(yīng)用中需要的是模擬波形的輸出，因此需要一個(gè)能將數(shù)字量的幅值編碼轉(zhuǎn)變成模擬量輸出的器件——數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由于數(shù)模轉(zhuǎn)化器輸出的是一個(gè)經(jīng)抽樣電路和保持電路輸出的含有大量雜散頻率和高次諧波的非理想化波形-階梯狀波形，所以必須采用低通濾波器進(jìn)行濾波，之后便可以獲得比較理想的波形。

3）復(fù)合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器

復(fù)合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器的作用是將產(chǎn)生的交流信號通過功率放大器放大，使輸出的電壓、電流具有一定的帶負(fù)載能力。復(fù)合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器的原理方框圖如圖4所示：

圖4 放大器結(jié)構(gòu)圖

從DDS濾波后的交流基準(zhǔn)信號先送至幅度控制電路，幅度控制電路主要由16位高精度數(shù)字電位器構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成輸出電量的調(diào)解細(xì)度。經(jīng)過幅度調(diào)節(jié)后的交流電壓信號送至比較器，在此與AGC電路通過輸出端取回的輸出比例信號進(jìn)行比較（AGC電路主要取輸出量的幅值比例信號，相位信號及部分高頻電信號成份），比較后得出一誤差信號送至功放前級電路放大去驅(qū)動(dòng)功率放大電路，完成升壓或升流及功率放大。功率放大電路放大后的交流信號接至輸出端，輸出信號經(jīng)過取樣模塊后反饋給矢量采樣模塊。

3）幅度反饋

幅度反饋的原理是將上述輸出信號通過矢量采樣電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換后送至主模塊芯片與機(jī)內(nèi)的交流基準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，用差值進(jìn)行閉環(huán)控制，確保輸出信號的幅值準(zhǔn)確，相位關(guān)系不變。因矢量采樣過程也會(huì)帶來附加誤差，影響輸出信號的準(zhǔn)確度，因此在電壓矢量采樣中，我們采用高穩(wěn)定性的精密電阻，其溫度系數(shù)為 2ppm，比差及角差可達(dá)0.002%；在電流矢量采樣中，采用有源補(bǔ)償式電流互感器，這樣可以大大降低激磁誤差，由精密電阻和高精度運(yùn)算放大器組成電流/電壓變換，使電流互感器次級工作于近似短路狀態(tài)，經(jīng)過I/V變換后的電壓信號就反映了電流的幅值與相位，其附加的比差及角差優(yōu)于0.005%。經(jīng)矢量采樣電路采集到的是一個(gè)模擬量，不能直接送至主模塊芯片處理，我們采用美信公司生產(chǎn)的DAC MAX1165進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

（2）其他模塊

電源模塊設(shè)計(jì)采用ALTERA的N6733B模塊化電源，輸出電壓20V，輸出電流5A，輸出功率100W，該模塊性能優(yōu)越，精度高，反應(yīng)速度快。電源模塊的電源輸出端并聯(lián)連接人機(jī)界面的電源輸入端、串口通信模塊的電源輸入端、交流電參數(shù)高速采樣模塊的電源輸入端、信號輸出模塊的電源輸入端、主系統(tǒng)模塊的電源輸入端，為各個(gè)模塊供電。

交流電參數(shù)高速采樣模塊采用海爾利多功能儀表公司生產(chǎn)的PK9015交流電壓電流采集模塊，用于采集被測試驗(yàn)器具的真實(shí)數(shù)據(jù)。

人機(jī)界面模塊包括鍵盤模塊和LCD顯示屏模塊，其中，LCD顯示屏模塊采用三星LTM 121SI-T01LCD顯示屏模塊，屏幕尺寸12.1寸，優(yōu)點(diǎn)是清晰度高，分辨率為800*600。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖5所示：

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

用戶在主機(jī)上選定測試方案，包括諧波干擾信號類型和輔助測試的標(biāo)準(zhǔn)信號。測試開始，評價(jià)裝置接收主機(jī)的命令后，向試驗(yàn)器具發(fā)送電磁干擾和輔助測試信號，并在LCD上顯示；同時(shí)，評價(jià)裝置通過高速采集模塊獲得試驗(yàn)器具的真實(shí)數(shù)據(jù)，評價(jià)裝置可以自己對兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，也可以上傳至主機(jī)，由用戶通過軟件進(jìn)行分析對比，驗(yàn)證試驗(yàn)器具的環(huán)境電磁兼容性能，一個(gè)循環(huán)結(jié)束。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容的評價(jià)系統(tǒng)，包括評價(jià)裝置和一套主機(jī)。利用最先進(jìn)的DDS波形合成技術(shù)和DSP、FPGA等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)評價(jià)裝置的諧波信號觸發(fā)功能。并通過復(fù)合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器設(shè)計(jì)和信號幅值反饋電路設(shè)計(jì)，保證觸發(fā)信號的高準(zhǔn)確度。用該裝置可建立一個(gè)同時(shí)包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導(dǎo)干擾的綜合電磁環(huán)境，并對該環(huán)境下的試驗(yàn)器具可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)對輸變電一次設(shè)備試驗(yàn)器具環(huán)境電磁兼容的評價(jià)。

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Research on Electromagnetic Compatibility Evaluation System of the Test Instrument for Power Transm ission and Transformation Equipment

Bao Yushu， Ye Jiaxing， Cheng Jianlin， Li Shihua
（Jiangsu FangTian Electric Technology Company， Nanjing 211102， China）

Abstract:In this paper， it proposed an electromagnetic compatibility evaluation system of the test instruments for power transm ission and transformation equipment based on DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）. This system could establish an integrated electromagnetic environment， which contained AC and DC electromagnetic coupling interference， radiated interference and conducted interference. It could be used to simulate the working environment of the test instrument for power transmission and transformation equipment. This system could be used to verify the reliability and evaluate the electromagnetic compatibility of the test instrument.

Key words:Power Transmission and Transformation； Electromagnetic Compatibility； DDS

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-757X（2016）05-0050-03

作者簡介：包玉樹（1964-），男，:徐州人，江蘇方天電力技術(shù)有限公司總工程師，高級工程師，研究方向：高壓計(jì)量，南京，211102；葉加星（1982-），男，南京人，江蘇方天電力技術(shù)有限公司工程師，工程師，研究方向：電測計(jì)量，熱工計(jì)量，南京，211102；程健林（1989-），男，常州人，江蘇方天電力技術(shù)有限公司工程師，助工，研究方向：電測計(jì)量，熱工計(jì)量，南京，211102；李士華（1983-），男，徐州人，江蘇安方電力科技有限公司工程師，工程師，研究方向：電能質(zhì)量治理，泰州市，225300。

收稿日期:（2015.09.25）