山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 梁新帥

現(xiàn)如今，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，所需互感器的種類也越來(lái)越多。在6kV-35kV電網(wǎng)電能計(jì)量裝置中計(jì)量用互感器主要采用了組合互感器，使得組合互感器的用量日益增大。傳統(tǒng)的測(cè)量組合互感器的方法主要是單相測(cè)量，分別對(duì)電壓部分和電流部分測(cè)量。測(cè)試步驟繁瑣，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，并且無(wú)法模擬電網(wǎng)中實(shí)際工作狀態(tài)。在這樣的實(shí)際情況下，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試方法進(jìn)行科技創(chuàng)新。依據(jù)JB/T10432-2004《三相組合互感器》和JB/10433-2004《三相電壓互感器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及《JJG313-2010測(cè)量用電流互感器》、《JJG314-2010測(cè)量用電壓互感器》、《JJG1021-2007電力互感器》規(guī)程要求，專門研發(fā)了高壓三相組合互感器的全自動(dòng)誤差測(cè)試成套裝置。（以下簡(jiǎn)稱高壓三相裝置）本文就高壓三相裝置的控制部分的設(shè)計(jì)原理和工作流程進(jìn)行闡述。

一、高壓三相裝置的原理

高壓三相裝置仍然采用了傳統(tǒng)的直接測(cè)量的方法，完全可以滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在此基礎(chǔ)上通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新模擬三相組合互感器在電網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并在此條件下檢定其誤差。

實(shí)際測(cè)量中采用同時(shí)對(duì)被試品接入額定三相電流和額定三相電壓的檢定方法（如圖1所示）。使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠、快速。這樣的方法無(wú)需頻繁的更換接線，避免了換線過(guò)程中的失誤，有利于高壓試驗(yàn)工作的安全和效率。

圖1

二、高壓三相裝置的控制部分分類

控制部分主要分為兩大類：一、基于FPGA的DDS三相正弦波發(fā)生器，控制臺(tái)體電源工作。二、PC機(jī)接收互感器校驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)控制整體裝置的運(yùn)行。

1.基于FPGA的DDS三相正弦波發(fā)生器，控制臺(tái)體電源

在傳統(tǒng)的互感器校驗(yàn)臺(tái)中，往往都是采用單片機(jī)作為控制核心。要選擇多種芯片配合，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、投入高、效率慢。高壓三相裝置采用了FPGA芯片，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array)。FPGA開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)投入少、芯片價(jià)格低。同時(shí)也可以解決系統(tǒng)小型化、低功耗、耐用性等問(wèn)題。

DDS即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，是由美國(guó)學(xué)者J.Tiercy，M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，是一種以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字技術(shù)的頻率合成方法。從1971年至今，DDS已從一個(gè)工程新事物逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)工具。與大家熟悉的直接式和間接式（PLL）頻率合成技術(shù)不同，DDS技術(shù)完全采用數(shù)字技術(shù)處理，屬于第三代頻率合成技術(shù)。DDS的主要優(yōu)點(diǎn)是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。DDS的應(yīng)用領(lǐng)域包括各類無(wú)線通信、有線通信、網(wǎng)絡(luò)通信，各類需要頻率信號(hào)的儀器、儀表、遙測(cè)、遙感設(shè)備、收音機(jī)和電視機(jī)等[1]。

高壓三相裝置用FPGA開(kāi)發(fā)出DDS原理的信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生可控三相正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)功放電路放大（如圖2所示）。

圖2

實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行頻率為50Hz±10%，高壓三相裝置通過(guò)FPGA生成可控的三相正弦波信號(hào)，模擬電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)三相電流和三相電壓。三相正弦波信號(hào)2V為滿載，通過(guò)乘法器控制信號(hào)的大小和速度，可以實(shí)現(xiàn)三相正弦波的升降，從而控制輸出電源。在實(shí)際運(yùn)行中由于功能需要，組合互感器接線方式不同，接線方式有三相全部接線，也有一相接線或者兩相接線。在以前測(cè)量中，高壓三相組合互感器，只能單相測(cè)試。新的高壓三相裝置則可以三相同時(shí)升降，也可以單相或者兩相同時(shí)升降，更加靈活，也更符合實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行，測(cè)量的誤差結(jié)果也更貼近實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。單獨(dú)使用高壓三相裝置的時(shí)候，只要通過(guò)面板上的細(xì)升、細(xì)降、粗升、粗降等功能按鍵，就可以控制電流和電壓進(jìn)行升降，從而完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程。

2.PC機(jī)全自動(dòng)控制高壓三相裝置運(yùn)行

實(shí)際計(jì)量工作中，多數(shù)都采用PC機(jī)進(jìn)行全程控制，并根據(jù)儀器的狀態(tài)和返回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視，并進(jìn)行有效干預(yù)，同時(shí)將大量的原始數(shù)據(jù)分析、處理、保存。保證測(cè)量數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、高效（如圖3所示）。

圖3

高壓三相裝置采用PC機(jī)全自動(dòng)控制，只要將被試品的各項(xiàng)參數(shù)如：型號(hào)、量限、精度、負(fù)荷等錄入專用操作系統(tǒng)HZDT-3Z，PC機(jī)將全程控制、采集、分析、判斷，從而完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程。

（1）PC機(jī)先將錄入的參數(shù)通過(guò)RS-232串口通訊，發(fā)出指令。命令校驗(yàn)儀和檢定臺(tái)進(jìn)行測(cè)試前的準(zhǔn)備，跳轉(zhuǎn)量限、精度、負(fù)荷。保證各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)跳轉(zhuǎn)到正確檔位。

（2）根據(jù)量限所示，PC機(jī)發(fā)出指令，令FPGA初始化，確定輸出大小和速度。FPGA內(nèi)預(yù)設(shè)了4個(gè)速度檔位。

（3）在正式檢定開(kāi)始前，PC機(jī)發(fā)出“細(xì)升”命令，令電流或電壓升起，達(dá)到0.8%的時(shí)候，校驗(yàn)儀會(huì)初始判斷接線是否有問(wèn)題，如極性反、變比錯(cuò)、開(kāi)路等問(wèn)題。這些錯(cuò)誤信息都會(huì)通過(guò)RS-232串口傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)接收到這些錯(cuò)誤信息，將會(huì)終止整個(gè)檢定過(guò)程。并報(bào)警，歸零，提示人員檢查錯(cuò)誤。

（4）如果一切正常，PC機(jī)會(huì)根據(jù)量限的大小和電流或電壓的升幅，不斷的調(diào)整對(duì)FPGA的指令，控制FPGA對(duì)檢定臺(tái)輸出電流和電壓的大小和速度。這個(gè)檢定過(guò)程中，有兩點(diǎn)要注意。一是升降電流或者電壓全程都要保持速度穩(wěn)定，不可過(guò)快或者過(guò)慢。二是保證在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都要準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，要避免過(guò)沖和達(dá)不到測(cè)試點(diǎn)。要達(dá)到這種效果，PC機(jī)要全程接收校驗(yàn)儀發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析、換算這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制FPGA輸出信號(hào)的大小和速度。FPGA根據(jù)PC機(jī)發(fā)送的指令，控制檢定臺(tái)的升降和停止。檢定臺(tái)和三相組合互感器試品，將各項(xiàng)的模擬信號(hào)傳回校驗(yàn)儀，由校驗(yàn)儀比對(duì)、測(cè)量最終將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳給PC機(jī)。PC機(jī)分析、處理這些原始數(shù)據(jù)。一方面根據(jù)數(shù)據(jù)控制整個(gè)檢定過(guò)程的運(yùn)行，另一方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行化整、判斷確定三相組合互感器試品是否合格。當(dāng)整個(gè)測(cè)試過(guò)程完成后，PC機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。以便用戶出具檢定證書(shū)。

3.高壓三相裝置運(yùn)行過(guò)程中，模擬電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的情況

測(cè)試過(guò)程中，會(huì)遇到一個(gè)現(xiàn)象。三相同時(shí)升降的時(shí)候，有可能因?yàn)楸辉嚻贰⑤敵鲭娫吹扔绊?，出現(xiàn)三相不平衡的時(shí)候，例如A、B、C三相同時(shí)升，A相和B相升幅達(dá)到50%，C相只達(dá)到41%。遇到這種情況，PC機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，會(huì)立刻進(jìn)行干預(yù)，發(fā)送指令給FPGA暫停A相和B相的升幅，加強(qiáng)對(duì)C相的升幅，當(dāng)C相也達(dá)到50%的時(shí)候，再次重新啟動(dòng)A相和B相的升幅，使得三相平衡升降。這樣做的目的是完全模擬現(xiàn)實(shí)中的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

傳統(tǒng)測(cè)試三相組合互感器的時(shí)候，通常是單相檢定，并且檢定單相電壓互感器的時(shí)候，單相電流互感器并不工作。同理檢定單相電流互感器的時(shí)候，單相電壓互感器也不工作。而在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，三相組合互感器的電流和電壓部分是同時(shí)處于工作狀態(tài)。高壓三相裝置改進(jìn)了檢定方式，可以帶電測(cè)試三相組合互感器，在檢定三相電壓的過(guò)程中，三相電流同時(shí)升起。同樣在檢定三相電流互感器的時(shí)候，三相電壓同時(shí)升起。這樣的完全模擬電網(wǎng)運(yùn)行，可以得到更加接近實(shí)際的誤差數(shù)據(jù)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文就高壓三相裝置的控制部分的設(shè)計(jì)思路和工作流程進(jìn)行了闡述。本裝置，在傳統(tǒng)的檢定方式上進(jìn)行了創(chuàng)新，采用新的控制模式，并根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行情況，模擬出相同的環(huán)境，使檢定的數(shù)據(jù)更真實(shí)有效。

[1]白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2007.