高精度光纤数字转换系统解决二次回路压降问题研究

摘要：为解决PT二次回路压降问题，文章提出了改用数字方式传输信号，在PT侧的发射端就地将模拟电压信号进行数字化转换，并利用光纤技术将其传输到仪表侧的接收端，再通过接收装置将数字化的电压信号恢复成与PT侧完全一致并能供电能表计量的模拟电压信号，基于以上的原理设计高精度光纤数字转换系统的主要模块及具体方案。

关键词：PT二次回路；压降问题；模拟电压信号；数字化转换；高精度 文献标识码：A

中图分类号：TM933 文章编号：1009-2374（2015）35-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.016

根据《电能计量装置技术管理规程》（DL/T448-2000）的规定：“电压互感器二次回路电压降，对Ⅰ类计费用计量装置，应不大于额定二次电压的0.2%；其他计量装置，应不大于额定二次电压的0.5%。”

电能计量装置的误差是由电压互感器（PT）和电流互感器（CT）的合成误差、电能表的误差、PT二次回路压降引起的计量误差所组成。其中，PT二次回路压降（简称二次压降）引起的计量误差往往是最大的，所以消除或减小二次压降，保证计量装置的精度是不容轻视的问题。在电力系统中，电能计量会存在一些误差。根据多处电网普查测试的结果，电压互感器（PT）二次导线压降引起的计量误差是最大的。由于PT二次信号需要较长的电缆传输到控制室接到电能表，长距离传输会产生很大的压降，也就产生了很大的误差。这个误差为负误差，会对电力公司造成很大的经济损失。

1 系统架构

高精度光纤数字转换系统是针对PT二次回路存在的压降问题所开发的设备。本设备由发射端和接收端两部分组成，发射端完成的是信号的采集处理，接收端完成的是信号的还原。

本系统的基本原理为：57.7V的PT相电压（或100V的PT线电压）经过发射端的分压电阻取样为低压的电压信号，经过信号调理后送至A/D模数转换器，模数转换器将模拟电压信号转换为高精度的数字信号，传给ARM处理器，处理器将三路电压数据经过零位校正、幅值校正、相位校正、对称度校正后复合成一路数字信号并经过光纤传送给接收端。接收端将接收到的数据进行解码，分析出三路数据，再将三路数据送给D/A芯片进行数模转换。数模转换后的电压信号经高电压运算放大电路进行放大，放大得到的信号即是和我们的PT输入电压完全相同的输出电压。此外还设计了专门的故障检测电路，用于在设备发生故障的时候将设备的输出及时切换到二次线路上。

2 系统主要模块介绍

2.1 电源模块

发射端电源模块给整个系统提供所需电压，发射端的整板功率很小，采用从PT直接取电。发射端的功耗也很小，输入电压为50Hz的交流电源，所以采用工频变压器供电。因为OpticX-200有软件监控和诊断功能，为了能够检测到发射端掉相或者缺相，发射端电源部分没有用一个单独的变压器而是采用了三个变压器。

选择型号为70V/12V、1W、50Hz的变压器，变压器将从PT侧取到的电压通过变压器变压，然后通过DB107S整流桥进行整流得到12V的直流电压。MP2359为DC-DC芯片，将整流后的电压降压变为5V。

接收端功耗比较大，约15W，需要交直流输入，所以采用开关电源方案供电。为了方便生产，提高集成度，决定将开关电源电路做到系统里。

采用UC2842，它内部集成开关管，外围元件简单，能够提供20W的输出功率。设计电源为正负110V，正负8V四路电压输出。正负110V输出电流为60mA，正负8V输出电流为200mA。正负8V再通过LM7805和LM7905稳压到正负5V。

接收装置具有电源自动切换保护功能，正常工作情况下，开机自动设定为UPS输出的AC220V供电，当检测到UPS电源失效时，装置输出自动切换到PT输出的57.7V（三相四线）或100V（三相三线）；当交流220V电源恢复正常时，装置自动转换至交流220V供电。

2.2 CPU模块

PT电压经过分压电阻送至A/D模数转换芯片。将模拟电压转换为高精度的数字信号，传给ARM处理器，处理器将三路电压数据经过相位调整后复合成一路数字信号并经过光纤传送给接收端。接收端将接收到的数据进行分离，分离出三路数据，在将三路数据分别进行零位、幅值、对称度、相位微调。

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。发射端和接收端都采用STM32F103C8T6-48作为CPU模块的芯片，更有效地利用该系列芯片。

2.3 AD和DAC模块

PT电压经过分压电阻送至A/D模数转换芯片。将模拟电压转换为高精度的数字信号，传给ARM处理器。

OpticX-200A/D转换芯片采用ADS8329。ADS8329是一片低功耗、16位采样精度、1M采样率的A/D转换芯片。它的积分非线性误差为2.5LSB，零位误差为1.25mV，零位漂移为0.4PPM/℃，增益误差为0.25%，增益漂移为0.75PPM/℃，噪音为33uV。

ADS8329为单通道16位模数转换器，选用74LVC1G3157模拟开关，在采样数据前通过三个模拟开关进行通道选择，这三个开关通过CPU的I/O进行控制。CPU通过I/O口控制三个开关来选择通道，然后一相一相来采样处理数据。ADC处理完的数据通过SPI接口传给CPU。

2.4 放大电路模块

放大电路模块把D/A芯片数模转换后的信号放大后输出，将信号放大为与输入信号相同幅值的信号之前，放大电路可以通过调整放大倍数补偿幅值误差等。

OpticX-200的电源基准为ADR441，通过电压基准将得到稳定的2.5V电压。采样电阻采用0.1%，5ppm的高精度电阻，通过分压平移最终得到采样芯片需要的电压。

2.5 基准模块

ADR441具有超低噪声、高精度和低温度漂移的性能。初始精度为0.04%（1mV），温度漂移最大值为3ppm/℃，电压噪声为1.2uVp-p，长期稳定性为50ppm（1000h）。此部分电路放在恒温盒中，使其温度稳定在一个恒定值以保证电压的高精度。

2.6 恒温控制模块

恒温空控制模块将高精度器件（AD、DA、放大电路、基准、晶振等电路）放置其中，保证高精密器件在一个恒定的环境当中，最大程度地减少了由于温度的变化给系统带来的精度的漂移。同时配合恒温算法，保证环境在-40℃～+50℃变化时，恒温箱内的温度变化在±1℃，从而达到保证整个系统的精度的要求。

2.7 LCD液晶屏模块

高精度光纤数字转换系统增加了人机界面——LCD液晶屏，提供相应的告警信息和性能信息。LCD液晶屏分四个显示状态：接收端、发射端、系统和掉电。

LCD液晶屏是3.2寸TFT彩色液晶触摸屏，它是一款广泛应用于单片机系统、电子设计大赛项目、手持机等设备上的彩色TFT液晶显示屏，具有3.2英寸显示面积的同时兼有240*320的分辨率，采用16位标准8080总线接口方式、色彩支持26万色使图像更加细腻，可以和任何高速系统接口。该屏采用ILI9320为控制芯片为核心的全新原装面板生产，兼容性强。

3 高精度光纤数字转换系统设计方案

PT侧的发射端就地将三相电压信号进行高精度数字转化，并利用光纤技术将其传输到仪表侧的接收端，接收端将光纤数字化的电压信号恢复成与PT侧一致的三相电压信号供电能表计量。

3.1 工作电源去电方便可靠

发射端采用PT供电，接收端采用交直流110～220V宽范围供电。

3.2 故障自动切换功能

该系统运行过程中，无论是发射端还是接收端出现故障，只要系统检测到输出不正常，接收端即会自动与电能表断开，并自动切换到PT输出的57.7V或者100V给电能表作为输入信号，确保电能计量不受该系统故障的影响，电能计量的可靠性仅仅取决于用户原有的电能表性能，该系统的接入不会带来任何不可靠的不利影响。

3.3 故障报警功能

该系统检测到输出不正常时，除了自动切换外，同时输出声音报警信号与一对干接点信号，干接点输出信号可以接入变电站的控制中心并进行远传，通知异地值班人员。

3.4 人机交互界面

该系统具有人机交互界面，支持触摸屏，并可显示接收端状态、发射端状态、系统信息、掉电日志等信息，实现系统状态的实时监测和运行维护。

4 结语

在传统的模拟传输装置中，模拟电压信号通过长导线传输后会发生较大的衰减和失真，引起末端电能表输入电压信号产生较大的变比和误差，造成计量电能的损失。将PT二次输出的模拟电压信号就地数字化后采用光脉冲信号传输，能有效避免长导线传输后引起的计量电压衰减和失真，避免了不必要的电量损失。光信号的传输不会受到周围电磁场干扰的影响，可靠性高，从而该系统可以解决PT二次压降引起的各种问题，提高计量的准确度。该系统从计量原理上看，可溯源，可根据国家的标准进行电压信号和电能计量的检验，从而具有法律效应。

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作者简介：李大勇（1972-），男，宁夏中宁人，国网宁夏电力公司银川供电公司中级工程师。

（责任编辑：周 琼）