用于电能质量监测的电子式互感器采集单元设计

云南电网有限责任公司电力科学研究院 陈 勇特变电工南京智能电气有限公司 李 聪云南电网有限责任公司电力科学研究院 袁 明 宋 洁江苏金智科技股份有限公司 刘升鹏



用于电能质量监测的电子式互感器采集单元设计

云南电网有限责任公司电力科学研究院 陈 勇
特变电工南京智能电气有限公司 李 聪
云南电网有限责任公司电力科学研究院 袁 明 宋 洁
江苏金智科技股份有限公司 刘升鹏

【摘要】本文介绍了用于电网电能质量监测的电子式互感器采集单元的设计方案。电子式互感器一次线圈将电网电压和电流信号转换为小电压信号，并输入到高精度ADC（模数转换器）。FPGA通过串行接口读取ADC采样值，然后根据DL/T 282协议组成数据帧，通过高速串行光纤模块发送至合并单元及电能质量监测装置。

【关键词】电能质量监测；电子式互感器；FPGA；DL/T 282

1　电子式互感器用于电能质量监测概况

随着工业规模的扩大和科学技术的发展，电力系统用电负荷结构发生了重大变化，许多新型的电气设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，导致电能质量问题日益突出，并引起了电力部门和电力用户的高度重视［1］。因此能够实现对电能质量实时监测、全面分析及故障判断的电能质量监测装置成为电力系统的重要设备。

随着电力系统继电保护的发展、设备自动化程度的提高及光纤通信技术的普及应用，智能化变电站有逐渐取代常规变电站的趋势，而电子式互感器作为智能化变电站的重要组成因子，成为了研究与分析的热点［2］。近几十年来，国内外研究人员已研究和制造出了电子式电流互感器（ECT）和电子式电压互感器（EVT），并将其应用于电力系统［3］。

数字化变电站电子式互感器的采样率一般在12.8KHz以下，而电能质量监测装置要求信号采样率至少达到50KHz以上。因此研究采样频率满足要求的采集单元非常必要，也是工程应用的迫切要求。

2　方案概述

用于基于电子式互感器的电网电能质量监测系统包括三相电压互感器、三相电流互感器、合并单元及电能检测装置。系统结构如图1所示。

图1　系统结构图

图1所示中，电子式互感器一次部分为电子式互感器的电功率线圈。二次部分为采集单元。采集单元的整体方案如图2所示。

图2　采集单元

图2所示中，采集单元的输入为低功率线圈输出的有效值为1.5V的正弦波电压信号。采集单元由低通滤波电路、高精度ADC、FPGA处理模块及高速串行光纤模块组成，其中，FPGA处理模块主要功能包括读取ADC采样数据的串行接口模块和基于DL/T 282协议的数据发送模块。

3　采集单元

3.1低通滤波电路

电能质量监测装置对电网线路电流电压的采样频带有较高要求，需要达到至少256次谐波（频率12.8KHz）。设计低通滤波电路，滤除该频带以外更高次谐波以及电网线路的干扰信号，在满足电能质量监测装置要求的情况下，尽量减少干扰信号对采集系统的影响。低通滤波电路如图3所示。

图3　低通滤波电路

图3所示中，输出信号的传递函数为：

幅频特性为：

低通滤波电路的截止频率是指该频率的幅频衰减为-3db，即A=0.707，根据式（3），截止频率应为f0。而行波测距系统的要求，f0为12.8KHz，根据式（2），计算取R1=R2=4.12K，C1=1.5nF。

3.2高精度ADC

考虑到电能质量监测对数据精度和采样速率的要求，选择ADI公司的200KSps采样率、16位多通道同步ADC芯片AD7606。该芯片在使用单+5V作为供电电源的情况下，支持真正的双极性输入，而在高噪声电源条件下也能保证16位无失码性能。AD7606的数字量输出接口有2种，为16位并行总线接口和串行接口。AD7606芯片单个采样通道的结构如图4所示。

图4　单个通道的结构

低通滤波器电路的输出信号的两端直接接到CLAMP管脚。CLAMP管脚为输入钳位电路，可以承受高达±16.5V的过电压，保证了在异常情况下内部电路不被损坏。

3.3FPGA串行接口模块

FPGA与AD7606的串行接口包括/CS，DOUT和SCLK信号，时序如图5所示。

图5　时序图

图5所示中，AD7606在/CS下降沿，输出通道1采样值的最高位bit16，接下来在SCLK的上升沿依次输出较低位数据。

FPGA串行接口模块定义状态机，根据上述时序完成采样数据的读取及存储。状态机包括空闲态、转换态、数据读取态、存储态和结束态，状态机流程如图6所示。

根据设计要求，设计采样率为50KHz，即每个采样点周期为20us，因此在空闲态中判断若到达20us定时时间则进入转换态，并向AD7606发送CONVERT信号，启动一次同步转换。根据AD7606的手册，典型的转换时间TCNV为4us，因此在转换态中判断若达到4us定时时间，则进入数据读取态。在数据读取态中，拉低/CS并给出SCLK信号，然后在SCLK的上升沿依次将数据位移入暂存寄存器。判断若是读完一个通道的转换数据，即16bit数据，就将暂存寄存器存入FIFO中。当本次转换的所有通道读取完成，将进入结束态，触发一次数据帧发送，然后再次进入空闲态等待下次采样周期。

图6　串行接口状态机

3.4FPGA数据发送模块

FPGA数据发送模块从串行接口模块的FIFO中获取三相电流或电压信号的16位数字量采样值，按照DL/T 282协议组成数据帧，最终通过光纤模块发送至合并单元及电能质量监测装置。

DL/T 282协议是中华人民共和国电力行业标准，规定了电子式互感器与合并单元之间的数据传输格式。DL/T 282协议定义数据传输速率为2Mbit/s或其整数倍，数据流采用工业标准UART进行异步通信，每个字节由11位组成，包括1个启动位’0’，8个数据位，1个偶校验位，1个停止位’1’，数据位低位先发。本方案中帧格式各字节定义如表1所示。

表1　帧格式

数据发送模块定义状态机来完成表1中数据帧的发送。状态机包括空闲态、起始字节态、数据态、CRC态及结束态。

图7　数据发送状态机

在数据态中，根据字节号，依次发送表1中规定的数据。当发送三相采样值时，需要首先产生FIFO_RD信号，然后从FIFO的数据接口获取数据。

4　结语

完成了行波测距用的电子式互感器高频信号采集与传输的设计之后，按照图1所示的系统结构图对本方案进行试验验证。试验设备包括三相电子式电压电流互感器各1支、合并单元1台和电能质量监测装置1台。

对系统加上高压信号，从电能质量监测装置中得到各项电能质量信号，与所加电能质量参数吻合。试验结果证明本方案在电子式互感器应用场合，能够为电能质量监测装置提供有效的采样数据，具有极高的工程应用价值。

参考文献

［1］赵逸众，肖湘宁，姜旭.现代电能质量监测技术的发展动态［J］.电气技术，2006（1）：13.

［2］王涛，张宁，刘琳等.有源电子式互感器故障诊断技术的研究与应用［J］.电力系统保护与控制，2015，43（18）：74.

［3］王红星，张国庆，郭志忠等.电子式互感器及其在数字化变电站中应用［J］.电力自动化设备，2009，29（9）：115.

陈勇（1977—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：继电保护。

李聪（1984—），男，大学本科，助理工程师，研究方向：继电保护。

袁明（1990—），男，大学本科，助理工程师，研究方向：继电保护。

宋洁（1984—），女，大学本科，高级工程师，研究方向：继电保护。

刘升鹏，男，硕士研究生，研究方向为继电保护。

作者简介：