输变电一次设备试验器具环境电磁兼容评价系统研究

包玉树，叶加星，程健林，李士华



输变电一次设备试验器具环境电磁兼容评价系统研究

包玉树，叶加星，程健林，李士华

摘 要：研发了一种输变电一次设备试验器具环境电磁兼容的评价系统，系统基于DDS（直接数字频率合成）技术，建立一个能同时包括交流和直流的电磁耦合干扰、辐射干扰（电晕放电）及传导干扰的综合电磁环境。用于模拟输变电一次设备试验器具的工作环境，对臵于环境中的试验器具的测试可靠性进行验证，评价其环境电磁兼容性能。

关键词：输变电，电磁兼容，DDS

0 引言

随着我国智能电网的不断发展，电网的规模逐渐扩大，对电网的安全和自动化能力也提出了更高的要求。在输变电系统中各种电气电子设备产生和接受电磁干扰的几率大大增加。电网输变电设备检修维护所采用的各种试验器具正是在各种强电磁环境下工作，其可靠性会受到电网运行设备的电磁耦合、静电耦合和电晕辐射的射频干扰影响。因该类试验器具的可靠性要求低于电力保护装置，且考虑到此类试验器具生产规模小，品类繁多，若按照保护装置标准《GB/T 14598.20-2007 电气继电器第26部分：量度继电器和保护装置的电磁兼容要求》进行相关电磁兼容测试，耗费的时间长，成本高，且试验条件所表征的干扰特征与工作现场电磁环境具有较大差异。目前，我国专门针对输变电设备试验器具环境电磁兼容能力的考核和测试方法的研究还是空白，需要进行探讨并期望形成相应的标准。

本文中，我们设计了一种专门用于输变电一次设备试验器具环境电磁兼容评价的装置，该装置具有谐波干扰触发功能，可以形成同时包含交流和直流的电磁耦合干扰、辐射干扰及传导干扰的综合电磁环境，用于模拟输变电一次设备试验器具工作现场的强磁场环境，通过数据采集和对比分析，对试验器具的测试可靠性进行验证，实现对输变电一次试验器具环境电磁兼容的评价。该装置集成度高，体积小，重量轻，使用方便灵活，可替代进口产品。

1 设计目标和功能

针对国内目前在输变电一次设备试验器具环境电磁兼容研究方面的空白，设计一种输变电一次设备试验器具环境电磁兼容的评价系统。该评价系统由评价装置和计算机平台组成，其中评价装置是系统的核心部分，具有触发谐波干扰信号、标准辅助信号，高速采样交流电参数，测试数据分析对比的功能。该系统的特点在于能模拟试验器具工作现场的复杂电磁干扰环境，对试验器具的可靠性进行验证。

2 总体设计

2.1 系统结构设计

输变电一次设备试验器具环境电磁兼容评价系统的结构如图1所示：

图1 系统结构图

系统包括3部分：主机（上位机）、评价装置（下位机）、试验器具。

主机负责评价方案的制定，具备人机交互功能，负责控制评价装置的谐波干扰触发，控制标准信号施加，还负责采集评价装置和试验器具的数据，并分析对比、数据保存、通讯管理、报告打印等。

评价装置是整套系统的核心装置，负责触发谐波干扰，参照输变电一次设备试验器具的实际工作环境，建立一个同时包括交流和直流的电磁耦合干扰、辐射干扰（电晕放电）及传导干扰的综合电磁环境，将被测试装置置于此环境内工作，对被测试验器具施加标准电参数信号进行测试，通过高速采样获取并显示试验器具的真实数据。

在本系统中，主机与评价装置和试验器具的通信采用RS232串口通信的方式。

2.2 装置硬件设计

2.2.1 硬件结构示意图

如图2所示：

图2 评价装置硬件结构图

评价装置的主要功能模块包括电源模块、串口通信模块、交流电参数高速采样模块、信号发生模块、人机界面模块、主系统模块。

评定装置的工作程序分为两步，第一步，谐波干扰触发：评定装置通过串口通信模块接收上位机下传的用户需要的干扰谐波数据，或者由用户用外置键盘设置所要发生的波形的参数（设置的参数在LCD上显示），主系统模块将接收到的数据进行处理，并将处理后的数据输出给信号发生模块，信号发生模块完成信号的生成和调整后输出给外部的试验器具，同时交流电参数高速采样模块对试验器具的真实进行采集，传给主模块芯片，对两个数据进行对比分析，完成一次检验程序。

2.2.2 主要功能模块及原理

（1）主系统模块

主系统采用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208作为主控制芯片，负责所有模块的数据处理，利用FPGA的可编程片上系统的逻辑资源在其内部定制软核处理器及所需的各种逻辑电路，信号发生模块的波形产生和信号回测、高速采样模块的数据采样等都是基于FPGA实现的。

（2）串口通信模块

与上位机通信，串口通信模块采用三菱RS232串口通讯模块QJ71C24N-R2，其优点是稳定性好。

（1）信号发生模块

信号回测部分包括复合反馈控制放大器模块和幅度反馈模块，具体结构在后文中详述。其工作原理是，产生的基准信号输入到复合反馈控制放大器模块，得到大电压、大电流和大功率信号，反馈模块用于将放大的信号与基准信号进行比较，误差反馈至主模块芯片进行调整，完成信号输出的闭环控制，从而使输出值稳定在用户设定值。

1）DDS工作原理

如一个幅值为1，初相为0的正弦信号可表示为公式（1）：

u(t) = sin(2πf0t) = sinθ(t) （1）

对公式（1）进行采样，采样周期为Tc（即采样频率为fc），则可得到离散的波形序列为公式（2）：

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u(n) = sin(2πf0nTc)(n = 0,1,2….) （2）相应的离散相位序列为公式（3）：

θ(n) = 2πf0nTc=∆θ.n (n = 0,1,2….) （3）式中为公式（4）：

∆θ= 2πf0Tc= 2πf0/fc（4）

是连续两次采样之间的相位增量。根据采样定理为公式（5）：

只要从公式（2）出来的离散序列即可唯一的恢复出公式（1）的模拟信号。从公式（1）可知，相位函数的斜率决定了信号的频率；从公式（4）可知，决定相位函数斜率的是两次采样之间的相位增量∆θ。因此，只要控制这个相位增量，就可以控制合成信号的频率。

现将整个周期的相位2π分成M份，每一份为δ= 2π/ M，若每次的相位增量选择为δ的K倍，即可得到信号的频率为公式（6）：相应的模拟信号为公式（7）：

式中K和M都是正整数，根据采样定理的要求，K的最大值应小于M的1/2。

综上所述，在采样频率一定的情况下，可以通过控制两次采样之间的相位增量（不得大于π）来控制所得离散序列的频率，经保持、滤波之后可唯一的恢复出此频率的模拟信号。

2）DDS模块

DDS工作原理框图如图3所示：

图3 DDS基本结构

DDS由相位累加器、波形查询表、数模转换器和滤波器组成。

DDS的核心部位是相位累加器，它由一个寄存器和一个加法器构成。加法器的加数是相位寄存器的当前值，而被加数是频率寄存器的值（也被称为频率控制字FSW），它用于实现相位的相加。相位累加器的输出在每个时钟上升沿到来时被存放到相位寄存器里，以便进行下一个时钟的累计和相位寻址，相位寄存器的值也就是相位累加器的输出。在实际的应用中，相位累加器的位数是有限的，因此一旦其输出值达到最大值时，相位累加器便会重新循环输出。

相位累加器的输出值是和输出波形的相位有一定关系的FSW累加值，是相位的量化值，不能直接输出。想要实现波形输出还需要一个被称为波形查找表的变换装置将相位序列码变换为幅度序列。波形查找表中存储的是输出波形在某些相位点上的电压采样值，本系统中的波形查找表采用的是ROM，可以通过改变波形查找表中的值来改变输出波形。

在实际应用中需要的是模拟波形的输出，因此需要一个能将数字量的幅值编码转变成模拟量输出的器件——数模转换器。由于数模转化器输出的是一个经抽样电路和保持电路输出的含有大量杂散频率和高次谐波的非理想化波形-阶梯状波形，所以必须采用低通滤波器进行滤波，之后便可以获得比较理想的波形。

3）复合反馈控制带采样的电压、电流功率放大器

复合反馈控制带采样的电压、电流功率放大器的作用是将产生的交流信号通过功率放大器放大，使输出的电压、电流具有一定的带负载能力。复合反馈控制带采样的电压、电流功率放大器的原理方框图如图4所示：

图4 放大器结构图

从DDS滤波后的交流基准信号先送至幅度控制电路，幅度控制电路主要由16位高精度数字电位器构成，负责完成输出电量的调解细度。经过幅度调节后的交流电压信号送至比较器，在此与AGC电路通过输出端取回的输出比例信号进行比较（AGC电路主要取输出量的幅值比例信号，相位信号及部分高频电信号成份），比较后得出一误差信号送至功放前级电路放大去驱动功率放大电路，完成升压或升流及功率放大。功率放大电路放大后的交流信号接至输出端，输出信号经过取样模块后反馈给矢量采样模块。

3）幅度反馈

幅度反馈的原理是将上述输出信号通过矢量采样电路和数模转换后送至主模块芯片与机内的交流基准信号进行对比，用差值进行闭环控制，确保输出信号的幅值准确，相位关系不变。因矢量采样过程也会带来附加误差，影响输出信号的准确度，因此在电压矢量采样中，我们采用高稳定性的精密电阻，其温度系数为 2ppm，比差及角差可达0.002%；在电流矢量采样中，采用有源补偿式电流互感器，这样可以大大降低激磁误差，由精密电阻和高精度运算放大器组成电流/电压变换，使电流互感器次级工作于近似短路状态，经过I/V变换后的电压信号就反映了电流的幅值与相位，其附加的比差及角差优于0.005%。经矢量采样电路采集到的是一个模拟量，不能直接送至主模块芯片处理，我们采用美信公司生产的DAC MAX1165进行数模转换。

（2）其他模块

电源模块设计采用ALTERA的N6733B模块化电源，输出电压20V，输出电流5A，输出功率100W，该模块性能优越，精度高，反应速度快。电源模块的电源输出端并联连接人机界面的电源输入端、串口通信模块的电源输入端、交流电参数高速采样模块的电源输入端、信号输出模块的电源输入端、主系统模块的电源输入端，为各个模块供电。

交流电参数高速采样模块采用海尔利多功能仪表公司生产的PK9015交流电压电流采集模块，用于采集被测试验器具的真实数据。

人机界面模块包括键盘模块和LCD显示屏模块，其中，LCD显示屏模块采用三星LTM 121SI-T01LCD显示屏模块，屏幕尺寸12.1寸，优点是清晰度高，分辨率为800*600。

2.3 软件设计

程序流程如图5所示：

图5 系统软件流程图

用户在主机上选定测试方案，包括谐波干扰信号类型和辅助测试的标准信号。测试开始，评价装置接收主机的命令后，向试验器具发送电磁干扰和辅助测试信号，并在LCD上显示；同时，评价装置通过高速采集模块获得试验器具的真实数据，评价装置可以自己对两个数据进行比对，也可以上传至主机，由用户通过软件进行分析对比，验证试验器具的环境电磁兼容性能，一个循环结束。

3 总结

本文设计了一种输变电一次设备试验器具环境电磁兼容的评价系统，包括评价装置和一套主机。利用最先进的DDS波形合成技术和DSP、FPGA等技术，实现评价装置的谐波信号触发功能。并通过复合反馈控制带采样的电压、电流功率放大器设计和信号幅值反馈电路设计，保证触发信号的高准确度。用该装置可建立一个同时包括交流和直流的电磁耦合干扰、辐射干扰（电晕放电）及传导干扰的综合电磁环境，并对该环境下的试验器具可靠性进行验证，在国内首次实现对输变电一次设备试验器具环境电磁兼容的评价。

参考文献

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［5］ Analog Devices Corporation .A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis ［DB/OL］ . 2010. http://www.ana log.com.

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

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2016）05-0050-03

作者简介：包玉树（1964-），男，:徐州人，江苏方天电力技术有限公司总工程师，高级工程师，研究方向：高压计量，南京，211102；叶加星（1982-），男，南京人，江苏方天电力技术有限公司工程师，工程师，研究方向：电测计量，热工计量，南京，211102；程健林（1989-），男，常州人，江苏方天电力技术有限公司工程师，助工，研究方向：电测计量，热工计量，南京，211102；李士华（1983-），男，徐州人，江苏安方电力科技有限公司工程师，工程师，研究方向：电能质量治理，泰州市，225300。

收稿日期:（2015.09.25）