基于dsPIC30F6010单片机的PT二次回路压降测试仪研制

孙进辉

(中国人民武装警察部队学院 训练部, 河北 廊坊 065000)

基于dsPIC30F6010单片机的PT二次回路压降测试仪研制

孙进辉

(中国人民武装警察部队学院 训练部, 河北 廊坊 065000)

叙述了三相三线电路有功电能的测量原理和计量误差,介绍了一种以dsPIC30F6010单片机为核心、基于测差法原理测量电压互感器二次压降的便携式智能仪器的结构,并给出了该测试仪的硬件框图及软件流程图。提高了二次压降测量的实时性和系统性,测量方便、准确、快捷。

电压互感器； PT二次压降； 测差法； 计量

电能计量装置包括电能表、互感器和二次回路接线等,其综合误差将由电能表本身误差、电流互感器(CT)的合成误差、电压互感器(PT)的合成误差和PT二次导线压降引起的计量误差组成[1]。本文对PT 二次导线压降所引起的计量误差进行分析,因为此项误差可以通过一些技术改进措施予以降低[2]。针对这一问题,许多有关资料介绍了一些现场测量计算方法,本文为顺应电能计量装置管理的要求和技术的不断进步,结合实际、 参考有关资料，提出一种新型的简易实用的现场测试仪器确定PT二次导线压降及其引起的计量误差大小。

1 当前测试仪器测量方法的分析

目前,对PT二次导线压降的测试方法主要可分为直接测差法和间接测量法两大类[3]。

1.1 直接测差法

直接测差法有小量限高内阻电压表法、相位伏安表法和互感器校验仪法等,其中互感器校验仪法采用测差原理,准确度高、仪器成本低、体积小、功能齐全、携带方便,同时也是在现有的各种方法中是最准确的测量方法之一,因此在实际测量中被广泛采用[3-6]。但其缺点也很突出,需由控制室配电盘单独引出长电缆线至变电站,现场测量安全隐患大,而且当线缆超过200 m时,需要对零位误差进行自校修正。

1.2 间接测量法

间接测量法包括高准确度电压表法、无线监测仪法和某些国外厂家采用的负荷比较法等。其中无线监测仪法采用调制解调原理以及GPS,由主机与辅机两部分组成,分别安装于电能表侧与电压互感器侧。此方法的优点是不需另敷设临时长电缆线，缺点是由于电力系统内部环境及电磁干扰信号复杂等限制,准确度难以提高,不能满足测量要求,一般不采用。

2 基本测试原理分析

在实际供电线路中,由于计量电能表往往安装运行于远离电压互感器的控制室配电盘上, 它们之间通过电缆连线、端子排接触、熔丝、中间继电器、空气小开关等相连,而这些器件均会造成PT 二次端电压与电能表端电压在幅值和相位上的不相同,增大对电能表的综合影响,造成电能计量装置的误差增大[2,7]。PT二次导线压降及由它带来的计量误差的大小取决于二次导线电阻、PT二次接线的方式、二次负载的大小(即二次电流的大小)、性质(负载的功率因数)等二次回路参量。下面以一种常见的接线方式下即PT二次负载为V形接法为例,且a、b相和c、b相负载均衡,三相导线电阻相等的情况下,分析电能测量原理和测量误差的产生。

2.1 三相三线电路有功电能的测量原理

本文以PT二次V/V型接线计量回路中采用三相两元件有功电度表与60°型三相两元件无功电度表联合接线方式为例加以阐述[8]。三相有功、无功电度表接线原理见图1。图2为PT带负荷等效电路。

图1 三相有功、无功电度表接线原理图

图2 PT 带负荷等效电路图

由交流电路的理论可以知道, 无论三相电路对称与否,三相电路的瞬时功率P总是等于各相瞬时功率之和。如果负载连成星形情况, 则有

P=PA+PB+PC=uAiA+uBiB+uCiC

(1)

在三相三线电路中有

iA+iB+iC=0

把iB代入P的表达式中后得:

(2)

瞬时功率在一个周期内的平均值, 就是三相电路的平均功率:

(3)

当三相电路完全对称时三相总功率为

(4)

由图1可知, 有功表的2个元件接线方式为[Uab,Ia] , [Ucb,Ic] , 所以能正确计量有功电能。

2.2 三相三线制接线时计量误差分析

本文只以三相三线接线为例进行分析,三相四线接线与三相三线接线的分析方法类似。V形连接的2台单相PT和负载的接线见图3。二次回路电压和电流矢量图见图4。

图3 V形连接的两台单相PT和负载的接线图

图4 一个元件的二次回路电压、电流矢量图

由图4可以看出,a 、b相之间的二次回路压降为

Ia·r+(Ia+Ic)·r=2Ia·r+Ic·r

同理,c、b相间的二次回路压降为

Ic·r+(Ia+Ic)·r=2Ic·r+Ia·r

由于二次压降引起的幅值误差(Δfab) 和相角误差(Δδab) 较小,可以分别近似地表示为:

(5)

(6)

同理可以求出b、c 相之间的二次回路压降引起的幅值误差和相角误差分别为:

(7)

(8)

将PT二次回路压降引起的附加误差计入PT本身的比差和角差,则它们对三相三线制电路的功率和电能计量的综合误差εr可以按电压互感器比差和角差合成的公式来计算:

[0.289(fcb-fab)-0.0145

(9)

式中φ为一次负载功率因数角。

3 一种新型的PT二次压降测试仪器

该测试仪吸取了间接测量使用方便的优点和直接测量准确度高的优点,可以测量三相三线及三相四线电压互感器二次导线压降,而且还可以进一步测量由于二次压降所引起的电能计量误差,并可以通过全中文操作的大屏幕液晶显示屏实时显示各项测量数据和间接计算数据,因此也更具有实际应用价值[9-10]。应用了改进的正交分解测量平台技术,内置标准自校信号源,使得仪器具有很高的测量准确度及长期工作的稳定性。该仪器还具有较高的准确度和读数分辨率,所有测量数据都能够通过显示屏实时显示；具有接线错误自动提示功能,仪器自身具有多重保护确保使用安全；可以自动根据误差大小进行量程切换,可自动修正数据以消除导线、隔离互感器及现场干扰带来的误差,故使用操作十分方便。

3.1 本测试仪器的总体设计及结构

该测试仪是由主机和从机两部分组成,主机内部嵌入了一个与从机完全相同的辅机模块。在进行数据测量时,主机位于计量仪表侧,向辅机和从机发送控制命令并接收辅机和从机的测量数据,计PT二次侧至计量仪表侧线路上的压差和角差,通过大屏幕液晶显示屏实时显示各项测量数据和间接计算数据,并可以通过USB通信接口随时将测得的有效数据移植到计算机上进行收集、整理及存储,当主机发现辅机和从机的采样数据的时间不同步时,及时地向辅机和从机下发对时命令以确保测量数据的同步；辅机能够与主机通信,能够接收主机命令对计量仪表侧电压参数进行测量,同时将数据通过RS485网络方式发送到主机。从机位于PT出口侧,结构与辅机完全一致,能够接收主机命令对PT出口侧电压参数进行测量,同时将数据通过RS485网络方式发送到主机[11]。系统结构如图5所示。

图5 系统结构图

3.1.1 辅机和从机结构设计

辅机和从机的内部结构完全一致,设计中采用16位dsPIC30F6010微处理器和高精度的16位A/D采样芯片AD677的有机组合。辅机/从机的内部结构见图6。

图6 辅机/从机内部主要功能结构图

dsPIC30F6010微处理器采用16位(数据)改良过的哈佛架构,它充分融合了高性能16位MCU的控制优势和完全能实现的DSP的高运算速度,从而形成了适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令流解决方案[12-15]。同时,配以16位A/D采样芯片AD677进行模拟信号采集,从而提高测量的精度和实时性。辅机/从机程序流程见图7。

图7 辅机/从机程序流程图

3.1.2 主机的结构设计

主机采用三星公司ARM9内核的S3C2410处理器,结合uClinux操作系统来实现其功能[15]。该处理器是一款价格低、功耗低、性能高的16/32位系统微处理器,接口资源丰富。嵌入式uClinux是应用广泛的嵌入式操作系统,其源代码开放,稳定性与安全性高,并有大量实用软件的支持。该系统通过RS485的现场总线方式对辅机和从机下发控制命令以及实时地收集辅机和从机的测量数据,并将处理结果送显示器显示,同时将有效数据保存到SDRAM中,并可以通过USB口将测得的有效数据移植到计算机上进行收集、整理及存储。主机的内部主要功能结构见图8。

图8 主机内部主要功能结构图

该测试仪主要的技术难点在于辅机和从机的采样同步设计上。在1个测量周期内,主机首先下发启动A/D采样命令,辅机和从机应该在同一个时间点对线路进行数据采集,主机分时召唤辅机和从机采集的数据,辅机和从机将采集的数据打包并上传给主机,主机得到辅机和从机的采样数据后首先比较二者的采样的时间差是否超出允许范围,如果在允许范围以内,视为有效数据；如果超出了允许范围,则视为无效数据,同时对辅机和从机下发一次对时命令,以保证辅机和从机的时钟与主机一致。图9为测量仪工作流程。

图9 测试仪工作流程图

该测量装置以通信线代替传统的高压临时电缆,消除了安全隐患,比差和角差测量精度均能达到I级；由于具有远距离通信能力,方便实时测量与监控在变电站和大型发电厂中均能很好地完成测量工作。

3.2 比差和角差的计算

在本系统中,首先对1个周期(20 ms)的电流、电压进行256点的高精度同步采样,对测量的数据采取均方根法计算电压有效值,采用快速傅里叶变换(FFT) 获取初相角的测量。比差的计算采用同一时刻辅机和从机测得的电能表端电压有效值与PT二次侧电压有效值之差;角差的计算采用同一时刻辅机和从机测得的电能表端电压初相角与PT二次侧电压初相角之差。由于PT和电能表分处不同的环境,并且变电站内尤其PT端存在较强的电磁干扰,因此本装置对测量结果进行温度补偿等误差处理,同时对测试仪进行了严格的抗干扰设计。

4 结语

(1) 在电能计量中, PT二次回路压降的客观存在给电能计量装置带来不可避免的误差。如何更好地消除误差,将直接关系到各方的经济利益,同时也促进了电能的科学管理和技术进步。

(2) 由于PT二次回路压降所引起的计量误差体现在幅值误差和相角误差两方面,如果考核PT二次回路压降所引起的计量误差,必须兼顾二者的综合误差,否则是不准确的,因此,如果要改善PT二次回路压降给计量带来的误差,必须既能有效克服幅值误差,又能有效克服相角误差。

(3) 本文所研制的系统综合运用带有DSP内核的16位dsPIC30F6010单片机与16位A/D采样芯片AD677的有机结合,对数据进行实时性较高的采样；同时与嵌入式Uclinux操作系统相结合,与传统检测设备相比,大大提高了PT二次回路压降测量的实时性及系统性。

(4) 该仪器用通信线缆替代长二次电缆,消除了安全隐患,缩短了测试时间,测量方便、准确、快捷。

References)

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Development of PT secondary loop voltage drop tester based on dsPIC30F6010 SCM

Sun Jinhui

(Training Department, Chinese People’s Armed Police Force Academy, Langfang 065000, China)

The measuring principle and the measurement error of the active power of the tri-phase and tri-wire circuit are described, and the structure of the portable intelligent instrument based on the secondary voltage drop of the voltage mutual inductor measured by the differential method is introduced. This portable intelligent instrument has the dsPIC30F6010 SCM as its core, and the hardware diagram and the software flow chart of the tester are presented.

voltage mutual inductor; PT secondary voltage drop; differential method; measurement

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.021

2017-03-03

孙进辉(1971—),男,河北正定,硕士,副教授,主要研究方向为实验教学及管理.E-mail：15831601700@139.com

TM51

A

1002-4956(2017)08-0084-04