高压三相组合检定装置的控制系统设计原理及工作流程

2018-07-04山西省机电设计研究院梁新帅

电子世界 2018年12期

山西省机电设计研究院梁新帅

现如今，电网规模越来越大，所需互感器的种类也越来越多。在6kV-35kV电网电能计量装置中计量用互感器主要采用了组合互感器，使得组合互感器的用量日益增大。传统的测量组合互感器的方法主要是单相测量，分别对电压部分和电流部分测量。测试步骤繁琐，测试时间长，并且无法模拟电网中实际工作状态。在这样的实际情况下，通过对传统的测试方法进行科技创新。依据JB/T10432-2004《三相组合互感器》和JB/10433-2004《三相电压互感器》行业标准及《JJG313-2010测量用电流互感器》、《JJG314-2010测量用电压互感器》、《JJG1021-2007电力互感器》规程要求，专门研发了高压三相组合互感器的全自动误差测试成套装置。（以下简称高压三相装置）本文就高压三相装置的控制部分的设计原理和工作流程进行阐述。

一、高压三相装置的原理

高压三相装置仍然采用了传统的直接测量的方法，完全可以满足国家有关标准和行业标准的要求。在此基础上通过技术创新模拟三相组合互感器在电网中实际运行状态，并在此条件下检定其误差。

实际测量中采用同时对被试品接入额定三相电流和额定三相电压的检定方法（如图1所示）。使检测结果准确、可靠、快速。这样的方法无需频繁的更换接线，避免了换线过程中的失误，有利于高压试验工作的安全和效率。

图1

二、高压三相装置的控制部分分类

控制部分主要分为两大类：一、基于FPGA的DDS三相正弦波发生器，控制台体电源工作。二、PC机接收互感器校验仪的数据后，经过计算、分析、统计控制整体装置的运行。

1.基于FPGA的DDS三相正弦波发生器，控制台体电源

在传统的互感器校验台中，往往都是采用单片机作为控制核心。要选择多种芯片配合，开发周期长、投入高、效率慢。高压三相装置采用了FPGA芯片，即现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)。FPGA开发周期短、开发投入少、芯片价格低。同时也可以解决系统小型化、低功耗、耐用性等问题。

DDS即直接数字频率合成技术，是由美国学者J.Tiercy，M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，是一种以数字信号处理理论为基础，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法。从1971年至今，DDS已从一个工程新事物逐渐发展成为一个重要的设计工具。与大家熟悉的直接式和间接式（PLL）频率合成技术不同，DDS技术完全采用数字技术处理，属于第三代频率合成技术。DDS的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在微控制器的控制下精确而快速的变换。DDS的应用领域包括各类无线通信、有线通信、网络通信，各类需要频率信号的仪器、仪表、遥测、遥感设备、收音机和电视机等[1]。

高压三相装置用FPGA开发出DDS原理的信号发生器，产生可控三相正弦波信号，经过功放电路放大（如图2所示）。

图2

实际电网运行频率为50Hz±10%，高压三相装置通过FPGA生成可控的三相正弦波信号，模拟电网运行状态，分别对应三相电流和三相电压。三相正弦波信号2V为满载，通过乘法器控制信号的大小和速度，可以实现三相正弦波的升降，从而控制输出电源。在实际运行中由于功能需要，组合互感器接线方式不同，接线方式有三相全部接线，也有一相接线或者两相接线。在以前测量中，高压三相组合互感器，只能单相测试。新的高压三相装置则可以三相同时升降，也可以单相或者两相同时升降，更加灵活，也更符合实际电网运行，测量的误差结果也更贴近实际运行结果。单独使用高压三相装置的时候，只要通过面板上的细升、细降、粗升、粗降等功能按键，就可以控制电流和电压进行升降，从而完成整个测试过程。

2.PC机全自动控制高压三相装置运行

实际计量工作中，多数都采用PC机进行全程控制，并根据仪器的状态和返回的数据实时监视，并进行有效干预，同时将大量的原始数据分析、处理、保存。保证测量数据完整、准确、高效（如图3所示）。

图3

高压三相装置采用PC机全自动控制，只要将被试品的各项参数如：型号、量限、精度、负荷等录入专用操作系统HZDT-3Z，PC机将全程控制、采集、分析、判断，从而完成整个测试过程。

（1）PC机先将录入的参数通过RS-232串口通讯，发出指令。命令校验仪和检定台进行测试前的准备，跳转量限、精度、负荷。保证各项参数已经跳转到正确档位。

（2）根据量限所示，PC机发出指令，令FPGA初始化，确定输出大小和速度。FPGA内预设了4个速度档位。

（3）在正式检定开始前，PC机发出“细升”命令，令电流或电压升起，达到0.8%的时候，校验仪会初始判断接线是否有问题，如极性反、变比错、开路等问题。这些错误信息都会通过RS-232串口传输给PC机，PC机接收到这些错误信息，将会终止整个检定过程。并报警，归零，提示人员检查错误。

（4）如果一切正常，PC机会根据量限的大小和电流或电压的升幅，不断的调整对FPGA的指令，控制FPGA对检定台输出电流和电压的大小和速度。这个检定过程中，有两点要注意。一是升降电流或者电压全程都要保持速度稳定，不可过快或者过慢。二是保证在每个测试点都要准确采集数据，要避免过冲和达不到测试点。要达到这种效果，PC机要全程接收校验仪发送的实时数据，分析、换算这些实时数据，并根据这些实时数据，控制FPGA输出信号的大小和速度。FPGA根据PC机发送的指令，控制检定台的升降和停止。检定台和三相组合互感器试品，将各项的模拟信号传回校验仪，由校验仪比对、测量最终将模拟信号转换为数字信号，传给PC机。PC机分析、处理这些原始数据。一方面根据数据控制整个检定过程的运行，另一方面对数据进行化整、判断确定三相组合互感器试品是否合格。当整个测试过程完成后，PC机将这些数据进行保存。以便用户出具检定证书。

3.高压三相装置运行过程中，模拟电网运行状态的情况

测试过程中，会遇到一个现象。三相同时升降的时候，有可能因为被试品、输出电源等影响，出现三相不平衡的时候，例如A、B、C三相同时升，A相和B相升幅达到50%，C相只达到41%。遇到这种情况，PC机根据实时监控的数据，会立刻进行干预，发送指令给FPGA暂停A相和B相的升幅，加强对C相的升幅，当C相也达到50%的时候，再次重新启动A相和B相的升幅，使得三相平衡升降。这样做的目的是完全模拟现实中的电网运行状态。

传统测试三相组合互感器的时候，通常是单相检定，并且检定单相电压互感器的时候，单相电流互感器并不工作。同理检定单相电流互感器的时候，单相电压互感器也不工作。而在实际电网运行过程中，三相组合互感器的电流和电压部分是同时处于工作状态。高压三相装置改进了检定方式，可以带电测试三相组合互感器，在检定三相电压的过程中，三相电流同时升起。同样在检定三相电流互感器的时候，三相电压同时升起。这样的完全模拟电网运行，可以得到更加接近实际的误差数据。