用于電能質量監測的電子式互感器采集單元設計

云南電網有限責任公司電力科學研究院 陳 勇特變電工南京智能電氣有限公司 李 聰云南電網有限責任公司電力科學研究院 袁 明 宋 潔江蘇金智科技股份有限公司 劉升鵬

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用于電能質量監測的電子式互感器采集單元設計

云南電網有限責任公司電力科學研究院 陳 勇
特變電工南京智能電氣有限公司 李 聰
云南電網有限責任公司電力科學研究院 袁 明 宋 潔
江蘇金智科技股份有限公司 劉升鵬

【摘要】本文介紹了用于電網電能質量監測的電子式互感器采集單元的設計方案。電子式互感器一次線圈將電網電壓和電流信號轉換為小電壓信號，并輸入到高精度ADC（模數轉換器）。FPGA通過串行接口讀取ADC采樣值，然后根據DL/T 282協議組成數據幀，通過高速串行光纖模塊發送至合并單元及電能質量監測裝置。

【關鍵詞】電能質量監測；電子式互感器；FPGA；DL/T 282

1　電子式互感器用于電能質量監測概況

隨著工業規模的擴大和科學技術的發展，電力系統用電負荷結構發生了重大變化，許多新型的電氣設備在其運行中會向電力系統注入各種電磁干擾，導致電能質量問題日益突出，并引起了電力部門和電力用戶的高度重視［1］。因此能夠實現對電能質量實時監測、全面分析及故障判斷的電能質量監測裝置成為電力系統的重要設備。

隨著電力系統繼電保護的發展、設備自動化程度的提高及光纖通信技術的普及應用，智能化變電站有逐漸取代常規變電站的趨勢，而電子式互感器作為智能化變電站的重要組成因子，成為了研究與分析的熱點［2］。近幾十年來，國內外研究人員已研究和制造出了電子式電流互感器（ECT）和電子式電壓互感器（EVT），并將其應用于電力系統［3］。

數字化變電站電子式互感器的采樣率一般在12.8KHz以下，而電能質量監測裝置要求信號采樣率至少達到50KHz以上。因此研究采樣頻率滿足要求的采集單元非常必要，也是工程應用的迫切要求。

2　方案概述

用于基于電子式互感器的電網電能質量監測系統包括三相電壓互感器、三相電流互感器、合并單元及電能檢測裝置。系統結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

圖1所示中，電子式互感器一次部分為電子式互感器的電功率線圈。二次部分為采集單元。采集單元的整體方案如圖2所示。

圖2　采集單元

圖2所示中，采集單元的輸入為低功率線圈輸出的有效值為1.5V的正弦波電壓信號。采集單元由低通濾波電路、高精度ADC、FPGA處理模塊及高速串行光纖模塊組成，其中，FPGA處理模塊主要功能包括讀取ADC采樣數據的串行接口模塊和基于DL/T 282協議的數據發送模塊。

3　采集單元

3.1低通濾波電路

電能質量監測裝置對電網線路電流電壓的采樣頻帶有較高要求，需要達到至少256次諧波（頻率12.8KHz）。設計低通濾波電路，濾除該頻帶以外更高次諧波以及電網線路的干擾信號，在滿足電能質量監測裝置要求的情況下，盡量減少干擾信號對采集系統的影響。低通濾波電路如圖3所示。

圖3　低通濾波電路

圖3所示中，輸出信號的傳遞函數為：

幅頻特性為：

低通濾波電路的截止頻率是指該頻率的幅頻衰減為-3db，即A=0.707，根據式（3），截止頻率應為f0。而行波測距系統的要求，f0為12.8KHz，根據式（2），計算取R1=R2=4.12K，C1=1.5nF。

3.2高精度ADC

考慮到電能質量監測對數據精度和采樣速率的要求，選擇ADI公司的200KSps采樣率、16位多通道同步ADC芯片AD7606。該芯片在使用單+5V作為供電電源的情況下，支持真正的雙極性輸入，而在高噪聲電源條件下也能保證16位無失碼性能。AD7606的數字量輸出接口有2種，為16位并行總線接口和串行接口。AD7606芯片單個采樣通道的結構如圖4所示。

圖4　單個通道的結構

低通濾波器電路的輸出信號的兩端直接接到CLAMP管腳。CLAMP管腳為輸入鉗位電路，可以承受高達±16.5V的過電壓，保證了在異常情況下內部電路不被損壞。

3.3FPGA串行接口模塊

FPGA與AD7606的串行接口包括/CS，DOUT和SCLK信號，時序如圖5所示。

圖5　時序圖

圖5所示中，AD7606在/CS下降沿，輸出通道1采樣值的最高位bit16，接下來在SCLK的上升沿依次輸出較低位數據。

FPGA串行接口模塊定義狀態機，根據上述時序完成采樣數據的讀取及存儲。狀態機包括空閑態、轉換態、數據讀取態、存儲態和結束態，狀態機流程如圖6所示。

根據設計要求，設計采樣率為50KHz，即每個采樣點周期為20us，因此在空閑態中判斷若到達20us定時時間則進入轉換態，并向AD7606發送CONVERT信號，啟動一次同步轉換。根據AD7606的手冊，典型的轉換時間TCNV為4us，因此在轉換態中判斷若達到4us定時時間，則進入數據讀取態。在數據讀取態中，拉低/CS并給出SCLK信號，然后在SCLK的上升沿依次將數據位移入暫存寄存器。判斷若是讀完一個通道的轉換數據，即16bit數據，就將暫存寄存器存入FIFO中。當本次轉換的所有通道讀取完成，將進入結束態，觸發一次數據幀發送，然后再次進入空閑態等待下次采樣周期。

圖6　串行接口狀態機

3.4FPGA數據發送模塊

FPGA數據發送模塊從串行接口模塊的FIFO中獲取三相電流或電壓信號的16位數字量采樣值，按照DL/T 282協議組成數據幀，最終通過光纖模塊發送至合并單元及電能質量監測裝置。

DL/T 282協議是中華人民共和國電力行業標準，規定了電子式互感器與合并單元之間的數據傳輸格式。DL/T 282協議定義數據傳輸速率為2Mbit/s或其整數倍，數據流采用工業標準UART進行異步通信，每個字節由11位組成，包括1個啟動位’0’，8個數據位，1個偶校驗位，1個停止位’1’，數據位低位先發。本方案中幀格式各字節定義如表1所示。

表1　幀格式

數據發送模塊定義狀態機來完成表1中數據幀的發送。狀態機包括空閑態、起始字節態、數據態、CRC態及結束態。

圖7　數據發送狀態機

在數據態中，根據字節號，依次發送表1中規定的數據。當發送三相采樣值時，需要首先產生FIFO_RD信號，然后從FIFO的數據接口獲取數據。

4　結語

完成了行波測距用的電子式互感器高頻信號采集與傳輸的設計之后，按照圖1所示的系統結構圖對本方案進行試驗驗證。試驗設備包括三相電子式電壓電流互感器各1支、合并單元1臺和電能質量監測裝置1臺。

對系統加上高壓信號，從電能質量監測裝置中得到各項電能質量信號，與所加電能質量參數吻合。試驗結果證明本方案在電子式互感器應用場合，能夠為電能質量監測裝置提供有效的采樣數據，具有極高的工程應用價值。

參考文獻

［1］趙逸眾，肖湘寧，姜旭.現代電能質量監測技術的發展動態［J］.電氣技術，2006（1）：13.

［2］王濤，張寧，劉琳等.有源電子式互感器故障診斷技術的研究與應用［J］.電力系統保護與控制，2015，43（18）：74.

［3］王紅星，張國慶，郭志忠等.電子式互感器及其在數字化變電站中應用［J］.電力自動化設備，2009，29（9）：115.

陳勇（1977—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：繼電保護。

李聰（1984—），男，大學本科，助理工程師，研究方向：繼電保護。

袁明（1990—），男，大學本科，助理工程師，研究方向：繼電保護。

宋潔（1984—），女，大學本科，高級工程師，研究方向：繼電保護。

劉升鵬，男，碩士研究生，研究方向為繼電保護。

作者簡介：