便攜式?jīng)_擊負(fù)荷電能計(jì)量設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制

鄭則誠(chéng),朱 欣,張軍達(dá)

（國(guó)網(wǎng)浙江省臺(tái)州市黃巖區(qū)供電公司,浙江 黃巖 318020）

0 引言

近年來隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，在方便出行的同時(shí)，高鐵站的建設(shè)也未電力計(jì)量帶來了新問題。電氣化鐵路牽引負(fù)荷具有不對(duì)稱性、非線性和沖擊性等特點(diǎn)，產(chǎn)生的負(fù)序分量、高次諧波和電壓波動(dòng)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及電力用戶的安全用電。

傳統(tǒng)的電能表以及回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在實(shí)時(shí)性差、測(cè)量精度不高、采集信息量小等問題；此外，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的物理量多且畸變程度各異，監(jiān)測(cè)不同指標(biāo)通常需使用不同儀器，不僅通用性差，且自動(dòng)化程度也較低[1-3]，已無法較好地滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)調(diào)度與管理需求[4]。本文首先從電流檢測(cè)誤差分析入手，采用帶電容補(bǔ)償?shù)碾娏骰ジ衅鲗?duì)檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)而提出基于STM32F103的包含電能計(jì)量與遠(yuǎn)程通訊功能的監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)方案，充分利用STM32豐富的片上資源，在提高測(cè)量精度的同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。最后，對(duì)該監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢測(cè)誤差進(jìn)行測(cè)試，并應(yīng)用于京滬高速鐵路華苑變電所實(shí)測(cè)。

1 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

基于磁耦合方式的電流互感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，傳感信號(hào)與一次側(cè)電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電流的檢測(cè)的各種場(chǎng)合。主要由一次繞組、二次繞組和鐵芯構(gòu)成，根據(jù)接線方式不同主要分為兩大類，一類是將被測(cè)信號(hào)與一次繞組串聯(lián)，在二次繞組上監(jiān)測(cè)；另一類則不改變?cè)O(shè)備原有接線方式，將被測(cè)信號(hào)接線作為一次繞組直接穿過繞有線圈的鐵芯，又稱穿心式電流互感器，安全性更高，適合在線監(jiān)測(cè)。

為了提高測(cè)量精度，增加二次匝數(shù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輸出過小；現(xiàn)有校驗(yàn)儀在比差和角差上的限制，使得放大二次電流時(shí)會(huì)損失精度[5]。

1.1 電流互感器誤差分析

理想情況下，根據(jù)磁勢(shì)平衡可知互感器的一次和二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比，即?1N1=-?2N2。在實(shí)際的電流互感器中，要產(chǎn)生二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?2，就需要有激磁電流?0在鐵芯中建立磁場(chǎng)，這樣互感器才能工作，即一次側(cè)電流不能全部傳遞至二次側(cè)。

此外，互感器中鐵芯磁化曲線的非線性也是造成誤差的原因。實(shí)際的磁化曲線在電流增大至某個(gè)值后，磁芯進(jìn)入飽和區(qū)，磁通隨電流增大緩慢增加，小于理想值。使得二次側(cè)電流產(chǎn)生負(fù)誤差，電流值越大誤差也越大。當(dāng)被測(cè)電流較小時(shí)，激磁電流相對(duì)于被測(cè)的輸入電流而言不能被忽略，它也成為電流傳感器產(chǎn)生誤差的主要原因。

電流互感器由激磁電流引起的誤差可由向量圖說明（如圖1所示）。以二次電流?2為參考向量，激磁安匝?0N1超前磁通一個(gè)角度φ；二次感應(yīng)電勢(shì)?2超前于?2N2一個(gè)角度α，即二次負(fù)載總阻抗Z2的阻抗角，包括二次線圈阻抗和內(nèi)阻抗。

根據(jù)定義的電流互感器誤差[6,7]，可推導(dǎo)比差和角差分別如公式所示。

其中，f為比差，δ為角差。

1.2 電容補(bǔ)償?shù)碾娏骰ジ衅髟O(shè)計(jì)

由上述分析可知，若要減小電流互感器的誤差，就須減小I0/I1值，或者是在一次電流I1一定的情況下減小激磁電流I0。然而，當(dāng)激磁電流為零時(shí)，即所謂的“零磁通”情況下，互感器一次和二次側(cè)能量無法傳遞。選取合適的補(bǔ)償方式可將磁芯中的磁通盡可能地降低，接近“零磁通”的狀態(tài)。

電容補(bǔ)償是在在電流互感器的二次側(cè)負(fù)載端并聯(lián)上電容元件，其容值為C，阻抗為ZC，對(duì)誤差的補(bǔ)償為：

其中，Δ?為電容補(bǔ)償電容，Z為電流互感器負(fù)載阻抗。由式（3）可知，對(duì)比差f的補(bǔ)償為正值而對(duì)角差δ的補(bǔ)償為；補(bǔ)償值與電容值成正比，與二次側(cè)電流大小無關(guān)。

1.3 電流信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電流互感器感應(yīng)得到的電流信號(hào)只有轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能進(jìn)行測(cè)量或者模數(shù)轉(zhuǎn)換。電流互感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換主要由以下三種方式：

（1）直接用電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；

（2）電阻將電流轉(zhuǎn)換信號(hào)為電壓信號(hào)后，利用放大器將電壓信號(hào)進(jìn)行放大；

（3）利用放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的同時(shí)將信號(hào)放大。

本文采用第二種方式，選用儀表放大器AD623對(duì)電阻R1兩端電壓進(jìn)行放大，具有較好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比，進(jìn)而保持較小的誤差。電路連接如圖2所示，AD623采用雙電源供電。

2 信號(hào)處理與通訊電路設(shè)計(jì)

被測(cè)三相交流電壓和電流信息經(jīng)過信號(hào)處理后進(jìn)入微控制單元，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率和頻率等電能指標(biāo)的計(jì)算，并通過485和GPRS的通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

采集到的電壓和電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，再進(jìn)入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計(jì)中涉及三相電壓與電流，至少需要六路模擬量輸入。選用亞德諾公司的AD7609 A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有8路同步采樣差分輸入，18位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，靈活的數(shù)字濾波器，以及高速串行和并行接口。

2.2 CPU單元設(shè)計(jì)

2.3 通訊單元設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證該便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性，采用BD-ID交直流校表儀（0.02級(jí)）作為標(biāo)準(zhǔn)源，輸出交流電壓57.7V、電流0.5A/2.5A/5A、相位30°，供給標(biāo)準(zhǔn)表LC2010-3E三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表（0.05級(jí)），與本文設(shè)計(jì)的被校表。標(biāo)準(zhǔn)表和被校表檢測(cè)的相對(duì)誤差如下：

表1 測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差比較

鑒于高速鐵路的特殊性，即其負(fù)荷瞬時(shí)性強(qiáng)且極不平衡，為了驗(yàn)證該設(shè)備的實(shí)用性，將此監(jiān)測(cè)設(shè)備試用于京滬高速鐵路華苑變電所。圖5為某日該高鐵變電所三相線路的基頻視在功率變化趨勢(shì)；其中黃色實(shí)線為A相，綠色實(shí)線為B相，紅色實(shí)線為C相。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，沖擊性負(fù)荷除對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量有較大影響外，還會(huì)對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生一定的影響，并且負(fù)荷變化快，因此準(zhǔn)確和快速是在線電能監(jiān)測(cè)的基本要求。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，為復(fù)雜的沖擊電荷電能計(jì)算提供了良好的條件。本文研制的便攜式電能監(jiān)測(cè)與計(jì)量裝置，不僅能將計(jì)量誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍以內(nèi)，滿足電能準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求。并且，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控之間的信息交互，提高了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員的工作效率。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，這種基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義以及應(yīng)用價(jià)值。

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