便攜式沖擊負荷電能計量設備的設計和研制

鄭則誠,朱 欣,張軍達

（國網浙江省臺州市黃巖區供電公司,浙江 黃巖 318020）

0 引言

近年來隨著高速鐵路的飛速發展，在方便出行的同時，高鐵站的建設也未電力計量帶來了新問題。電氣化鐵路牽引負荷具有不對稱性、非線性和沖擊性等特點，產生的負序分量、高次諧波和電壓波動嚴重影響電力系統的穩定運行以及電力用戶的安全用電。

傳統的電能表以及回路狀態監測設備存在實時性差、測量精度不高、采集信息量小等問題；此外，電能質量監測的物理量多且畸變程度各異，監測不同指標通常需使用不同儀器，不僅通用性差，且自動化程度也較低[1-3]，已無法較好地滿足當前電力系統調度與管理需求[4]。本文首先從電流檢測誤差分析入手，采用帶電容補償的電流互感器對檢測電路進行設計。進而提出基于STM32F103的包含電能計量與遠程通訊功能的監測設備硬件設計方案，充分利用STM32豐富的片上資源，在提高測量精度的同時也增強了系統的實時性和可靠性。最后，對該監測設備的檢測誤差進行測試，并應用于京滬高速鐵路華苑變電所實測。

1 電流檢測電路設計

基于磁耦合方式的電流互感器因其結構簡單，安裝方便，傳感信號與一次側電氣隔離等優點，廣泛應用于電流的檢測的各種場合。主要由一次繞組、二次繞組和鐵芯構成，根據接線方式不同主要分為兩大類，一類是將被測信號與一次繞組串聯，在二次繞組上監測；另一類則不改變設備原有接線方式，將被測信號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，適合在線監測。

為了提高測量精度，增加二次匝數會導致信號輸出過小；現有校驗儀在比差和角差上的限制，使得放大二次電流時會損失精度[5]。

1.1 電流互感器誤差分析

理想情況下，根據磁勢平衡可知互感器的一次和二次側電流與匝數成反比，即?1N1=-?2N2。在實際的電流互感器中，要產生二次側的感應電動勢?2，就需要有激磁電流?0在鐵芯中建立磁場，這樣互感器才能工作，即一次側電流不能全部傳遞至二次側。

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。實際的磁化曲線在電流增大至某個值后，磁芯進入飽和區，磁通隨電流增大緩慢增加，小于理想值。使得二次側電流產生負誤差，電流值越大誤差也越大。當被測電流較小時，激磁電流相對于被測的輸入電流而言不能被忽略，它也成為電流傳感器產生誤差的主要原因。

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超前磁通一個角度φ；二次感應電勢?2超前于?2N2一個角度α，即二次負載總阻抗Z2的阻抗角，包括二次線圈阻抗和內阻抗。

根據定義的電流互感器誤差[6,7]，可推導比差和角差分別如公式所示。

其中，f為比差，δ為角差。

1.2 電容補償的電流互感器設計

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，當激磁電流為零時，即所謂的“零磁通”情況下，互感器一次和二次側能量無法傳遞。選取合適的補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。

電容補償是在在電流互感器的二次側負載端并聯上電容元件，其容值為C，阻抗為ZC，對誤差的補償為：

其中，Δ?為電容補償電容，Z為電流互感器負載阻抗。由式（3）可知，對比差f的補償為正值而對角差δ的補償為；補償值與電容值成正比，與二次側電流大小無關。

1.3 電流信號調理電路設計

電流互感器感應得到的電流信號只有轉換成電壓信號才能進行測量或者模數轉換。電流互感器輸出信號轉換主要由以下三種方式：

（1）直接用電阻將電流信號轉換成電壓信號；

（2）電阻將電流轉換信號為電壓信號后，利用放大器將電壓信號進行放大；

（3）利用放大器將電流信號轉換成電壓信號的同時將信號放大。

本文采用第二種方式，選用儀表放大器AD623對電阻R1兩端電壓進行放大，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 信號處理與通訊電路設計

被測三相交流電壓和電流信息經過信號處理后進入微控制單元，實現電壓、電流、功率和頻率等電能指標的計算，并通過485和GPRS的通訊方式與上位機進行數據交換，整個系統的構成如圖3所示。

2.1 模數轉換單元設計

采集到的電壓和電流信號經調理后，需經過模數轉換電路，再進入微處理器進行數據處理。本設計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轉換器，靈活的數字濾波器，以及高速串行和并行接口。

2.2 CPU單元設計

2.3 通訊單元設計

3 實驗結果與分析

為驗證該便攜式電能質量監測設備的準確性，采用BD-ID交直流校表儀（0.02級）作為標準源，輸出交流電壓57.7V、電流0.5A/2.5A/5A、相位30°，供給標準表LC2010-3E三相標準功率電能表（0.05級），與本文設計的被校表。標準表和被校表檢測的相對誤差如下：

表1 測試結果的相對誤差比較

鑒于高速鐵路的特殊性，即其負荷瞬時性強且極不平衡，為了驗證該設備的實用性，將此監測設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；其中黃色實線為A相，綠色實線為B相，紅色實線為C相。

4 結束語

研究表明，沖擊性負荷除對電網質量有較大影響外，還會對電能計量產生一定的影響，并且負荷變化快，因此準確和快速是在線電能監測的基本要求。數字信號處理技術的迅速發展，為復雜的沖擊電荷電能計算提供了良好的條件。本文研制的便攜式電能監測與計量裝置，不僅能將計量誤差控制在標準規定范圍以內，滿足電能準確計量的基本要求。并且，實現了現場監測與遠程實時監控之間的信息交互，提高了現場檢驗人員的工作效率。隨著電力系統的發展，這種基于數字信號處理技術的便攜式電能質量監測裝置，具有重要的現實意義以及應用價值。

[1]彭卉,鄒舒,付永生等.沖擊負荷接入電網的電能質量分析與治理方案研究[J].電力系統保護與控制,2014,42(01):54-61.

[2]粟時平,王長城,金維宇.沖擊負荷電能計量理論和算法研究[J].電測與儀表,2004,41(466):1-4.

[3]馮波,任鵬,張璇等.沖擊性負荷對電能計量設備的影響分析[J].河北電力技術,2014,33(03):32-33.

[4]劉水,黃洋界,李斌.數字化電能計量檢測技術方案研究[J].電測與儀表,2011,48(544):66-71.

[5]賈斌.電能計量裝置的綜合誤差計算及減少綜合誤差的方法[J].電測與儀表,2004,41(465):16-19.

[6]束洪春,林敏.電流互感器暫態數學建模及其仿真的比較研究[J].電網技術,2003,27(03):11-14.

[7]袁金晶,孫國菊,朱德省,張健輝.電流互感器飽和特性分析及其補償[J].電測與儀表,2012,49(10A):165-169.