高壓三相組合檢定裝置的控制系統設計原理及工作流程

山西省機電設計研究院 梁新帥

現如今，電網規模越來越大，所需互感器的種類也越來越多。在6kV-35kV電網電能計量裝置中計量用互感器主要采用了組合互感器，使得組合互感器的用量日益增大。傳統的測量組合互感器的方法主要是單相測量，分別對電壓部分和電流部分測量。測試步驟繁瑣，測試時間長，并且無法模擬電網中實際工作狀態。在這樣的實際情況下，通過對傳統的測試方法進行科技創新。依據JB/T10432-2004《三相組合互感器》和JB/10433-2004《三相電壓互感器》行業標準及《JJG313-2010測量用電流互感器》、《JJG314-2010測量用電壓互感器》、《JJG1021-2007電力互感器》規程要求，專門研發了高壓三相組合互感器的全自動誤差測試成套裝置。（以下簡稱高壓三相裝置）本文就高壓三相裝置的控制部分的設計原理和工作流程進行闡述。

一、高壓三相裝置的原理

高壓三相裝置仍然采用了傳統的直接測量的方法，完全可以滿足國家有關標準和行業標準的要求。在此基礎上通過技術創新模擬三相組合互感器在電網中實際運行狀態，并在此條件下檢定其誤差。

實際測量中采用同時對被試品接入額定三相電流和額定三相電壓的檢定方法（如圖1所示）。使檢測結果準確、可靠、快速。這樣的方法無需頻繁的更換接線，避免了換線過程中的失誤，有利于高壓試驗工作的安全和效率。

圖1

二、高壓三相裝置的控制部分分類

控制部分主要分為兩大類：一、基于FPGA的DDS三相正弦波發生器，控制臺體電源工作。二、PC機接收互感器校驗儀的數據后，經過計算、分析、統計控制整體裝置的運行。

1.基于FPGA的DDS三相正弦波發生器，控制臺體電源

在傳統的互感器校驗臺中，往往都是采用單片機作為控制核心。要選擇多種芯片配合，開發周期長、投入高、效率慢。高壓三相裝置采用了FPGA芯片，即現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array)。FPGA開發周期短、開發投入少、芯片價格低。同時也可以解決系統小型化、低功耗、耐用性等問題。

DDS即直接數字頻率合成技術，是由美國學者J.Tiercy，M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，是一種以數字信號處理理論為基礎，從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的全數字技術的頻率合成方法。從1971年至今，DDS已從一個工程新事物逐漸發展成為一個重要的設計工具。與大家熟悉的直接式和間接式（PLL）頻率合成技術不同，DDS技術完全采用數字技術處理，屬于第三代頻率合成技術。DDS的主要優點是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。DDS的應用領域包括各類無線通信、有線通信、網絡通信，各類需要頻率信號的儀器、儀表、遙測、遙感設備、收音機和電視機等[1]。

高壓三相裝置用FPGA開發出DDS原理的信號發生器，產生可控三相正弦波信號，經過功放電路放大（如圖2所示）。

圖2

實際電網運行頻率為50Hz±10%，高壓三相裝置通過FPGA生成可控的三相正弦波信號，模擬電網運行狀態，分別對應三相電流和三相電壓。三相正弦波信號2V為滿載，通過乘法器控制信號的大小和速度，可以實現三相正弦波的升降，從而控制輸出電源。在實際運行中由于功能需要，組合互感器接線方式不同，接線方式有三相全部接線，也有一相接線或者兩相接線。在以前測量中，高壓三相組合互感器，只能單相測試。新的高壓三相裝置則可以三相同時升降，也可以單相或者兩相同時升降，更加靈活，也更符合實際電網運行，測量的誤差結果也更貼近實際運行結果。單獨使用高壓三相裝置的時候，只要通過面板上的細升、細降、粗升、粗降等功能按鍵，就可以控制電流和電壓進行升降，從而完成整個測試過程。

2.PC機全自動控制高壓三相裝置運行

實際計量工作中，多數都采用PC機進行全程控制，并根據儀器的狀態和返回的數據實時監視，并進行有效干預，同時將大量的原始數據分析、處理、保存。保證測量數據完整、準確、高效（如圖3所示）。

圖3

高壓三相裝置采用PC機全自動控制，只要將被試品的各項參數如：型號、量限、精度、負荷等錄入專用操作系統HZDT-3Z，PC機將全程控制、采集、分析、判斷，從而完成整個測試過程。

（1）PC機先將錄入的參數通過RS-232串口通訊，發出指令。命令校驗儀和檢定臺進行測試前的準備，跳轉量限、精度、負荷。保證各項參數已經跳轉到正確檔位。

（2）根據量限所示，PC機發出指令，令FPGA初始化，確定輸出大小和速度。FPGA內預設了4個速度檔位。

（3）在正式檢定開始前，PC機發出“細升”命令，令電流或電壓升起，達到0.8%的時候，校驗儀會初始判斷接線是否有問題，如極性反、變比錯、開路等問題。這些錯誤信息都會通過RS-232串口傳輸給PC機，PC機接收到這些錯誤信息，將會終止整個檢定過程。并報警，歸零，提示人員檢查錯誤。

（4）如果一切正常，PC機會根據量限的大小和電流或電壓的升幅，不斷的調整對FPGA的指令，控制FPGA對檢定臺輸出電流和電壓的大小和速度。這個檢定過程中，有兩點要注意。一是升降電流或者電壓全程都要保持速度穩定，不可過快或者過慢。二是保證在每個測試點都要準確采集數據，要避免過沖和達不到測試點。要達到這種效果，PC機要全程接收校驗儀發送的實時數據，分析、換算這些實時數據，并根據這些實時數據，控制FPGA輸出信號的大小和速度。FPGA根據PC機發送的指令，控制檢定臺的升降和停止。檢定臺和三相組合互感器試品，將各項的模擬信號傳回校驗儀，由校驗儀比對、測量最終將模擬信號轉換為數字信號，傳給PC機。PC機分析、處理這些原始數據。一方面根據數據控制整個檢定過程的運行，另一方面對數據進行化整、判斷確定三相組合互感器試品是否合格。當整個測試過程完成后，PC機將這些數據進行保存。以便用戶出具檢定證書。

3.高壓三相裝置運行過程中，模擬電網運行狀態的情況

測試過程中，會遇到一個現象。三相同時升降的時候，有可能因為被試品、輸出電源等影響，出現三相不平衡的時候，例如A、B、C三相同時升，A相和B相升幅達到50%，C相只達到41%。遇到這種情況，PC機根據實時監控的數據，會立刻進行干預，發送指令給FPGA暫停A相和B相的升幅，加強對C相的升幅，當C相也達到50%的時候，再次重新啟動A相和B相的升幅，使得三相平衡升降。這樣做的目的是完全模擬現實中的電網運行狀態。

傳統測試三相組合互感器的時候，通常是單相檢定，并且檢定單相電壓互感器的時候，單相電流互感器并不工作。同理檢定單相電流互感器的時候，單相電壓互感器也不工作。而在實際電網運行過程中，三相組合互感器的電流和電壓部分是同時處于工作狀態。高壓三相裝置改進了檢定方式，可以帶電測試三相組合互感器，在檢定三相電壓的過程中，三相電流同時升起。同樣在檢定三相電流互感器的時候，三相電壓同時升起。這樣的完全模擬電網運行，可以得到更加接近實際的誤差數據。

三、結束語

本文就高壓三相裝置的控制部分的設計思路和工作流程進行了闡述。本裝置，在傳統的檢定方式上進行了創新，采用新的控制模式，并根據實際電網運行情況，模擬出相同的環境，使檢定的數據更真實有效。

[1]白居憲.直接數字頻率合成[M].西安:西安交通大學出版社,2007.