基于FPGA的互感器校驗儀研究

張松琛

(同方股份有限公司，北京 100083)

0 引言

互感器校驗儀是一種檢定電流互感器或電壓互感器的儀器，按其測量原理分為直接比較式校驗儀和測差式校驗儀[1]。目前國內使用的校驗儀普遍為測差式校驗儀，測差式校驗儀就是將標準與被試互感器的二次電流或二次電壓之間的差流或差壓輸入校驗儀，并與二次電流或二次電壓進行比較，由差流對工作電流或差壓對工作電壓的比值的同相分量讀出比值差、正交分量讀出相位差，其精度等級通常為1級或2級。隨著電子技術、數(shù)字技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展應用，測差式校驗儀不僅具備電流電壓互感器誤差、阻抗、導納測量功能，而且具有分析、控制、顯示、通訊等其他輔助功能[2-3]。

1 測差式校驗儀的測量原理

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

如用瞬時值表示，則工作電壓u和被測小電壓Δu相應為：

u=Umsinωt.

(4)

Δu=ΔUmsin(ωt+φ).

(5)

校驗儀基本測量線路的原理是，當工作電壓過零時，測量線路通過采樣電路測得小電壓的瞬時值，即：

u=Umsinωt=0.

(6)

(7)

同時通過峰值保持電路，測得工作電壓的幅值：

(8)

當工作電壓經(jīng)過正交移相器移相后過零時，測得小電壓的瞬時值，即：

(9)

(10)

(11)

本系統(tǒng)是將標準互感器和被試互感器的二次輸出值做差，將差值信號與標準信號同時送入采集模塊，測量時在直角坐標系下將誤差分解，在0°相位和180°相位時其同相分量為零，此時測得的誤差為相位差；在90°相位和270°相位時其正交分量為零，此時測得的誤差為比值差。

本系統(tǒng)采用硬件誤差分離的方式進行測量，通過硬件將誤差的同相分量和正交分量進行分離測量，通過模擬回路將比值差和相位差進行分離，使用獨立的模擬調理電路經(jīng)放大、移相、濾波處理后進行AD采樣處理，采用多相位測量法進行測試結果的噪聲過濾，在簡化軟件設計復雜度的同時提高了測試精度。

2 硬件設計

基于FPGA的互感器校驗儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，其模擬部分由兩級放大電路和兩級濾波電路組成，主要進行小信號的處理；數(shù)字部分由FPGA、液晶觸摸屏、存儲器、RS232接口、RS485接口、藍牙接口以及USB接口組成，ADC將模擬信號轉換成數(shù)字信號后進入FPGA進行誤差計算。

圖1 基于FPGA的互感器校驗儀系統(tǒng)框圖

圖1中，T0、Tx為標準回路信號輸入，標準回路由一級放大電路和一級有源帶通濾波電路組成，主要進行標準回路的信號處理，其濾波器設計為中心頻率50 Hz、帶寬可調的有源濾波器，對二次諧波和三次諧波有較強的抑制能力，且可使用電位器進行相位調節(jié)，用于同步過零點采樣；K、D為差值信號輸入，差值信號進入系統(tǒng)后拆分為同相誤差回路和正交誤差回路，其模擬回路均采用兩級放大濾波進行處理，目的是采樣低百分比下的小誤差信號。

采用16位ADC作為標準回路和誤差的模數(shù)轉換，F(xiàn)PGA在計算出信號的零點之后開始啟動采樣，通過軟件PLL觸發(fā)每周波128點的采樣節(jié)拍并對采樣的數(shù)據(jù)進行實時處理，對于標準回路的有效值采用均方根算法進行計算，在采樣整周期的最后一個采樣點前進行實時采樣點的平方累加計算，在最后一個采樣點計算完成后進行均值計算及開平方計算得到標準回路的有效值，并根據(jù)額定二次值計算百分表。對于差值回路，由于硬件上進行了誤差分離，使用ADC的兩個通道進行同相分量和正交分量的采集，并與標準回路進行比較計算得到比值差和相位差。

藍牙通訊主要用于與手持式設備進行數(shù)據(jù)交互；Flash的前2 MB用于存儲系統(tǒng)參數(shù)，后6 MB寫入了文件系統(tǒng)，便于文件操作進行數(shù)據(jù)存儲查詢；設計了USB接口進行U盤的讀寫，用于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的導出；RS232接口連接PC機和打印機等外設，用于傳輸和打印當前內存區(qū)保存的測試數(shù)據(jù)。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，主要實現(xiàn)模擬回路的程控放大、誤差計算以及人機交互等。程控放大的作用是使處理后的誤差信號保持在ADC量程的中間位置，便于誤差信號的采樣。人機交互的主界面如圖2所示，主要具有誤差的顯示、記錄、查詢以及校驗儀的檢定等功能。

在軟件主界面點擊CT進入電流互感器誤差校驗界面，如圖3所示，點擊測量按鈕后開始誤差測量，此時開始升一次電流，測試過程中分別保存1%、5%、20%、100%、120%測試點的誤差數(shù)據(jù)，升到120%后開始降電流，下降過程分別保存對應點的下限誤差，當百分表降到1%以下時測量完成。此時點擊保存按鈕進行被試互感器參數(shù)及誤差數(shù)據(jù)的保存，點擊返回按鈕返回主界面。

圖3 電流互感器誤差測試界面

4 系統(tǒng)測試

互感器校驗儀的準確等級是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)指標[4]，按照JJG169—2010互感器校驗儀檢定規(guī)程的檢定線路[5]，系統(tǒng)檢定回路如圖4所示。

圖4 互感器校驗儀檢定回路

使用如圖4所示的測試回路進行校驗儀檢定，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)計算可知：該校驗儀精度滿足2級要求[6]。

表1 互感器校驗儀整體檢定數(shù)據(jù)

5 結論

本文提出一種互感器校驗儀的解決方案，采用硬件誤差分離及多相位測試等措施進行系統(tǒng)優(yōu)化，滿足了高精度和高穩(wěn)定性的要求。試驗數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)具有測試精度高、系統(tǒng)功能完善、反應迅速等特點。