基于FPGA的互感器校驗(yàn)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(yàn)儀是一種檢定電流互感器或電壓互感器的儀器，按其測(cè)量原理分為直接比較式校驗(yàn)儀和測(cè)差式校驗(yàn)儀[1]。目前國(guó)內(nèi)使用的校驗(yàn)儀普遍為測(cè)差式校驗(yàn)儀，測(cè)差式校驗(yàn)儀就是將標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)儀，并與二次電流或二次電壓進(jìn)行比較，由差流對(duì)工作電流或差壓對(duì)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(jí)通常為1級(jí)或2級(jí)。隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展應(yīng)用，測(cè)差式校驗(yàn)儀不僅具備電流電壓互感器誤差、阻抗、導(dǎo)納測(cè)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(cè)差式校驗(yàn)儀的測(cè)量原理

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

如用瞬時(shí)值表示，則工作電壓u和被測(cè)小電壓Δu相應(yīng)為：

u=Umsinωt.

(4)

Δu=ΔUmsin(ωt+φ).

(5)

校驗(yàn)儀基本測(cè)量線路的原理是，當(dāng)工作電壓過(guò)零時(shí)，測(cè)量線路通過(guò)采樣電路測(cè)得小電壓的瞬時(shí)值，即：

u=Umsinωt=0.

(6)

(7)

同時(shí)通過(guò)峰值保持電路，測(cè)得工作電壓的幅值：

(8)

當(dāng)工作電壓經(jīng)過(guò)正交移相器移相后過(guò)零時(shí)，測(cè)得小電壓的瞬時(shí)值，即：

(9)

(10)

(11)

本系統(tǒng)是將標(biāo)準(zhǔn)互感器和被試互感器的二次輸出值做差，將差值信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)送入采集模塊，測(cè)量時(shí)在直角坐標(biāo)系下將誤差分解，在0°相位和180°相位時(shí)其同相分量為零，此時(shí)測(cè)得的誤差為相位差；在90°相位和270°相位時(shí)其正交分量為零，此時(shí)測(cè)得的誤差為比值差。

本系統(tǒng)采用硬件誤差分離的方式進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)硬件將誤差的同相分量和正交分量進(jìn)行分離測(cè)量，通過(guò)模擬回路將比值差和相位差進(jìn)行分離，使用獨(dú)立的模擬調(diào)理電路經(jīng)放大、移相、濾波處理后進(jìn)行AD采樣處理，采用多相位測(cè)量法進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的噪聲過(guò)濾，在簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度的同時(shí)提高了測(cè)試精度。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于FPGA的互感器校驗(yàn)儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，其模擬部分由兩級(jí)放大電路和兩級(jí)濾波電路組成，主要進(jìn)行小信號(hào)的處理；數(shù)字部分由FPGA、液晶觸摸屏、存儲(chǔ)器、RS232接口、RS485接口、藍(lán)牙接口以及USB接口組成，ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入FPGA進(jìn)行誤差計(jì)算。

圖1 基于FPGA的互感器校驗(yàn)儀系統(tǒng)框圖

圖1中，T0、Tx為標(biāo)準(zhǔn)回路信號(hào)輸入，標(biāo)準(zhǔn)回路由一級(jí)放大電路和一級(jí)有源帶通濾波電路組成，主要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回路的信號(hào)處理，其濾波器設(shè)計(jì)為中心頻率50 Hz、帶寬可調(diào)的有源濾波器，對(duì)二次諧波和三次諧波有較強(qiáng)的抑制能力，且可使用電位器進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，用于同步過(guò)零點(diǎn)采樣；K、D為差值信號(hào)輸入，差值信號(hào)進(jìn)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(jí)放大濾波進(jìn)行處理，目的是采樣低百分比下的小誤差信號(hào)。

采用16位ADC作為標(biāo)準(zhǔn)回路和誤差的模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA在計(jì)算出信號(hào)的零點(diǎn)之后開(kāi)始啟動(dòng)采樣，通過(guò)軟件PLL觸發(fā)每周波128點(diǎn)的采樣節(jié)拍并對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)回路的有效值采用均方根算法進(jìn)行計(jì)算，在采樣整周期的最后一個(gè)采樣點(diǎn)前進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)的平方累加計(jì)算，在最后一個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算完成后進(jìn)行均值計(jì)算及開(kāi)平方計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)回路的有效值，并根據(jù)額定二次值計(jì)算百分表。對(duì)于差值回路，由于硬件上進(jìn)行了誤差分離，使用ADC的兩個(gè)通道進(jìn)行同相分量和正交分量的采集，并與標(biāo)準(zhǔn)回路進(jìn)行比較計(jì)算得到比值差和相位差。

藍(lán)牙通訊主要用于與手持式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；Flash的前2 MB用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，后6 MB寫入了文件系統(tǒng)，便于文件操作進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢；設(shè)計(jì)了USB接口進(jìn)行U盤的讀寫，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出；RS232接口連接PC機(jī)和打印機(jī)等外設(shè)，用于傳輸和打印當(dāng)前內(nèi)存區(qū)保存的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，主要實(shí)現(xiàn)模擬回路的程控放大、誤差計(jì)算以及人機(jī)交互等。程控放大的作用是使處理后的誤差信號(hào)保持在ADC量程的中間位置，便于誤差信號(hào)的采樣。人機(jī)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(yàn)儀的檢定等功能。

在軟件主界面點(diǎn)擊CT進(jìn)入電流互感器誤差校驗(yàn)界面，如圖3所示，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕后開(kāi)始誤差測(cè)量，此時(shí)開(kāi)始升一次電流，測(cè)試過(guò)程中分別保存1%、5%、20%、100%、120%測(cè)試點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)，升到120%后開(kāi)始降電流，下降過(guò)程分別保存對(duì)應(yīng)點(diǎn)的下限誤差，當(dāng)百分表降到1%以下時(shí)測(cè)量完成。此時(shí)點(diǎn)擊保存按鈕進(jìn)行被試互感器參數(shù)及誤差數(shù)據(jù)的保存，點(diǎn)擊返回按鈕返回主界面。

圖3 電流互感器誤差測(cè)試界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

互感器校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確等級(jí)是系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)[4]，按照J(rèn)JG169—2010互感器校驗(yàn)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(yàn)儀檢定回路

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

由表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知：該校驗(yàn)儀精度滿足2級(jí)要求[6]。

表1 互感器校驗(yàn)儀整體檢定數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

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