高精度光纖數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決二次回路壓降問題研究

摘要：為解決PT二次回路壓降問題，文章提出了改用數(shù)字方式傳輸信號(hào)，在PT側(cè)的發(fā)射端就地將模擬電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并利用光纖技術(shù)將其傳輸?shù)絻x表側(cè)的接收端，再通過接收裝置將數(shù)字化的電壓信號(hào)恢復(fù)成與PT側(cè)完全一致并能供電能表計(jì)量的模擬電壓信號(hào)，基于以上的原理設(shè)計(jì)高精度光纖數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要模塊及具體方案。

關(guān)鍵詞：PT二次回路；壓降問題；模擬電壓信號(hào)；數(shù)字化轉(zhuǎn)換；高精度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM933 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.016

根據(jù)《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》（DL/T448-2000）的規(guī)定：“電壓互感器二次回路電壓降，對(duì)Ⅰ類計(jì)費(fèi)用計(jì)量裝置，應(yīng)不大于額定二次電壓的0.2%；其他計(jì)量裝置，應(yīng)不大于額定二次電壓的0.5%。”

電能計(jì)量裝置的誤差是由電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）的合成誤差、電能表的誤差、PT二次回路壓降引起的計(jì)量誤差所組成。其中，PT二次回路壓降（簡(jiǎn)稱二次壓降）引起的計(jì)量誤差往往是最大的，所以消除或減小二次壓降，保證計(jì)量裝置的精度是不容輕視的問題。在電力系統(tǒng)中，電能計(jì)量會(huì)存在一些誤差。根據(jù)多處電網(wǎng)普查測(cè)試的結(jié)果，電壓互感器（PT）二次導(dǎo)線壓降引起的計(jì)量誤差是最大的。由于PT二次信號(hào)需要較長(zhǎng)的電纜傳輸?shù)娇刂剖医拥诫娔鼙?，長(zhǎng)距離傳輸會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，也就產(chǎn)生了很大的誤差。這個(gè)誤差為負(fù)誤差，會(huì)對(duì)電力公司造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

高精度光纖數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是針對(duì)PT二次回路存在的壓降問題所開發(fā)的設(shè)備。本設(shè)備由發(fā)射端和接收端兩部分組成，發(fā)射端完成的是信號(hào)的采集處理，接收端完成的是信號(hào)的還原。

本系統(tǒng)的基本原理為：57.7V的PT相電壓（或100V的PT線電壓）經(jīng)過發(fā)射端的分壓電阻取樣為低壓的電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后送至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)，傳給ARM處理器，處理器將三路電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過零位校正、幅值校正、相位校正、對(duì)稱度校正后復(fù)合成一路數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過光纖傳送給接收端。接收端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，分析出三路數(shù)據(jù)，再將三路數(shù)據(jù)送給D/A芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)高電壓運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大，放大得到的信號(hào)即是和我們的PT輸入電壓完全相同的輸出電壓。此外還設(shè)計(jì)了專門的故障檢測(cè)電路，用于在設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候?qū)⒃O(shè)備的輸出及時(shí)切換到二次線路上。

2 系統(tǒng)主要模塊介紹

2.1 電源模塊

發(fā)射端電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)提供所需電壓，發(fā)射端的整板功率很小，采用從PT直接取電。發(fā)射端的功耗也很小，輸入電壓為50Hz的交流電源，所以采用工頻變壓器供電。因?yàn)镺pticX-200有軟件監(jiān)控和診斷功能，為了能夠檢測(cè)到發(fā)射端掉相或者缺相，發(fā)射端電源部分沒有用一個(gè)單獨(dú)的變壓器而是采用了三個(gè)變壓器。

選擇型號(hào)為70V/12V、1W、50Hz的變壓器，變壓器將從PT側(cè)取到的電壓通過變壓器變壓，然后通過DB107S整流橋進(jìn)行整流得到12V的直流電壓。MP2359為DC-DC芯片，將整流后的電壓降壓變?yōu)?V。

接收端功耗比較大，約15W，需要交直流輸入，所以采用開關(guān)電源方案供電。為了方便生產(chǎn)，提高集成度，決定將開關(guān)電源電路做到系統(tǒng)里。

采用UC2842，它內(nèi)部集成開關(guān)管，外圍元件簡(jiǎn)單，能夠提供20W的輸出功率。設(shè)計(jì)電源為正負(fù)110V，正負(fù)8V四路電壓輸出。正負(fù)110V輸出電流為60mA，正負(fù)8V輸出電流為200mA。正負(fù)8V再通過LM7805和LM7905穩(wěn)壓到正負(fù)5V。

接收裝置具有電源自動(dòng)切換保護(hù)功能，正常工作情況下，開機(jī)自動(dòng)設(shè)定為UPS輸出的AC220V供電，當(dāng)檢測(cè)到UPS電源失效時(shí)，裝置輸出自動(dòng)切換到PT輸出的57.7V（三相四線）或100V（三相三線）；當(dāng)交流220V電源恢復(fù)正常時(shí)，裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)換至交流220V供電。

2.2 CPU模塊

PT電壓經(jīng)過分壓電阻送至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。將模擬電壓轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)，傳給ARM處理器，處理器將三路電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過相位調(diào)整后復(fù)合成一路數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過光纖傳送給接收端。接收端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分離出三路數(shù)據(jù)，在將三路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行零位、幅值、對(duì)稱度、相位微調(diào)。

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。發(fā)射端和接收端都采用STM32F103C8T6-48作為CPU模塊的芯片，更有效地利用該系列芯片。

2.3 AD和DAC模塊

PT電壓經(jīng)過分壓電阻送至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。將模擬電壓轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)，傳給ARM處理器。

OpticX-200A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8329。ADS8329是一片低功耗、16位采樣精度、1M采樣率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。它的積分非線性誤差為2.5LSB，零位誤差為1.25mV，零位漂移為0.4PPM/℃，增益誤差為0.25%，增益漂移為0.75PPM/℃，噪音為33uV。

ADS8329為單通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選用74LVC1G3157模擬開關(guān)，在采樣數(shù)據(jù)前通過三個(gè)模擬開關(guān)進(jìn)行通道選擇，這三個(gè)開關(guān)通過CPU的I/O進(jìn)行控制。CPU通過I/O口控制三個(gè)開關(guān)來選擇通道，然后一相一相來采樣處理數(shù)據(jù)。ADC處理完的數(shù)據(jù)通過SPI接口傳給CPU。

2.4 放大電路模塊

放大電路模塊把D/A芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號(hào)放大后輸出，將信號(hào)放大為與輸入信號(hào)相同幅值的信號(hào)之前，放大電路可以通過調(diào)整放大倍數(shù)補(bǔ)償幅值誤差等。

OpticX-200的電源基準(zhǔn)為ADR441，通過電壓基準(zhǔn)將得到穩(wěn)定的2.5V電壓。采樣電阻采用0.1%，5ppm的高精度電阻，通過分壓平移最終得到采樣芯片需要的電壓。

2.5 基準(zhǔn)模塊

ADR441具有超低噪聲、高精度和低溫度漂移的性能。初始精度為0.04%（1mV），溫度漂移最大值為3ppm/℃，電壓噪聲為1.2uVp-p，長(zhǎng)期穩(wěn)定性為50ppm（1000h）。此部分電路放在恒溫盒中，使其溫度穩(wěn)定在一個(gè)恒定值以保證電壓的高精度。

2.6 恒溫控制模塊

恒溫空控制模塊將高精度器件（AD、DA、放大電路、基準(zhǔn)、晶振等電路）放置其中，保證高精密器件在一個(gè)恒定的環(huán)境當(dāng)中，最大程度地減少了由于溫度的變化給系統(tǒng)帶來的精度的漂移。同時(shí)配合恒溫算法，保證環(huán)境在-40℃～+50℃變化時(shí)，恒溫箱內(nèi)的溫度變化在±1℃，從而達(dá)到保證整個(gè)系統(tǒng)的精度的要求。

2.7 LCD液晶屏模塊

高精度光纖數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)增加了人機(jī)界面——LCD液晶屏，提供相應(yīng)的告警信息和性能信息。LCD液晶屏分四個(gè)顯示狀態(tài)：接收端、發(fā)射端、系統(tǒng)和掉電。

LCD液晶屏是3.2寸TFT彩色液晶觸摸屏，它是一款廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)、電子設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目、手持機(jī)等設(shè)備上的彩色TFT液晶顯示屏，具有3.2英寸顯示面積的同時(shí)兼有240*320的分辨率，采用16位標(biāo)準(zhǔn)8080總線接口方式、色彩支持26萬色使圖像更加細(xì)膩，可以和任何高速系統(tǒng)接口。該屏采用ILI9320為控制芯片為核心的全新原裝面板生產(chǎn)，兼容性強(qiáng)。

3 高精度光纖數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PT側(cè)的發(fā)射端就地將三相電壓信號(hào)進(jìn)行高精度數(shù)字轉(zhuǎn)化，并利用光纖技術(shù)將其傳輸?shù)絻x表側(cè)的接收端，接收端將光纖數(shù)字化的電壓信號(hào)恢復(fù)成與PT側(cè)一致的三相電壓信號(hào)供電能表計(jì)量。

3.1 工作電源去電方便可靠

發(fā)射端采用PT供電，接收端采用交直流110～220V寬范圍供電。

3.2 故障自動(dòng)切換功能

該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無論是發(fā)射端還是接收端出現(xiàn)故障，只要系統(tǒng)檢測(cè)到輸出不正常，接收端即會(huì)自動(dòng)與電能表斷開，并自動(dòng)切換到PT輸出的57.7V或者100V給電能表作為輸入信號(hào)，確保電能計(jì)量不受該系統(tǒng)故障的影響，電能計(jì)量的可靠性僅僅取決于用戶原有的電能表性能，該系統(tǒng)的接入不會(huì)帶來任何不可靠的不利影響。

3.3 故障報(bào)警功能

該系統(tǒng)檢測(cè)到輸出不正常時(shí)，除了自動(dòng)切換外，同時(shí)輸出聲音報(bào)警信號(hào)與一對(duì)干接點(diǎn)信號(hào)，干接點(diǎn)輸出信號(hào)可以接入變電站的控制中心并進(jìn)行遠(yuǎn)傳，通知異地值班人員。

3.4 人機(jī)交互界面

該系統(tǒng)具有人機(jī)交互界面，支持觸摸屏，并可顯示接收端狀態(tài)、發(fā)射端狀態(tài)、系統(tǒng)信息、掉電日志等信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的模擬傳輸裝置中，模擬電壓信號(hào)通過長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸后會(huì)發(fā)生較大的衰減和失真，引起末端電能表輸入電壓信號(hào)產(chǎn)生較大的變比和誤差，造成計(jì)量電能的損失。將PT二次輸出的模擬電壓信號(hào)就地?cái)?shù)字化后采用光脈沖信號(hào)傳輸，能有效避免長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸后引起的計(jì)量電壓衰減和失真，避免了不必要的電量損失。光信號(hào)的傳輸不會(huì)受到周圍電磁場(chǎng)干擾的影響，可靠性高，從而該系統(tǒng)可以解決PT二次壓降引起的各種問題，提高計(jì)量的準(zhǔn)確度。該系統(tǒng)從計(jì)量原理上看，可溯源，可根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電壓信號(hào)和電能計(jì)量的檢驗(yàn)，從而具有法律效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡曉蔚.電壓互感器二次回路電壓降對(duì)電能計(jì)量的影響[J].四川電力技術(shù)，1997，（S1）.

[2] 彭時(shí)雄.交流電能（電功率）測(cè)量綜合誤差的測(cè)試計(jì)算及改進(jìn)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[3] 顏研，張濤，羅承沐，等.一種混合式光電電流互感器的電子線路[J].變壓器，2001，38（11）.

[4] 申?duì)T，王士敏，羅承沐.電子式電流互感器的研制

[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（18）.

[5] 申?duì)T，趙偉，羅承沐，等.一種新型電流互感器校驗(yàn)儀[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（3）.

[6] 申?duì)T，趙偉，羅承沐，等.虛擬儀器技術(shù)在電子式電流互感器研制中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（11）.

作者簡(jiǎn)介：李大勇（1972-），男，寧夏中寧人，國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司中級(jí)工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）