CN101403789B - 高压三相组合互感器检定标准装置 - Google Patents

Abstract

一种高压三相组合互感器检定标准装置，属用于电能计量和电流测量的电子检定装置。包括单片机，A/D转换器，前置电路，以及380V三相电源；三个升流器与三相电源作星形连接、且与一个补偿调节线圈的补偿绕组Ns并联，补偿调节线圈的二级绕组与标准电流互感器的一级绕组串联；三个升压器与三相电源作三角形连接、且与一个补偿调节线圈的补偿绕组Y并联，该补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电压互感器的一级绕组并联，标准电流互感器和标准电压互感器的二级绕组均用于连接被测三相组合式互感器。它能模拟互感器的实际运行状态，并在此状态下进行检定试验，正确地反映三相互感器的真实误差与相关性能。

Description

高压三相组合互感器检定标准装置 

技术领域

本发明涉及一种电能计量检定标准装置，特别是用于高压三相组合互感器在模拟其实际运行状态下的计量误差性能、温升性能的检定及其试验的电能计量检定装置。 

背景技术

目前35kV及以下电压等级的三相组合式互感器(计量箱)已大量的运用，而该类设备大多安装于大用户和专用台变作关口计量用，其质量性能的好坏直接关系到电能计量的准确性，同时也影响电力部门的安全运行生产，因此必须对其进行检定试验，以保证其质量和计量准确。国家有关部门于2004年8月1日实施的JB/T10432-2004《三相组合式互感器》标准中明确规范了三相组合互感器的试验方法，指出，三相组合互感器的误差试验、温升试验及相互干扰试验均应在施加三相电压和三相电流的情况下进行，而目前国内各测试机构均没有适用于该项目的装置，产品试验均在单相电源下用单相标准分别进行检定，而三相组合互的制造厂家也只用单相法来进行各相的误差检定及相关试验(附图1)，二者都不符合现行国家有关标准的要求，同时，使出厂试验和计量检定都不符合产品的使用条件，因而带来检测误差，特别是影响到电能贸易结算的公平公正性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种高压三相组合互感器检定标准装置，以在模拟实际运行状态下，对高压三相组合互感器进行电能计量检定、反映其真实误差与相应性能的电子装置。 

本发明的目的是这样实现的：一种高压三相组合互感器检定标准装置，包括单片机，A/D转换器，前置电路，还具有可编程逻辑控制器GAL以及数据锁存器；数据锁存器连接在单片机与A/D转换器之间，前置电路与A/D转换器连接，可编程逻辑控制器的信号输入端与DSP的信号输出端连接，可编程逻辑控制器的信号输出端分别与数据锁存器以及A/D转换器连接；升流器及标准电流互感器，升压器及标准电压互感器，其特征是：还具有380V三相电源；所述升流器为三个，三个升流器的三个一级绕组与三相电源作星形连接、且每个升流器的一级绕组分别与一个补偿调节线圈的补偿绕组Ns并联，补偿绕组上有多个抽头，补偿调节 线圈的二级绕组与所述标准电流互感器的一级绕组串联；所述升压器为三个，三个升压器的三个一级绕组与三相电源作三角形连接、且每个升压器的一级绕组分别与一个补偿调节线圈的补偿绕组Y并联，补偿绕组上有多个抽头，该补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电压互感器的一级绕组并联，标准电流互感器和标准电压互感器的二级绕组均用于连接被测三相组合式互感器。 

本发明三相互感器校验仪由三台单相互感器校验仪通过电路组合，并由软件程序进行控制，计算而成。其中采用的关键技术有：1、应用dsp技术的高速数字信号处理器芯片F206，其处理速度指令周期达到了ns级，比普通单片机的ms级快了3个数量级；2、采用了fft技术。区别于现有单相互感器校验仪，采用fft算出比差和角差，避免了硬件电路随频率、温度、时间以及湿度对数据造成的影响，提高了测试稳定性和精度；3、采用高速高精度的AD采样。电路中使用了MAX125的8通道高速14位模/数来进行多通道的连续转换，通过合理的电路设计，采样速率可达100kS/s，满足了系统的实时性要求。 

本发明的有益效果是： 

1、能够保证电能计量的准确性，符合国家JB/T10432-2004《三相组合式互感器》标准。一是，对被试品而言，完全是模拟了其实际工作状态，在这样的条件下作误差检定和温升试验是最符合现实情况的，能够保证被试品用于电能计量的准确性；二是，针对三相电压的不平衡，在升流器和升压器部分增设了补偿调节线圈，很好地解决了三相电源不平衡的问题，提高了电能计量的准确性；三是，对负荷电流、补偿电流、电源电流和送变器直流侧的电容器电压等信号进行了高速度高精度的采样以及采用fft(快速傅立叶变换)技术，计算比差，角差，避免了硬件电路随频率、温度、时间、湿度对数据造成影响，如采用阻容移相来测试角差，电容随温度、频率影响较大，从而提高了测试的稳定性和精度。 

2、本装置在电能计量领域具有很大的推广意义。 

附图说明

图1是现有单相法从电流参数和电压参数检定三相互感器的原理框图； 

图2是本发明三相法检定三相互感器(即高压三相组合互感器)的原理框图； 

图3是图2所示升流器、补偿调节线圈以及标准电流互感器的电路图； 

图4是图2所示升压器、补偿调节线圈以及标准电压互感器的电路图； 

图5是电脑芯片采集通道的原理框图； 

图6是定时器周期中断服务的程序流程图； 

图7是互感器测试回路中信号处理的原理框图； 

图8是图7所示信号处理的电路图； 

图9是图8所示DSPF206进行fft运算的程序流程图。 

具体实施方式

图2示出，高压三相组合互感器检定标准装置，包括单片机，A/D转换器，前置(采样)电路，升流器及标准电流互感器，升压器及标准电压互感器，还具有380V三相电源；所述升流器为三个，三个升流器的一级绕组分别与三相电源作星形连接、且与一个补偿调节线圈的补偿绕组Ns并联，补偿绕组上有多个抽头，补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电流互感器的一级绕组串联；所述升压器为三个，三个升压器的一级绕组分别与三相电源作三角形连接、且与一个补偿调节线圈的补偿绕组Y并联，补偿绕组上有多个抽头，该补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电压互感器的一级绕组并联，标准电流互感器和标准电压互感器的二级绕组均用于连接被测三相组合式互感器(参见图3图4)。可以通过对补偿绕组的抽头进行调整，以解决三相电压不平衡的问题。补偿调节线圈的二级绕组与标准电流互感器的一级绕组以及补偿调节线圈的二级绕组与标准电压互感器的一级绕组的耐压等级均为42KV高电压。参见图5图7，单片机采用DSPF206，A/D转换器采用8通道高速14位A/D转换器MAX125；还具有可编程逻辑控制器GAL以及数据锁存器；数据锁存器连接在单片机与A/D转换器之间，可编程逻辑控制器的信号输入端与DSP的信号输出端连接，可编程逻辑控制器的信号输出端分别与数据锁存器以及A/D转换器连接。单片机DSPF206还连接有用于显示三相互感器误差的显示器以及通讯模块。 

图2是本发明装置的原理框图。三相互感器校验仪安装在检定装置中，装置同时输出控制三相电流和三相电压给标准电流互感器和标准电压互感器，在三相法的检定线路里，也同时将三相电流和三相电压加在了被试品上。另外，对于组合互感器的二次负载，装置里带有三相的电流负载箱和三相电压负载箱，可以按三相三线与三相四线方式进行接线，满足星形和开口三角形或者三角形的二次负载接线。 

图3和图4中的升流源和升压源中的补偿调节线圈，做为对三相不平衡电流源和三相不平衡电压源的调节补偿，以保证三相电源的对称度。图3中升流器初 级绕组(即一级绕组)L1，次级绕组(即二级绕组)与标准电流互感器的初级绕组结合在一起形成S1。虚线以内部分显示该部分均处于能承受42kV的高电压。 

图4中全绝缘升压器初级绕组(即一级绕组)Y1，补偿绕组，升压器次级绕组(即二级绕组)Y2，标准电压互感器P1，初级绕组P2。虚线以内部分显示该部分均处于能承受42kV的高电压。 

参见图7图8，互感器测试回路中的K、D、A、X和TO、TX信号送入校验仪之后，经过两级保护滤波电路OP07之后，被送入A/D转换器MAX125(U14)中，进行数模转换后生成的数字量被送入DSP F206(U19)中进行FFT运算和信号分配，运算后得到的数据再由F206分配送往显示、控制、通讯等芯片。 

本发明高压三相互感器检定试验的标准装置。用于作电能计量和电气测量的三相组合互感器和三相电压互感器误差检定，温升试验，相互影响试验。该三相装置的主要技术创新是：1、研发了一种三相互感器校验仪，它能够在用三相法的检定线路里，快速同时地进行三相电流互感器和三相电压互感器的误差测试，提高了工作效率。2、采用了一种可以在35kV及以下电压等级运行的升流电源和标准电流互感器为一体的集成系统，其特点是：a.考虑到三相电源的不平衡等问题对检定试验的影响，可以调节各相间的电流幅值差。b.升流源与标准电流互感器有机地结合，这样不仅体积小集成度高，减少了试验接线，还可减少电流返回导体的磁性干扰，同时将其全部置于高电压下，可以真实模拟运行状态的实际情况。3、三相高压电压源和标准电压互感器采用全绝缘方式，其特点是不仅可以针对全绝缘产品，而且适用于半绝缘产品；不仅可以组成星形接线方式，还可组成开口三角形和三角形接线方式，并且针对三相电压的不平衡，增设了补偿调节功能。4、三相互感器检定试验标准装置的调节控制试验台。其特征三相调压器在台体内独立分离，用轻触键系统控制，使得台体外观美观大方，更主要的是方便运行维护与检修。 

本装置的特点： 

1、采用dsp技术 

F206是TI公司近年推出的一种性价比较高的定点DSP芯片，它的主要特点有：1、采用静态CMOS集成工艺制作而成先进的哈佛结构，使得程序和数据存储器独立编址、独立访问两条总线，可允许数据与指令的读取同时进行，从而使数 据的吞吐率提高了一倍。高度专业化的指令系统提供了功能强大的信号处理，操作闪速存储器内嵌于DSP中，可减小系统体积，提高系统稳定性，而且毋需专门的编程器XDS510，仿真器即具有编程功能从而减少了开发成本，F206为100引脚的TQFP正方扁平封装体小质轻适于便携式仪器的设计。 

F206用一个16*16的硬乘法器来进行有符号或无符号数的乘法运算积为32，位乘累加指令仅需一个机器周期(20M时钟时为50ns)而在51及196等普通单片机中乘法需利用软件实现执行时间为ms级，F206地址映射分为4个可独立选择的空间：64k字程序存储器，64k字本地数据存储器，32k字全局数据存储器，64k字的I/O空间。 

由于与目标系统之间采用了JTAG逻辑扫描电路接口基于IEEE1149.1标准，从而可真正做到完全的硬件仿真在仿真时不占用硬件资源，且可随时察看CPU内部及外设的工作情况，为程序的调试和除错带来极大方便。 

F206具有两片16K的片上零等待FLASH存储器，用来存放程序和系数。这样提高了程序指令的读取速度，此外F206具有的逆向进位寻址和乘加指令等特点，可以提高程序的编写效率和缩短程序的执行时间。 

2、采用fft技术 

区别于现在普通单相校验仪，采用fft算出比差、角差，避免了硬件电路随频率、温度、时间、湿度对数据造成影响。特别是现在许多校验仪采用阻容移相来测试角差，电容随温度、频率影响较大，而采用fft纯软件算法就可以避免上述问题，提高测试稳定性和精度。 

傅里叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式。是声学、图像、电信和信号处理等领域中一种重要的分析工具。其中，离散傅里叶变换(DFT)更是数字信号处理领域不可缺少的工具之一，特别是快速傅里叶变换(FFT)的出现使得DFT在实际应用中得到了广泛的应用。FFT算法就是不断地把长序列的DFT逐次分解为几个短序列的DFT，并利用的周期性和对称性来减少DFT的运算次数这一基本原理来加快运算速度的。 

一般高基数FFT算法要比低基数FFT算法运算量要小，计算速度要快，但需要具有更强大的数据并行处理能力的器件支持且编程难度也增大了。 

工频信号经过傅立叶正交分解，分别得到正弦分量和余弦分量，以电压为例：

        (1) 

式中，U1—输入基波电压的有效值；Un—各次谐波分量的有效值； 

    (2) 

ω—角频率；        1—基波相角； 

n—n次谐波相角，n＝2，3……；T—周期。 

显然，基波电压的有效值U1和相角φ1分别为：  $U_1=\sqrt{a_1^2+b_1^2},$ ${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{b_1}{a_1}\right)$ (3) 

同理可得基波电流的有效值I1和相角θ1，即： 

$I_1=\sqrt{a_2^2+b_2^2},$ ${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{a_2}{b_2}\right)$

3、采用高速高精度ad采样 

MAX125是8通道高速14位模/数转换器，它内设采样/保持器(T/H)，单次转换时间为3μs，通过对MAX125写控制字，可以使之工作于单通道转换，也可以使之工作于多通道的连续转换，且其转换数据具有缓冲功能，DSP可以方便地读取，MAX125采用双极性供电，输入电压范围为±5V，转换器的最高输入过电压高达±17V，而且某个通道的损坏不会影响整个电路的正常工作，MAX125较好地满足了精度要求，通过合理的控制电路设计，该数据采集通道能较好地满足系统的实时性要求。 

MAX125的工作时序：每个CONVST脉冲启动1—4个T/H转换，MAX125初始化后，设置工作模式为0X0002，系统利用2个MAX125的CH1A、CH2A、CH3A通道分别对三相电压和三相电流进行转换，即每个MAX125只有3个通道需要转换，每个通道的转换时间为3μs，转换三个通道需要9μs，采样速率最高为100kS/s。 

通过CONVST脉冲启动MAX125的转换，大约9μs后，3个通道转换完毕，产生1个中断信号，中断信号传送到可编程逻辑控制器(GAL)中，由GAL通知DSP读取采样数据，同时GAL给MAX125的RD引脚施加读脉冲，3个连续的读操作可以读取3个连续的数据，图5示出采集通道的原理框图。

MAX125拥有A、B2组信号输入端，每组4个输入通道，内置4路采样保持器，在实际应用中分别采集负载电流、补偿电流、电源电流。MAX125可以和DSP并行工作以减轻DSP的工作负担，电路原理如图5所示。 

参见图9，一种高压三相组合互感器检定标准装置中对电流式电压量值进行傅立叶变换的程序，其特征是：按以下步骤进行： 

程序开始；输入要进行傅立叶变换的电流或电压量值序列以及要进行分解的基数M；得出需要进行快速傅立叶变换的运算次数N；进行分解后的快速傅立叶变换，得到基波以及直到M次谐波的傅立叶变换式；结束运算，输出结果。

Claims (4)

1.一种高压三相组合互感器检定标准装置，包括单片机，A/D转换器，前置电路，还具有可编程逻辑控制器GAL以及数据锁存器；数据锁存器连接在单片机与A/D转换器之间，前置电路与A/D转换器连接，可编程逻辑控制器的信号输入端与DSP的信号输出端连接，可编程逻辑控制器的信号输出端分别与数据锁存器以及A/D转换器连接；升流器及标准电流互感器，升压器及标准电压互感器，其特征是：还具有380V三相电源；所述升流器为三个，三个升流器的三个一级绕组与三相电源作星形连接、且每个升流器的一级绕组分别与一个补偿调节线圈的补偿绕组Ns并联，补偿绕组上有多个抽头，补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电流互感器的一级绕组串联；所述升压器为三个，三个升压器的三个一级绕组与三相电源作三角形连接、且每个升压器的一级绕组分别与一个补偿调节线圈的补偿绕组Y并联，补偿绕组上有多个抽头，该补偿调节线圈的二级绕组与所述标准电压互感器的一级绕组并联，标准电流互感器和标准电压互感器的二级绕组均用于连接被测三相组合式互感器。

2.根据权利要求1所述高压三相组合互感器检定标准装置，其特征是：所述补偿调节线圈的二级绕组与标准电流互感器的一级绕组以及补偿调节线圈的二级绕组与标准电压互感器的一级绕组的耐压等级均为42KV高电压。

3.根据权利要求1或2所述高压三相组合互感器检定标准装置，其特征是：所述单片机采用DSPF206，A/D转换器采用8通道高速14位A/D转换器MAX125。

4.根据权利要求3所述高压三相组合互感器检定标准装置，其特征是：所述单片机DSPF206还连接有用于显示三相互感器误差的显示器以及通讯模块。

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