高精度光纖數字轉換系統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，文章提出了改用數字方式傳輸信號，在PT側的發射端就地將模擬電壓信號進行數字化轉換，并利用光纖技術將其傳輸到儀表側的接收端，再通過接收裝置將數字化的電壓信號恢復成與PT側完全一致并能供電能表計量的模擬電壓信號，基于以上的原理設計高精度光纖數字轉換系統的主要模塊及具體方案。

關鍵詞：PT二次回路；壓降問題；模擬電壓信號；數字化轉換；高精度 文獻標識碼：A

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

根據《電能計量裝置技術管理規程》（DL/T448-2000）的規定：“電壓互感器二次回路電壓降，對Ⅰ類計費用計量裝置，應不大于額定二次電壓的0.2%；其他計量裝置，應不大于額定二次電壓的0.5%。”

電能計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量誤差所組成。其中，PT二次回路壓降（簡稱二次壓降）引起的計量誤差往往是最大的，所以消除或減小二次壓降，保證計量裝置的精度是不容輕視的問題。在電力系統中，電能計量會存在一些誤差。根據多處電網普查測試的結果，電壓互感器（PT）二次導線壓降引起的計量誤差是最大的。由于PT二次信號需要較長的電纜傳輸到控制室接到電能表，長距離傳輸會產生很大的壓降，也就產生了很大的誤差。這個誤差為負誤差，會對電力公司造成很大的經濟損失。

1 系統架構

高精度光纖數字轉換系統是針對PT二次回路存在的壓降問題所開發的設備。本設備由發射端和接收端兩部分組成，發射端完成的是信號的采集處理，接收端完成的是信號的還原。

本系統的基本原理為：57.7V的PT相電壓（或100V的PT線電壓）經過發射端的分壓電阻取樣為低壓的電壓信號，經過信號調理后送至A/D模數轉換器，模數轉換器將模擬電壓信號轉換為高精度的數字信號，傳給ARM處理器，處理器將三路電壓數據經過零位校正、幅值校正、相位校正、對稱度校正后復合成一路數字信號并經過光纖傳送給接收端。接收端將接收到的數據進行解碼，分析出三路數據，再將三路數據送給D/A芯片進行數模轉換。數模轉換后的電壓信號經高電壓運算放大電路進行放大，放大得到的信號即是和我們的PT輸入電壓完全相同的輸出電壓。此外還設計了專門的故障檢測電路，用于在設備發生故障的時候將設備的輸出及時切換到二次線路上。

2 系統主要模塊介紹

2.1 電源模塊

發射端電源模塊給整個系統提供所需電壓，發射端的整板功率很小，采用從PT直接取電。發射端的功耗也很小，輸入電壓為50Hz的交流電源，所以采用工頻變壓器供電。因為OpticX-200有軟件監控和診斷功能，為了能夠檢測到發射端掉相或者缺相，發射端電源部分沒有用一個單獨的變壓器而是采用了三個變壓器。

選擇型號為70V/12V、1W、50Hz的變壓器，變壓器將從PT側取到的電壓通過變壓器變壓，然后通過DB107S整流橋進行整流得到12V的直流電壓。MP2359為DC-DC芯片，將整流后的電壓降壓變為5V。

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

采用UC2842，它內部集成開關管，外圍元件簡單，能夠提供20W的輸出功率。設計電源為正負110V，正負8V四路電壓輸出。正負110V輸出電流為60mA，正負8V輸出電流為200mA。正負8V再通過LM7805和LM7905穩壓到正負5V。

接收裝置具有電源自動切換保護功能，正常工作情況下，開機自動設定為UPS輸出的AC220V供電，當檢測到UPS電源失效時，裝置輸出自動切換到PT輸出的57.7V（三相四線）或100V（三相三線）；當交流220V電源恢復正常時，裝置自動轉換至交流220V供電。

2.2 CPU模塊

PT電壓經過分壓電阻送至A/D模數轉換芯片。將模擬電壓轉換為高精度的數字信號，傳給ARM處理器，處理器將三路電壓數據經過相位調整后復合成一路數字信號并經過光纖傳送給接收端。接收端將接收到的數據進行分離，分離出三路數據，在將三路數據分別進行零位、幅值、對稱度、相位微調。

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M3內核。發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電壓經過分壓電阻送至A/D模數轉換芯片。將模擬電壓轉換為高精度的數字信號，傳給ARM處理器。

OpticX-200A/D轉換芯片采用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位模數轉換器，選用74LVC1G3157模擬開關，在采樣數據前通過三個模擬開關進行通道選擇，這三個開關通過CPU的I/O進行控制。CPU通過I/O口控制三個開關來選擇通道，然后一相一相來采樣處理數據。ADC處理完的數據通過SPI接口傳給CPU。

2.4 放大電路模塊

放大電路模塊把D/A芯片數模轉換后的信號放大后輸出，將信號放大為與輸入信號相同幅值的信號之前，放大電路可以通過調整放大倍數補償幅值誤差等。

OpticX-200的電源基準為ADR441，通過電壓基準將得到穩定的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，長期穩定性為50ppm（1000h）。此部分電路放在恒溫盒中，使其溫度穩定在一個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、晶振等電路）放置其中，保證高精密器件在一個恒定的環境當中，最大程度地減少了由于溫度的變化給系統帶來的精度的漂移。同時配合恒溫算法，保證環境在-40℃～+50℃變化時，恒溫箱內的溫度變化在±1℃，從而達到保證整個系統的精度的要求。

2.7 LCD液晶屏模塊

高精度光纖數字轉換系統增加了人機界面——LCD液晶屏，提供相應的告警信息和性能信息。LCD液晶屏分四個顯示狀態：接收端、發射端、系統和掉電。

LCD液晶屏是3.2寸TFT彩色液晶觸摸屏，它是一款廣泛應用于單片機系統、電子設計大賽項目、手持機等設備上的彩色TFT液晶顯示屏，具有3.2英寸顯示面積的同時兼有240*320的分辨率，采用16位標準8080總線接口方式、色彩支持26萬色使圖像更加細膩，可以和任何高速系統接口。該屏采用ILI9320為控制芯片為核心的全新原裝面板生產，兼容性強。

3 高精度光纖數字轉換系統設計方案

PT側的發射端就地將三相電壓信號進行高精度數字轉化，并利用光纖技術將其傳輸到儀表側的接收端，接收端將光纖數字化的電壓信號恢復成與PT側一致的三相電壓信號供電能表計量。

3.1 工作電源去電方便可靠

發射端采用PT供電，接收端采用交直流110～220V寬范圍供電。

3.2 故障自動切換功能

該系統運行過程中，無論是發射端還是接收端出現故障，只要系統檢測到輸出不正常，接收端即會自動與電能表斷開，并自動切換到PT輸出的57.7V或者100V給電能表作為輸入信號，確保電能計量不受該系統故障的影響，電能計量的可靠性僅僅取決于用戶原有的電能表性能，該系統的接入不會帶來任何不可靠的不利影響。

3.3 故障報警功能

該系統檢測到輸出不正常時，除了自動切換外，同時輸出聲音報警信號與一對干接點信號，干接點輸出信號可以接入變電站的控制中心并進行遠傳，通知異地值班人員。

3.4 人機交互界面

該系統具有人機交互界面，支持觸摸屏，并可顯示接收端狀態、發射端狀態、系統信息、掉電日志等信息，實現系統狀態的實時監測和運行維護。

4 結語

在傳統的模擬傳輸裝置中，模擬電壓信號通過長導線傳輸后會發生較大的衰減和失真，引起末端電能表輸入電壓信號產生較大的變比和誤差，造成計量電能的損失。將PT二次輸出的模擬電壓信號就地數字化后采用光脈沖信號傳輸，能有效避免長導線傳輸后引起的計量電壓衰減和失真，避免了不必要的電量損失。光信號的傳輸不會受到周圍電磁場干擾的影響，可靠性高，從而該系統可以解決PT二次壓降引起的各種問題，提高計量的準確度。該系統從計量原理上看，可溯源，可根據國家的標準進行電壓信號和電能計量的檢驗，從而具有法律效應。

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作者簡介：李大勇（1972-），男，寧夏中寧人，國網寧夏電力公司銀川供電公司中級工程師。

（責任編輯：周 瓊）