輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容評價系統研究

包玉樹，葉加星，程健林，李士華

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輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容評價系統研究

包玉樹，葉加星，程健林，李士華

摘 要：研發了一種輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容的評價系統，系統基于DDS（直接數字頻率合成）技術，建立一個能同時包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導干擾的綜合電磁環境。用于模擬輸變電一次設備試驗器具的工作環境，對臵于環境中的試驗器具的測試可靠性進行驗證，評價其環境電磁兼容性能。

關鍵詞：輸變電，電磁兼容，DDS

0 引言

隨著我國智能電網的不斷發展，電網的規模逐漸擴大，對電網的安全和自動化能力也提出了更高的要求。在輸變電系統中各種電氣電子設備產生和接受電磁干擾的幾率大大增加。電網輸變電設備檢修維護所采用的各種試驗器具正是在各種強電磁環境下工作，其可靠性會受到電網運行設備的電磁耦合、靜電耦合和電暈輻射的射頻干擾影響。因該類試驗器具的可靠性要求低于電力保護裝置，且考慮到此類試驗器具生產規模小，品類繁多，若按照保護裝置標準《GB/T 14598.20-2007 電氣繼電器第26部分：量度繼電器和保護裝置的電磁兼容要求》進行相關電磁兼容測試，耗費的時間長，成本高，且試驗條件所表征的干擾特征與工作現場電磁環境具有較大差異。目前，我國專門針對輸變電設備試驗器具環境電磁兼容能力的考核和測試方法的研究還是空白，需要進行探討并期望形成相應的標準。

本文中，我們設計了一種專門用于輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容評價的裝置，該裝置具有諧波干擾觸發功能，可以形成同時包含交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾及傳導干擾的綜合電磁環境，用于模擬輸變電一次設備試驗器具工作現場的強磁場環境，通過數據采集和對比分析，對試驗器具的測試可靠性進行驗證，實現對輸變電一次試驗器具環境電磁兼容的評價。該裝置集成度高，體積小，重量輕，使用方便靈活，可替代進口產品。

1 設計目標和功能

針對國內目前在輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容研究方面的空白，設計一種輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容的評價系統。該評價系統由評價裝置和計算機平臺組成，其中評價裝置是系統的核心部分，具有觸發諧波干擾信號、標準輔助信號，高速采樣交流電參數，測試數據分析對比的功能。該系統的特點在于能模擬試驗器具工作現場的復雜電磁干擾環境，對試驗器具的可靠性進行驗證。

2 總體設計

2.1 系統結構設計

輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容評價系統的結構如圖1所示：

圖1 系統結構圖

系統包括3部分：主機（上位機）、評價裝置（下位機）、試驗器具。

主機負責評價方案的制定，具備人機交互功能，負責控制評價裝置的諧波干擾觸發，控制標準信號施加，還負責采集評價裝置和試驗器具的數據，并分析對比、數據保存、通訊管理、報告打印等。

評價裝置是整套系統的核心裝置，負責觸發諧波干擾，參照輸變電一次設備試驗器具的實際工作環境，建立一個同時包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導干擾的綜合電磁環境，將被測試裝置置于此環境內工作，對被測試驗器具施加標準電參數信號進行測試，通過高速采樣獲取并顯示試驗器具的真實數據。

在本系統中，主機與評價裝置和試驗器具的通信采用RS232串口通信的方式。

2.2 裝置硬件設計

2.2.1 硬件結構示意圖

如圖2所示：

圖2 評價裝置硬件結構圖

評價裝置的主要功能模塊包括電源模塊、串口通信模塊、交流電參數高速采樣模塊、信號發生模塊、人機界面模塊、主系統模塊。

評定裝置的工作程序分為兩步，第一步，諧波干擾觸發：評定裝置通過串口通信模塊接收上位機下傳的用戶需要的干擾諧波數據，或者由用戶用外置鍵盤設置所要發生的波形的參數（設置的參數在LCD上顯示），主系統模塊將接收到的數據進行處理，并將處理后的數據輸出給信號發生模塊，信號發生模塊完成信號的生成和調整后輸出給外部的試驗器具，同時交流電參數高速采樣模塊對試驗器具的真實進行采集，傳給主模塊芯片，對兩個數據進行對比分析，完成一次檢驗程序。

2.2.2 主要功能模塊及原理

（1）主系統模塊

主系統采用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208作為主控制芯片，負責所有模塊的數據處理，利用FPGA的可編程片上系統的邏輯資源在其內部定制軟核處理器及所需的各種邏輯電路，信號發生模塊的波形產生和信號回測、高速采樣模塊的數據采樣等都是基于FPGA實現的。

（2）串口通信模塊

與上位機通信，串口通信模塊采用三菱RS232串口通訊模塊QJ71C24N-R2，其優點是穩定性好。

（1）信號發生模塊

信號回測部分包括復合反饋控制放大器模塊和幅度反饋模塊，具體結構在后文中詳述。其工作原理是，產生的基準信號輸入到復合反饋控制放大器模塊，得到大電壓、大電流和大功率信號，反饋模塊用于將放大的信號與基準信號進行比較，誤差反饋至主模塊芯片進行調整，完成信號輸出的閉環控制，從而使輸出值穩定在用戶設定值。

1）DDS工作原理

如一個幅值為1，初相為0的正弦信號可表示為公式（1）：

u(t) = sin(2πf0t) = sinθ(t) （1）

對公式（1）進行采樣，采樣周期為Tc（即采樣頻率為fc），則可得到離散的波形序列為公式（2）：

工科院校教師專業化發展思想的缺失，直接給新教師培訓帶來三大“災難”：學校領導不重視，職能部門不積極，二級教學單位不主動；新教師培訓過程形式化、表面化，違背“教學知識、教學技能、教學能力”逐層遞進發展規律；新教師培訓評價的“教學性”弱化，培訓效果不理想，培訓目標達成度低。

u(n) = sin(2πf0nTc)(n = 0,1,2….) （2）相應的離散相位序列為公式（3）：

θ(n) = 2πf0nTc=?θ.n (n = 0,1,2….) （3）式中為公式（4）：

?θ= 2πf0Tc= 2πf0/fc（4）

是連續兩次采樣之間的相位增量。根據采樣定理為公式（5）：

只要從公式（2）出來的離散序列即可唯一的恢復出公式（1）的模擬信號。從公式（1）可知，相位函數的斜率決定了信號的頻率；從公式（4）可知，決定相位函數斜率的是兩次采樣之間的相位增量?θ。因此，只要控制這個相位增量，就可以控制合成信號的頻率。

現將整個周期的相位2π分成M份，每一份為δ= 2π/ M，若每次的相位增量選擇為δ的K倍，即可得到信號的頻率為公式（6）：相應的模擬信號為公式（7）：

式中K和M都是正整數，根據采樣定理的要求，K的最大值應小于M的1/2。

綜上所述，在采樣頻率一定的情況下，可以通過控制兩次采樣之間的相位增量（不得大于π）來控制所得離散序列的頻率，經保持、濾波之后可唯一的恢復出此頻率的模擬信號。

2）DDS模塊

DDS工作原理框圖如圖3所示：

圖3 DDS基本結構

DDS由相位累加器、波形查詢表、數模轉換器和濾波器組成。

DDS的核心部位是相位累加器，它由一個寄存器和一個加法器構成。加法器的加數是相位寄存器的當前值，而被加數是頻率寄存器的值（也被稱為頻率控制字FSW），它用于實現相位的相加。相位累加器的輸出在每個時鐘上升沿到來時被存放到相位寄存器里，以便進行下一個時鐘的累計和相位尋址，相位寄存器的值也就是相位累加器的輸出。在實際的應用中，相位累加器的位數是有限的，因此一旦其輸出值達到最大值時，相位累加器便會重新循環輸出。

相位累加器的輸出值是和輸出波形的相位有一定關系的FSW累加值，是相位的量化值，不能直接輸出。想要實現波形輸出還需要一個被稱為波形查找表的變換裝置將相位序列碼變換為幅度序列。波形查找表中存儲的是輸出波形在某些相位點上的電壓采樣值，本系統中的波形查找表采用的是ROM，可以通過改變波形查找表中的值來改變輸出波形。

在實際應用中需要的是模擬波形的輸出，因此需要一個能將數字量的幅值編碼轉變成模擬量輸出的器件——數模轉換器。由于數模轉化器輸出的是一個經抽樣電路和保持電路輸出的含有大量雜散頻率和高次諧波的非理想化波形-階梯狀波形，所以必須采用低通濾波器進行濾波，之后便可以獲得比較理想的波形。

3）復合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器

復合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器的作用是將產生的交流信號通過功率放大器放大，使輸出的電壓、電流具有一定的帶負載能力。復合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器的原理方框圖如圖4所示：

圖4 放大器結構圖

從DDS濾波后的交流基準信號先送至幅度控制電路，幅度控制電路主要由16位高精度數字電位器構成，負責完成輸出電量的調解細度。經過幅度調節后的交流電壓信號送至比較器，在此與AGC電路通過輸出端取回的輸出比例信號進行比較（AGC電路主要取輸出量的幅值比例信號，相位信號及部分高頻電信號成份），比較后得出一誤差信號送至功放前級電路放大去驅動功率放大電路，完成升壓或升流及功率放大。功率放大電路放大后的交流信號接至輸出端，輸出信號經過取樣模塊后反饋給矢量采樣模塊。

3）幅度反饋

幅度反饋的原理是將上述輸出信號通過矢量采樣電路和數模轉換后送至主模塊芯片與機內的交流基準信號進行對比，用差值進行閉環控制，確保輸出信號的幅值準確，相位關系不變。因矢量采樣過程也會帶來附加誤差，影響輸出信號的準確度，因此在電壓矢量采樣中，我們采用高穩定性的精密電阻，其溫度系數為 2ppm，比差及角差可達0.002%；在電流矢量采樣中，采用有源補償式電流互感器，這樣可以大大降低激磁誤差，由精密電阻和高精度運算放大器組成電流/電壓變換，使電流互感器次級工作于近似短路狀態，經過I/V變換后的電壓信號就反映了電流的幅值與相位，其附加的比差及角差優于0.005%。經矢量采樣電路采集到的是一個模擬量，不能直接送至主模塊芯片處理，我們采用美信公司生產的DAC MAX1165進行數模轉換。

（2）其他模塊

電源模塊設計采用ALTERA的N6733B模塊化電源，輸出電壓20V，輸出電流5A，輸出功率100W，該模塊性能優越，精度高，反應速度快。電源模塊的電源輸出端并聯連接人機界面的電源輸入端、串口通信模塊的電源輸入端、交流電參數高速采樣模塊的電源輸入端、信號輸出模塊的電源輸入端、主系統模塊的電源輸入端，為各個模塊供電。

交流電參數高速采樣模塊采用海爾利多功能儀表公司生產的PK9015交流電壓電流采集模塊，用于采集被測試驗器具的真實數據。

人機界面模塊包括鍵盤模塊和LCD顯示屏模塊，其中，LCD顯示屏模塊采用三星LTM 121SI-T01LCD顯示屏模塊，屏幕尺寸12.1寸，優點是清晰度高，分辨率為800*600。

2.3 軟件設計

程序流程如圖5所示：

圖5 系統軟件流程圖

用戶在主機上選定測試方案，包括諧波干擾信號類型和輔助測試的標準信號。測試開始，評價裝置接收主機的命令后，向試驗器具發送電磁干擾和輔助測試信號，并在LCD上顯示；同時，評價裝置通過高速采集模塊獲得試驗器具的真實數據，評價裝置可以自己對兩個數據進行比對，也可以上傳至主機，由用戶通過軟件進行分析對比，驗證試驗器具的環境電磁兼容性能，一個循環結束。

3 總結

本文設計了一種輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容的評價系統，包括評價裝置和一套主機。利用最先進的DDS波形合成技術和DSP、FPGA等技術，實現評價裝置的諧波信號觸發功能。并通過復合反饋控制帶采樣的電壓、電流功率放大器設計和信號幅值反饋電路設計，保證觸發信號的高準確度。用該裝置可建立一個同時包括交流和直流的電磁耦合干擾、輻射干擾（電暈放電）及傳導干擾的綜合電磁環境，并對該環境下的試驗器具可靠性進行驗證，在國內首次實現對輸變電一次設備試驗器具環境電磁兼容的評價。

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Research on Electromagnetic Compatibility Evaluation System of the Test Instrument for Power Transm ission and Transformation Equipment

Bao Yushu， Ye Jiaxing， Cheng Jianlin， Li Shihua
（Jiangsu FangTian Electric Technology Company， Nanjing 211102， China）

Abstract:In this paper， it proposed an electromagnetic compatibility evaluation system of the test instruments for power transm ission and transformation equipment based on DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）. This system could establish an integrated electromagnetic environment， which contained AC and DC electromagnetic coupling interference， radiated interference and conducted interference. It could be used to simulate the working environment of the test instrument for power transmission and transformation equipment. This system could be used to verify the reliability and evaluate the electromagnetic compatibility of the test instrument.

Key words:Power Transmission and Transformation； Electromagnetic Compatibility； DDS

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X（2016）05-0050-03

作者簡介：包玉樹（1964-），男，:徐州人，江蘇方天電力技術有限公司總工程師，高級工程師，研究方向：高壓計量，南京，211102；葉加星（1982-），男，南京人，江蘇方天電力技術有限公司工程師，工程師，研究方向：電測計量，熱工計量，南京，211102；程健林（1989-），男，常州人，江蘇方天電力技術有限公司工程師，助工，研究方向：電測計量，熱工計量，南京，211102；李士華（1983-），男，徐州人，江蘇安方電力科技有限公司工程師，工程師，研究方向：電能質量治理，泰州市，225300。

收稿日期:（2015.09.25）