基于dsPIC30F6010單片機(jī)的PT二次回路壓降測(cè)試儀研制

孫進(jìn)輝

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 訓(xùn)練部, 河北 廊坊 065000)

基于dsPIC30F6010單片機(jī)的PT二次回路壓降測(cè)試儀研制

孫進(jìn)輝

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 訓(xùn)練部, 河北 廊坊 065000)

敘述了三相三線電路有功電能的測(cè)量原理和計(jì)量誤差,介紹了一種以dsPIC30F6010單片機(jī)為核心、基于測(cè)差法原理測(cè)量電壓互感器二次壓降的便攜式智能儀器的結(jié)構(gòu),并給出了該測(cè)試儀的硬件框圖及軟件流程圖。提高了二次壓降測(cè)量的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性,測(cè)量方便、準(zhǔn)確、快捷。

電壓互感器； PT二次壓降； 測(cè)差法； 計(jì)量

電能計(jì)量裝置包括電能表、互感器和二次回路接線等,其綜合誤差將由電能表本身誤差、電流互感器(CT)的合成誤差、電壓互感器(PT)的合成誤差和PT二次導(dǎo)線壓降引起的計(jì)量誤差組成[1]。本文對(duì)PT 二次導(dǎo)線壓降所引起的計(jì)量誤差進(jìn)行分析,因?yàn)榇隧?xiàng)誤差可以通過(guò)一些技術(shù)改進(jìn)措施予以降低[2]。針對(duì)這一問(wèn)題,許多有關(guān)資料介紹了一些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算方法,本文為順應(yīng)電能計(jì)量裝置管理的要求和技術(shù)的不斷進(jìn)步,結(jié)合實(shí)際、 參考有關(guān)資料，提出一種新型的簡(jiǎn)易實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器確定PT二次導(dǎo)線壓降及其引起的計(jì)量誤差大小。

1 當(dāng)前測(cè)試儀器測(cè)量方法的分析

目前,對(duì)PT二次導(dǎo)線壓降的測(cè)試方法主要可分為直接測(cè)差法和間接測(cè)量法兩大類[3]。

1.1 直接測(cè)差法

直接測(cè)差法有小量限高內(nèi)阻電壓表法、相位伏安表法和互感器校驗(yàn)儀法等,其中互感器校驗(yàn)儀法采用測(cè)差原理,準(zhǔn)確度高、儀器成本低、體積小、功能齊全、攜帶方便,同時(shí)也是在現(xiàn)有的各種方法中是最準(zhǔn)確的測(cè)量方法之一,因此在實(shí)際測(cè)量中被廣泛采用[3-6]。但其缺點(diǎn)也很突出,需由控制室配電盤(pán)單獨(dú)引出長(zhǎng)電纜線至變電站,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安全隱患大,而且當(dāng)線纜超過(guò)200 m時(shí),需要對(duì)零位誤差進(jìn)行自校修正。

1.2 間接測(cè)量法

間接測(cè)量法包括高準(zhǔn)確度電壓表法、無(wú)線監(jiān)測(cè)儀法和某些國(guó)外廠家采用的負(fù)荷比較法等。其中無(wú)線監(jiān)測(cè)儀法采用調(diào)制解調(diào)原理以及GPS,由主機(jī)與輔機(jī)兩部分組成,分別安裝于電能表側(cè)與電壓互感器側(cè)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不需另敷設(shè)臨時(shí)長(zhǎng)電纜線，缺點(diǎn)是由于電力系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境及電磁干擾信號(hào)復(fù)雜等限制,準(zhǔn)確度難以提高,不能滿足測(cè)量要求,一般不采用。

2 基本測(cè)試原理分析

在實(shí)際供電線路中,由于計(jì)量電能表往往安裝運(yùn)行于遠(yuǎn)離電壓互感器的控制室配電盤(pán)上, 它們之間通過(guò)電纜連線、端子排接觸、熔絲、中間繼電器、空氣小開(kāi)關(guān)等相連,而這些器件均會(huì)造成PT 二次端電壓與電能表端電壓在幅值和相位上的不相同,增大對(duì)電能表的綜合影響,造成電能計(jì)量裝置的誤差增大[2,7]。PT二次導(dǎo)線壓降及由它帶來(lái)的計(jì)量誤差的大小取決于二次導(dǎo)線電阻、PT二次接線的方式、二次負(fù)載的大小(即二次電流的大小)、性質(zhì)(負(fù)載的功率因數(shù))等二次回路參量。下面以一種常見(jiàn)的接線方式下即PT二次負(fù)載為V形接法為例,且a、b相和c、b相負(fù)載均衡,三相導(dǎo)線電阻相等的情況下,分析電能測(cè)量原理和測(cè)量誤差的產(chǎn)生。

2.1 三相三線電路有功電能的測(cè)量原理

本文以PT二次V/V型接線計(jì)量回路中采用三相兩元件有功電度表與60°型三相兩元件無(wú)功電度表聯(lián)合接線方式為例加以闡述[8]。三相有功、無(wú)功電度表接線原理見(jiàn)圖1。圖2為PT帶負(fù)荷等效電路。

圖1 三相有功、無(wú)功電度表接線原理圖

圖2 PT 帶負(fù)荷等效電路圖

由交流電路的理論可以知道, 無(wú)論三相電路對(duì)稱與否,三相電路的瞬時(shí)功率P總是等于各相瞬時(shí)功率之和。如果負(fù)載連成星形情況, 則有

P=PA+PB+PC=uAiA+uBiB+uCiC

(1)

在三相三線電路中有

iA+iB+iC=0

把iB代入P的表達(dá)式中后得:

(2)

瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值, 就是三相電路的平均功率:

(3)

當(dāng)三相電路完全對(duì)稱時(shí)三相總功率為

(4)

由圖1可知, 有功表的2個(gè)元件接線方式為[Uab,Ia] , [Ucb,Ic] , 所以能正確計(jì)量有功電能。

2.2 三相三線制接線時(shí)計(jì)量誤差分析

本文只以三相三線接線為例進(jìn)行分析,三相四線接線與三相三線接線的分析方法類似。V形連接的2臺(tái)單相PT和負(fù)載的接線見(jiàn)圖3。二次回路電壓和電流矢量圖見(jiàn)圖4。

圖3 V形連接的兩臺(tái)單相PT和負(fù)載的接線圖

圖4 一個(gè)元件的二次回路電壓、電流矢量圖

由圖4可以看出,a 、b相之間的二次回路壓降為

Ia·r+(Ia+Ic)·r=2Ia·r+Ic·r

同理,c、b相間的二次回路壓降為

Ic·r+(Ia+Ic)·r=2Ic·r+Ia·r

由于二次壓降引起的幅值誤差(Δfab) 和相角誤差(Δδab) 較小,可以分別近似地表示為:

(5)

(6)

同理可以求出b、c 相之間的二次回路壓降引起的幅值誤差和相角誤差分別為:

(7)

(8)

將PT二次回路壓降引起的附加誤差計(jì)入PT本身的比差和角差,則它們對(duì)三相三線制電路的功率和電能計(jì)量的綜合誤差εr可以按電壓互感器比差和角差合成的公式來(lái)計(jì)算:

[0.289(fcb-fab)-0.0145

(9)

式中φ為一次負(fù)載功率因數(shù)角。

3 一種新型的PT二次壓降測(cè)試儀器

該測(cè)試儀吸取了間接測(cè)量使用方便的優(yōu)點(diǎn)和直接測(cè)量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn),可以測(cè)量三相三線及三相四線電壓互感器二次導(dǎo)線壓降,而且還可以進(jìn)一步測(cè)量由于二次壓降所引起的電能計(jì)量誤差,并可以通過(guò)全中文操作的大屏幕液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)和間接計(jì)算數(shù)據(jù),因此也更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9-10]。應(yīng)用了改進(jìn)的正交分解測(cè)量平臺(tái)技術(shù),內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)自校信號(hào)源,使得儀器具有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度及長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。該儀器還具有較高的準(zhǔn)確度和讀數(shù)分辨率,所有測(cè)量數(shù)據(jù)都能夠通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示；具有接線錯(cuò)誤自動(dòng)提示功能,儀器自身具有多重保護(hù)確保使用安全；可以自動(dòng)根據(jù)誤差大小進(jìn)行量程切換,可自動(dòng)修正數(shù)據(jù)以消除導(dǎo)線、隔離互感器及現(xiàn)場(chǎng)干擾帶來(lái)的誤差,故使用操作十分方便。

3.1 本測(cè)試儀器的總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

該測(cè)試儀是由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成,主機(jī)內(nèi)部嵌入了一個(gè)與從機(jī)完全相同的輔機(jī)模塊。在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí),主機(jī)位于計(jì)量?jī)x表側(cè),向輔機(jī)和從機(jī)發(fā)送控制命令并接收輔機(jī)和從機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù),計(jì)PT二次側(cè)至計(jì)量?jī)x表側(cè)線路上的壓差和角差,通過(guò)大屏幕液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)和間接計(jì)算數(shù)據(jù),并可以通過(guò)USB通信接口隨時(shí)將測(cè)得的有效數(shù)據(jù)移植到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行收集、整理及存儲(chǔ),當(dāng)主機(jī)發(fā)現(xiàn)輔機(jī)和從機(jī)的采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間不同步時(shí),及時(shí)地向輔機(jī)和從機(jī)下發(fā)對(duì)時(shí)命令以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的同步；輔機(jī)能夠與主機(jī)通信,能夠接收主機(jī)命令對(duì)計(jì)量?jī)x表側(cè)電壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送到主機(jī)。從機(jī)位于PT出口側(cè),結(jié)構(gòu)與輔機(jī)完全一致,能夠接收主機(jī)命令對(duì)PT出口側(cè)電壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送到主機(jī)[11]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 輔機(jī)和從機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輔機(jī)和從機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全一致,設(shè)計(jì)中采用16位dsPIC30F6010微處理器和高精度的16位A/D采樣芯片AD677的有機(jī)組合。輔機(jī)/從機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 輔機(jī)/從機(jī)內(nèi)部主要功能結(jié)構(gòu)圖

dsPIC30F6010微處理器采用16位(數(shù)據(jù))改良過(guò)的哈佛架構(gòu),它充分融合了高性能16位MCU的控制優(yōu)勢(shì)和完全能實(shí)現(xiàn)的DSP的高運(yùn)算速度,從而形成了適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的緊密結(jié)合的單芯片單指令流解決方案[12-15]。同時(shí),配以16位A/D采樣芯片AD677進(jìn)行模擬信號(hào)采集,從而提高測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性。輔機(jī)/從機(jī)程序流程見(jiàn)圖7。

圖7 輔機(jī)/從機(jī)程序流程圖

3.1.2 主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主機(jī)采用三星公司ARM9內(nèi)核的S3C2410處理器,結(jié)合uClinux操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能[15]。該處理器是一款價(jià)格低、功耗低、性能高的16/32位系統(tǒng)微處理器,接口資源豐富。嵌入式uClinux是應(yīng)用廣泛的嵌入式操作系統(tǒng),其源代碼開(kāi)放,穩(wěn)定性與安全性高,并有大量實(shí)用軟件的支持。該系統(tǒng)通過(guò)RS485的現(xiàn)場(chǎng)總線方式對(duì)輔機(jī)和從機(jī)下發(fā)控制命令以及實(shí)時(shí)地收集輔機(jī)和從機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù),并將處理結(jié)果送顯示器顯示,同時(shí)將有效數(shù)據(jù)保存到SDRAM中,并可以通過(guò)USB口將測(cè)得的有效數(shù)據(jù)移植到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行收集、整理及存儲(chǔ)。主機(jī)的內(nèi)部主要功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 主機(jī)內(nèi)部主要功能結(jié)構(gòu)圖

該測(cè)試儀主要的技術(shù)難點(diǎn)在于輔機(jī)和從機(jī)的采樣同步設(shè)計(jì)上。在1個(gè)測(cè)量周期內(nèi),主機(jī)首先下發(fā)啟動(dòng)A/D采樣命令,輔機(jī)和從機(jī)應(yīng)該在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,主機(jī)分時(shí)召喚輔機(jī)和從機(jī)采集的數(shù)據(jù),輔機(jī)和從機(jī)將采集的數(shù)據(jù)打包并上傳給主機(jī),主機(jī)得到輔機(jī)和從機(jī)的采樣數(shù)據(jù)后首先比較二者的采樣的時(shí)間差是否超出允許范圍,如果在允許范圍以內(nèi),視為有效數(shù)據(jù)；如果超出了允許范圍,則視為無(wú)效數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)輔機(jī)和從機(jī)下發(fā)一次對(duì)時(shí)命令,以保證輔機(jī)和從機(jī)的時(shí)鐘與主機(jī)一致。圖9為測(cè)量?jī)x工作流程。

圖9 測(cè)試儀工作流程圖

該測(cè)量裝置以通信線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓臨時(shí)電纜,消除了安全隱患,比差和角差測(cè)量精度均能達(dá)到I級(jí)；由于具有遠(yuǎn)距離通信能力,方便實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控在變電站和大型發(fā)電廠中均能很好地完成測(cè)量工作。

3.2 比差和角差的計(jì)算

在本系統(tǒng)中,首先對(duì)1個(gè)周期(20 ms)的電流、電壓進(jìn)行256點(diǎn)的高精度同步采樣,對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)采取均方根法計(jì)算電壓有效值,采用快速傅里葉變換(FFT) 獲取初相角的測(cè)量。比差的計(jì)算采用同一時(shí)刻輔機(jī)和從機(jī)測(cè)得的電能表端電壓有效值與PT二次側(cè)電壓有效值之差;角差的計(jì)算采用同一時(shí)刻輔機(jī)和從機(jī)測(cè)得的電能表端電壓初相角與PT二次側(cè)電壓初相角之差。由于PT和電能表分處不同的環(huán)境,并且變電站內(nèi)尤其PT端存在較強(qiáng)的電磁干擾,因此本裝置對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)日`差處理,同時(shí)對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行了嚴(yán)格的抗干擾設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 在電能計(jì)量中, PT二次回路壓降的客觀存在給電能計(jì)量裝置帶來(lái)不可避免的誤差。如何更好地消除誤差,將直接關(guān)系到各方的經(jīng)濟(jì)利益,同時(shí)也促進(jìn)了電能的科學(xué)管理和技術(shù)進(jìn)步。

(2) 由于PT二次回路壓降所引起的計(jì)量誤差體現(xiàn)在幅值誤差和相角誤差兩方面,如果考核PT二次回路壓降所引起的計(jì)量誤差,必須兼顧二者的綜合誤差,否則是不準(zhǔn)確的,因此,如果要改善PT二次回路壓降給計(jì)量帶來(lái)的誤差,必須既能有效克服幅值誤差,又能有效克服相角誤差。

(3) 本文所研制的系統(tǒng)綜合運(yùn)用帶有DSP內(nèi)核的16位dsPIC30F6010單片機(jī)與16位A/D采樣芯片AD677的有機(jī)結(jié)合,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性較高的采樣；同時(shí)與嵌入式Uclinux操作系統(tǒng)相結(jié)合,與傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備相比,大大提高了PT二次回路壓降測(cè)量的實(shí)時(shí)性及系統(tǒng)性。

(4) 該儀器用通信線纜替代長(zhǎng)二次電纜,消除了安全隱患,縮短了測(cè)試時(shí)間,測(cè)量方便、準(zhǔn)確、快捷。

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Development of PT secondary loop voltage drop tester based on dsPIC30F6010 SCM

Sun Jinhui

(Training Department, Chinese People’s Armed Police Force Academy, Langfang 065000, China)

The measuring principle and the measurement error of the active power of the tri-phase and tri-wire circuit are described, and the structure of the portable intelligent instrument based on the secondary voltage drop of the voltage mutual inductor measured by the differential method is introduced. This portable intelligent instrument has the dsPIC30F6010 SCM as its core, and the hardware diagram and the software flow chart of the tester are presented.

voltage mutual inductor; PT secondary voltage drop; differential method; measurement

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.021

2017-03-03

孫進(jìn)輝(1971—),男,河北正定,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)及管理.E-mail：15831601700@139.com

TM51

A

1002-4956(2017)08-0084-04