基于GPS的電壓互感器二次線路壓降自動跟蹤補償裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著電力系統(tǒng)體制改革的深化，廠網(wǎng)分家的模式已初步形成。發(fā)電廠上網(wǎng)電量及電網(wǎng)間電量交換的精確計量直接關(guān)系到結(jié)算雙方的經(jīng)濟利益，因此減小電能計量裝置的綜合誤差是十分重要的。實際測試的結(jié)果表明，電能計量綜合誤差中電壓互感器（TV）二次回路電壓降引起的計量誤差最為突出，大約占電費收入的1%-2%甚至更多，涉及電費數(shù)百萬元。為減小該誤差，目前普遍通過鋪設(shè)測試電纜進(jìn)行壓降的檢測，再通過電壓跟隨器進(jìn)行跟蹤補償。這種方法測量功能有限，而且需要鋪設(shè)很長的電纜，在距離遠(yuǎn)、地形復(fù)雜的地方甚至無法進(jìn)行，這類裝置使用麻煩且不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。因而開發(fā)一種測量精度高、無需鋪設(shè)專用電纜、具有遠(yuǎn)程通信功能的新型電壓互感器二次回路壓降自動跟蹤補償及監(jiān)測裝置很有必要。

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的電壓互感器二次線路壓降自動跟蹤補償裝置能很好地解決以上問題。裝置以GPS信號作為TV二次線路兩端數(shù)據(jù)采集的同步信號，同步測量TV輸出端口和電能表輸入端口的電壓向量，結(jié)合鎖相倍頻技術(shù)，使系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性得到保證；并以電力線載波通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，免去了鋪設(shè)電纜的麻煩和安全隱患；通過D/A轉(zhuǎn)換實時進(jìn)行電壓補償，從而達(dá)到自動跟蹤補償?shù)哪康摹?/p>

1 自動跟蹤補償裝置的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于GPS的電壓互感器二次線路壓降載波式自動跟蹤補償裝置由測量主機和測量從機兩部分構(gòu)成。主機除了測量二次儀表輸入口的電壓參數(shù)以外，還向從機發(fā)送控制命令并接收測量數(shù)據(jù)，計算二次線路壓降，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出補償電壓，通過串口與上位機通訊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。從機結(jié)構(gòu)與主機類似，只是沒有D/A補償模塊，它能與主機通訊，按主機命令對TV輸出端口的電壓參數(shù)進(jìn)行測量，并將實時數(shù)據(jù)及時地發(fā)送到測量主機。

裝置的設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：（1）基于GPS的高精度時間同步測量單元的設(shè)計：GPS系統(tǒng)1PPS（秒脈沖信號）及100PPS和串口時間代碼的提取、同步測量電壓向量及計算處理二次壓降。（2）電力線載波通信模塊的設(shè)計：電力載波通信線路要求具備雙工通信的能力、比較穩(wěn)定的相移特性，以及足夠的輸出功率。經(jīng)過反復(fù)試驗比較，在TV二次線路上采用專用的電力載波數(shù)據(jù)通信芯片LM1893設(shè)計電力載波數(shù)據(jù)通信模塊，通信距離達(dá)500m，能夠滿足現(xiàn)場檢測的需要。（3）D/A補償模塊的設(shè)計：經(jīng)單片機計算處理后的二次壓降補償值通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，通過功率放大器后串聯(lián)迭加到二次儀表輸入端口，對二次線路上的電壓損失進(jìn)行補償。

2 基于GPS的電壓向量測量

壓降測量是通過分別檢測TV二次線路兩端的電壓向量（應(yīng)檢測出幅值和相位），然后將兩端測量值相減從而得出線路壓降值的幅值差和相位差。電壓的幅值測量較易滿足要求，采用一般的16bit A/D變換的方法即可。而相位差的檢測則是技術(shù)難點，本裝置對相位的測量是通過鎖相環(huán)電路將電網(wǎng)頻率信號倍頻，用該倍頻信號作為計數(shù)器的時鐘信號。每次電壓過零時，計數(shù)器重新開始計數(shù)。通過讀取TV二次線路兩端計數(shù)值并計算差值從而得出相位差。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。計數(shù)器時鐘信號由鎖相倍頻電路產(chǎn)生，電壓過零檢測產(chǎn)生的信號經(jīng)過整形后作為計數(shù)器的開始計數(shù)信號，GPS的100PPS脈沖在單片機控制信號的作用下對計數(shù)器當(dāng)前值進(jìn)行鎖存，每個周期的相位采樣數(shù)據(jù)（從鎖存器讀）、GPS接收機1PPS信號以及它的時鐘標(biāo)簽同時被送至單片機進(jìn)行處理。

由于電壓互感器二次線路壓降補償裝置的設(shè)計方案要求相差測量精度為±1，，因此將電網(wǎng)頻率360×60倍頻，計數(shù)器記錄倍頻后的脈沖信號就可滿足相位差測量精度的要求。由此可得計算相位差的公式為：

其中，C1、C2為兩端計數(shù)器的讀數(shù)，f0為電網(wǎng)頻率。由上式可知，兩端計數(shù)差值就是兩端的相位差。

顯然，這種方法所得的結(jié)果與電網(wǎng)頻率無關(guān)，也不必靠高穩(wěn)定度的高頻恒溫晶振獲取納秒級時標(biāo)。得到的相位值不會受到電網(wǎng)頻率波動的影響，得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，而且采用的器件對環(huán)境適應(yīng)能力強，有較高的性價比，非常適合在各種工業(yè)環(huán)境下推廣使用。

3 GPS測量電壓向量的工作程序

GPS接收機至少提供兩種形式的時間信號，即1PPS（每秒輸出1個脈沖）信號和串口時間代碼。1PPS的脈沖時間與世界協(xié)調(diào)時間（Universal Coordinated Time，縮寫為UCT）的秒的同步誤差不超過1μs；串口信息在1PPS脈沖之間給出，其中包括的時間信息用來說明前一個1PPS脈沖對應(yīng)的UCT時間（年、月、日、時、分、秒）。許多接收機產(chǎn)品還能提供100PPS（每秒輸出100個脈沖）信號，其時鐘精度可達(dá)納秒級。在本裝置中采用這三種信號同步測量電壓向量。

本裝置可以對每一周期的相差進(jìn)行采集。為了方便計算，方案采用主從機預(yù)約時間每次采樣1秒或幾秒的方式測量電壓向量（本文以采樣1秒為例進(jìn)行說明）。參見圖2，主從機預(yù)約時間以GPS的1PPS信號為準(zhǔn)，單片機控制與門的開關(guān)，從而對計數(shù)器采樣1秒鐘（同時也對電壓幅值采樣1秒鐘）。在單片機輸出高電平的1秒鐘內(nèi)，100PPS信號作用于鎖存器，同時單片機內(nèi)部對每一個100PPS脈沖信號進(jìn)行中斷處理，讀取計數(shù)器的鎖存器鎖存的值及電壓幅值，送入內(nèi)存中依次排列起來。等待1秒鐘后，從機將采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，主機再依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，得出這1秒鐘內(nèi)的二次壓降值及其補償值，分別送到上位機和補償模塊。

圖3為采樣子程序流程圖。當(dāng)單片機主程序調(diào)用它時，子程序首先讀取主從機預(yù)約的采樣起始時間，在約定起始時間到來時打開與門（單片機輸出高電平），同時打開100PPS的中斷響應(yīng)，開始等待下一秒鐘GPS的1PPS脈沖信號。其間，系統(tǒng)每個周期采樣一次電壓幅值和計數(shù)器值。在下一秒鐘的1PPS脈沖到來時，禁止響應(yīng)100PPS中斷，關(guān)閉與門（單片機輸出低電平），返回主程（接上頁）序。在不需要采樣的時段里，單片機一直輸出低電平。其中，Ti是主從機預(yù)約的第i個電壓向量采集時間。

圖4為GPS信號及電網(wǎng)信號的時序圖。由于電網(wǎng)頻率是變化的，電壓過零脈沖相對GPS的100PPS時鐘的位置也是隨機變化的，如圖5所示。在計算相位差δ時，當(dāng)100PPS脈沖發(fā)生在δ之外，就是前面已經(jīng)介紹過的（如圖4所示），此時|ΔC|＜15°，δ=C1-C2。當(dāng)100PPS脈沖發(fā)生在δ之間需要注意以下情況（相位差值正常情況下不會大于15°）：

第一種情況，首端電壓相位超前，此時ΔC＜-15°，δ=φ1+φ2=C1-C2+360°；

第二種情況，末端電壓相位超前，此時ΔC＞15°，δ=-（φ1+φ2）=C1-C2-360°。

綜合上述三種情況，相位差為：

式中，ΔC=C1-C2。

本文在過去工作的基礎(chǔ)上，對基于GPS的電壓向量測量進(jìn)行了改進(jìn)，得出了一種適應(yīng)性更廣、精確度更高的測量方法，并在電壓互感器二次線路壓降補償中進(jìn)行了初步應(yīng)用。該方法保證了電壓測量具有方便、實時、功耗低、性價比高的特點。

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