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隨著(zhù)電力系統體制改革的深化，廠(chǎng)網(wǎng)分家的模式已初步形成。發(fā)電廠(chǎng)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(shí)際測試的結果表明，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，涉及電費數百萬(wàn)元。為減小該誤差，目前普遍通過(guò)鋪設測試電纜進(jìn)行壓降的檢測，再通過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行跟蹤補償。這種方法測量功能有限，而且需要鋪設很長(cháng)的電纜，在距離遠、地形復雜的地方甚至無(wú)法進(jìn)行，這類(lèi)裝置使用麻煩且不能實(shí)現在線(xiàn)監測。因而開(kāi)發(fā)一種測量精度高、無(wú)需鋪設專(zhuān)用電纜、具有遠程通信功能的新型電壓互感器二次回路壓降自動(dòng)跟蹤補償及監測裝置很有必要。 基于全球衛星定位系統(GPS)的電壓互感器二次線(xiàn)路壓降自動(dòng)跟蹤補償裝置能很好地解決以上問(wèn)題。裝置以GPS信號作為T(mén)V二次線(xiàn)路兩端數據采集的同步信號，同步測量TV輸出端口和電能表輸入端口的電壓向量，結合鎖相倍頻技術(shù)，使系統的準確性和穩定性得到保證；并以電力線(xiàn)載波通信的方式進(jìn)行數據通信，免去了鋪設電纜的麻煩和安全隱患；通過(guò)D/A轉換實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓補償，從而達到自動(dòng)跟蹤補償的目的。 1 自動(dòng)跟蹤補償裝置的總體結構 系統結構如圖1所示。 基于GPS的電壓互感器二次線(xiàn)路壓降載波式自動(dòng)跟蹤補償裝置由測量主機和測量從機兩部分構成。主機除了測量二次儀表輸入口的電壓參數以外，還向從機發(fā)送控制命令并接收測量數據，計算二次線(xiàn)路壓降，通過(guò)D/A轉換輸出補償電壓，通過(guò)串口與上位機通訊實(shí)現遠程監控和數據共享。從機結構與主機類(lèi)似，只是沒(méi)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進(jìn)行測量，并將實(shí)時(shí)數據及時(shí)地發(fā)送到測量主機。 裝置的設計主要包括以下內容：(1)基于GPS的高精度時(shí)間同步測量單元的設計：GPS系統1PPS(秒脈沖信號)及100PPS和串口時(shí)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(xiàn)載波通信模塊的設計：電力載波通信線(xiàn)路要求具備雙工通信的能力、比較穩定的相移特性，以及足夠的輸出功率。經(jīng)過(guò)反復試驗比較，在TV二次線(xiàn)路上采用專(zhuān)用的電力載波數據通信芯片LM1893設計電力載波數據通信模塊，通信距離達500m，能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)檢測的需要。(3)D/A補償模塊的設計：經(jīng)單片機計算處理后的二次壓降補償值通過(guò)D/A轉換器轉換成模擬量，通過(guò)功率放大器后串聯(lián)迭加到二次儀表輸入端口，對二次線(xiàn)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(guò)分別檢測TV二次線(xiàn)路兩端的電壓向量(應檢測出幅值和相位)，然后將兩端測量值相減從而得出線(xiàn)路壓降值的幅值差和相位差。電壓的幅值測量較易滿(mǎn)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(diǎn)，本裝置對相位的測量是通過(guò)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器的時(shí)鐘信號。每次電壓過(guò)零時(shí)，計數器重新開(kāi)始計數。通過(guò)讀取TV二次線(xiàn)路兩端計數值并計算差值從而得出相位差。其結構圖如圖2所示。計數器時(shí)鐘信號由鎖相倍頻電路產(chǎn)生，電壓過(guò)零檢測產(chǎn)生的信號經(jīng)過(guò)整形后作為計數器的開(kāi)始計數信號，GPS的100PPS脈沖在單片機控制信號的作用下對計數器當前值進(jìn)行鎖存，每個(gè)周期的相位采樣數據(從鎖存器讀)、GPS接收機1PPS信號以及它的時(shí)鐘標簽同時(shí)被送至單片機進(jìn)行處理。 由于電壓互感器二次線(xiàn)路壓降補償裝置的設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，計數器記錄倍頻后的脈沖信號就可滿(mǎn)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為兩端計數器的讀數，f0為電網(wǎng)頻率。由上式可知，兩端計數差值就是兩端的相位差。 顯然，這種方法所得的結果與電網(wǎng)頻率無(wú)關(guān)，也不必靠高穩定度的高頻恒溫晶振獲取納秒級時(shí)標。得到的相位值不會(huì )受到電網(wǎng)頻率波動(dòng)的影響，得出的數據準確度高，而且采用的器件對環(huán)境適應能力強，有較高的性?xún)r(jià)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(shí)間信號，即1PPS(每秒輸出1個(gè)脈沖)信號和串口時(shí)間代碼。1PPS的脈沖時(shí)間與世界協(xié)調時(shí)間(Universal Coordinated Time,縮寫(xiě)為UCT)的秒的同步誤差不超過(guò)1μs；串口信息在1PPS脈沖之間給出，其中包括的時(shí)間信息用來(lái)說(shuō)明前一個(gè)1PPS脈沖對應的UCT時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)。許多接收機產(chǎn)品還能提供100PPS(每秒輸出100個(gè)脈沖)信號，其時(shí)鐘精度可達納秒級。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，方案采用主從機預約時(shí)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(shuō)明)。參見(jiàn)圖2，主從機預約時(shí)間以GPS的1PPS信號為準，單片機控制與門(mén)的開(kāi)關(guān)，從而對計數器采樣1秒鐘(同時(shí)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，100PPS信號作用于鎖存器，同時(shí)單片機內部對每一個(gè)100PPS脈沖信號進(jìn)行中斷處理，讀取計數器的鎖存器鎖存的值及電壓幅值，送入內存中依次排列起來(lái)。等待1秒鐘后，從機將采樣的數據發(fā)送到主機，主機再依次對數據進(jìn)行計算處理，得出這1秒鐘內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。當單片機主程序調用它時(shí)，子程序首先讀取主從機預約的采樣起始時(shí)間，在約定起始時(shí)間到來(lái)時(shí)打開(kāi)與門(mén)(單片機輸出高電平)，同時(shí)打開(kāi)100PPS的中斷響應，開(kāi)始等待下一秒鐘GPS的1PPS脈沖信號。其間，系統每個(gè)周期采樣一次電壓幅值和計數器值。在下一秒鐘的1PPS脈沖到來(lái)時(shí)，禁止響應100PPS中斷，關(guān)閉與門(mén)(單片機輸出低電平)，返回主程(接上頁(yè))序。在不需要采樣的時(shí)段里，單片機一直輸出低電平。其中，Ti是主從機預約的第i個(gè)電壓向量采集時(shí)間。 圖4為GPS信號及電網(wǎng)信號的時(shí)序圖。由于電網(wǎng)頻率是變化的，電壓過(guò)零脈沖相對GPS的100PPS時(shí)鐘的位置也是隨機變化的，如圖5所示。在計算相位差δ時(shí)，當100PPS脈沖發(fā)生在δ之外，就是前面已經(jīng)介紹過(guò)的(如圖4所示)，此時(shí)|ΔC|＜15°，δ=C1-C2。當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(huì )大于15°)： 第一種情況，首端電壓相位超前，此時(shí)ΔC＜-15°，δ=φ1+φ2=C1-C2+360°； 第二種情況，末端電壓相位超前，此時(shí)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(guò)去工作的基礎上，對基于GPS的電壓向量測量進(jìn)行了改進(jìn)，得出了一種適應性更廣、精確度更高的測量方法，并在電壓互感器二次線(xiàn)路壓降補償中進(jìn)行了初步應用。該方法保證了電壓測量具有方便、實(shí)時(shí)、功耗低、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。 |
