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基于GPS的電壓向量測量的新方法及其應(yīng)用
摘要：介紹了一種應(yīng)用GPS時鐘同步采樣技術(shù)測量電壓互感器二次線路壓降的新方法，該方法結(jié)合對50Hz工頻信號鎖相倍頻產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的方式，測量壓降的相位差，使檢測具有線路簡單、測量時間短、功耗低、性價比高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：GPS 電壓互感器 二次壓降 鎖相倍頻
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(jì)量直接關(guān)系到結(jié)算雙方的經(jīng)濟(jì)利益，因此減小電能計(jì)量裝置的綜合誤差是十分重要的。實(shí)際測試的結(jié)果表明，電能計(jì)量綜合誤差中電壓互感器（TV）二次加路電壓降引起的計(jì)量誤差最為突出，大約占電費(fèi)收入的1%-2%甚至更多，電費(fèi)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，再通過電壓器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)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(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。因而開發(fā)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(bǔ)償及監(jiān)測裝置很有必要。
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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(bǔ)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(shí)時進(jìn)行電壓補(bǔ)償，從而達(dá)到自動跟蹤補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>
1 自動跟蹤補(bǔ)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(bǔ)償裝置由測量主機(jī)和測量從機(jī)兩部分構(gòu)成。主機(jī)除了測量二次儀表輸入口的電壓參數(shù)以外，還向從機(jī)發(fā)送控制命令并接收測量數(shù)據(jù)，計(jì)算二次線路壓降，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出補(bǔ)償電壓，通過串口與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。從機(jī)結(jié)構(gòu)與主機(jī)類似，只是沒有D/A補(bǔ)償模塊，它能與主機(jī)通訊，按主機(jī)命令對TV輸出端口的電壓參數(shù)進(jìn)行測量，并將實(shí)時數(shù)據(jù)及時地發(fā)送到測量主機(jī)。
裝置的設(shè)計(jì)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(jì)：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(jì)算處理二次壓降。（2）電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)：電力線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(yàn)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(jì)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(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)：在單片機(jī)計(jì)算處理后的二次壓降補(bǔ)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(bǔ)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變換的方法鄧可。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(jì)數(shù)器的時鐘信號。每次電壓過零時，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。通過讀取TV二次線路兩端計(jì)數(shù)值并計(jì)算差值從而得出相位差。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。計(jì)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(jì)數(shù)器的開始計(jì)數(shù)信號，GPS的100PPS脈沖在單片機(jī)控制信號的作用下對計(jì)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(jī)1PPS脈沖在單片機(jī)控制信號的作用下對計(jì)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(jī)1PPS信號以及它的時鐘標(biāo)簽同時被送至單片機(jī)進(jìn)行處理。
由于電壓互感呂二次線路壓降補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算相位差的公式為：
其中，C1、C2為兩端計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，f0為電網(wǎng)頻率。
由上式可知，兩端計(jì)數(shù)差值就是兩端的相位差。
顯然，這種方法所得的結(jié)構(gòu)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(qiáng)，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(jī)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(jī)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(jì)算，方案采用主從機(jī)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(jī)預(yù)約時間GPS的1PPS信號為準(zhǔn)，單片機(jī)控制與門的開關(guān)，從而對計(jì)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(jī)輸出高電平的1秒鐘內(nèi)，100PPS信號作為于鎖存器，同時單片機(jī)內(nèi)部對每一個100PPS脈沖信號進(jìn)行中斷處理，讀取計(jì)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(jī)將采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)再依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得出這1秒鐘內(nèi)的二次壓降值及其補(bǔ)償值，分別送到上位機(jī)和補(bǔ)償模塊。
圖3為采樣子程序流程圖。當(dāng)單片機(jī)主程序調(diào)用它時，子程序首先讀取主從機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)輸出低電平），返回主程序。在不需要采樣的時段里，單片機(jī)一直輸出低電平。其中，Ti是主從機(jī)預(yù)約的第i個電壓向量采集時間。
圖4
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(jī)變化的，如圖5所示。在計(jì)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(bǔ)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(shí)時、功耗低、性價比高的特點(diǎn)。
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