謝志遠(yuǎn)，貢振崗，楊 星，吳曉燕

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071000）

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，大量的智能電氣設(shè)備在智能電網(wǎng)中得到應(yīng)用。智能電力設(shè)備的大力發(fā)展必然需求一種測(cè)試平臺(tái)對(duì)其智能模塊進(jìn)行有效的測(cè)試,以保證智能模塊各功能的正常，同時(shí)高效率的檢測(cè)平臺(tái)大大縮短了對(duì)智能電力設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期。

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)針對(duì)中壓柱上FTU的檢測(cè)裝置，隨著這種中壓電力線柱上FTU的推廣應(yīng)用，利用一種具備檢測(cè)功能的測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)FTU的功能檢測(cè)具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義，所以本文提出了對(duì)中壓柱上FTU檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理

檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。檢測(cè)平臺(tái)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)源電路、可編程增益放大電路、恒流電路、電壓/電流采樣電路、狀態(tài)量/控制量電路、屏幕和按鍵掃描電路構(gòu)成。

高精度正弦信號(hào)由單片機(jī)控制產(chǎn)生，產(chǎn)生的信號(hào)分別給予兩路可編程增益放大電路：一路可編程放大電路經(jīng)過(guò)幅度調(diào)整電路產(chǎn)生交流電壓信號(hào)，另一路經(jīng)過(guò)幅度調(diào)整送給壓控恒流電路產(chǎn)生交流電流信號(hào)，產(chǎn)生的交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電路反饋送給單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的分合模擬斷路器工作時(shí)的分合及儲(chǔ)能狀態(tài)，通過(guò)光耦電路檢測(cè)FTU的分合閘命令，通過(guò)按鍵設(shè)置產(chǎn)生信號(hào)的幅度及手動(dòng)模擬控制斷路器的工作狀態(tài)，相應(yīng)信息由屏幕顯示。

1.1 單片機(jī)控制器

本系統(tǒng)選用基于ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2214處理器。該單片機(jī)是一個(gè)低功耗、高性能的32位單片機(jī)，并帶有256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器和16 KB的片內(nèi)隨機(jī)存儲(chǔ)器，128 bit寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 bit代碼能夠在最大時(shí)鐘60 MHz的速率下運(yùn)行[1]。

1.2 高精度信號(hào)源

信號(hào)發(fā)生電路采用高精度DDS芯片AD9833數(shù)字可編程波形產(chǎn)生器件，AD9833頻率、相位數(shù)字可編程，采用3線SPI串口控制、占用資源少、低功耗特性符合精密電路的芯片選擇。用AD9833可產(chǎn)生高精度工頻的正弦信號(hào)。應(yīng)用電路如圖2所示。

為了增大AD9833產(chǎn)生信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力及抗干擾能力，在信號(hào)輸出端加一級(jí)由運(yùn)放OP497構(gòu)成的電壓跟隨器，增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定性。

1.3 可編程增益放大電路

可編程增益放大電路由兩部分構(gòu)成：第1部分是經(jīng)過(guò)高精度D/A芯片產(chǎn)生模擬電壓量[2]，第2部分是用壓控增益放大電路將D/A產(chǎn)生的電壓量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的增益放大。D/A選用 12 bit高速轉(zhuǎn)化芯片TLV5618，12 bit的控制長(zhǎng)度可以準(zhǔn)確控制增益步進(jìn)[3]；壓控增益芯片選用VCA822。由TLV5618和VCA822構(gòu)成的可編程增益電路如圖3所示。

壓控增益芯片VCA822是寬頻帶、V/V線性、持續(xù)可變?cè)鲆娴姆糯笃鳌?yīng)用電路基本增益公式為：

在電路中選擇阻值R8=R13，因此增益公式變?yōu)?

1.4 恒流源電路方案選擇

恒流電路設(shè)計(jì)選用OPA564功率運(yùn)放[4]，OPA564是一種可以提供大電流輸出的運(yùn)算放大器件，雙極性電源供電，極限電流輸出達(dá)1.9 A。OPA564的器件特性滿足本設(shè)計(jì)方案的需求，基于OPA564的VI變換電路如圖4所示。

OPA564構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路,圖中電阻R34=R35＝R36＝R37，輸出恒流 I o的推導(dǎo)過(guò)程為：

將(3)式帶入(4)式得:

電阻R ef上的電壓為:

流過(guò)電阻R ef的電流:

電阻R ef選用功率精密電阻。

1.5 電壓、電流采集電路

采集芯片選用高精度電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022B，它集成了二階ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值和頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路，可以滿足測(cè)量交流電流、電壓有效值的需求。

在電流、電壓信號(hào)輸送到ATT7022B之前，要經(jīng)過(guò)電流、電壓互感器和采樣電路，互感器自選精密型電流、電壓互感器。應(yīng)用ATT7022B時(shí)，需要通過(guò)軟件編程與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn),參數(shù)校準(zhǔn)方式依據(jù)ATT7022B使用資料。同時(shí)，為ATT7022B提供高精度穩(wěn)壓電源芯片，可以減小電源紋波對(duì)ATT7022B采樣計(jì)算的影響，穩(wěn)壓芯片選用ADP3330-5系列,可以輸出高精度、高穩(wěn)定度的5 V電壓。

ATT7022B提供一個(gè)SPI接口，以便與ARM7之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞。ATT7022B實(shí)時(shí)采集信號(hào)線上的交流量，并將采集處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的有效值寄存器中，通過(guò)軟件編程讀取寄存器中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用于軟件計(jì)算處理和在液晶屏幕上的顯示。

1.6 軟件參數(shù)補(bǔ)償

隨著電流、電壓輸出的增大，由于溫度或者元件電氣特性等因素,電流、電壓的輸出特性成非線性增長(zhǎng)，造成設(shè)定值與實(shí)際輸出值之間產(chǎn)生偏差，可采用軟件的方式進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償消除偏差。補(bǔ)償方法為，通過(guò)軟件編程將設(shè)定值與采樣返回值進(jìn)行比較，采用步長(zhǎng)變化的多次比較動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償[5]。

1.7 模擬斷路器工作狀態(tài)

主要通過(guò)編程控制繼電器分合,以模擬斷路器工作狀態(tài)量(包括合閘、分閘和儲(chǔ)能3種狀態(tài))。此部分電路配備端子接口，通過(guò)端子接口連接FTU將狀態(tài)量反饋給FTU測(cè)控模塊，用來(lái)檢測(cè)測(cè)控模塊所檢測(cè)到的斷路器的工作狀態(tài)是否正確。

1.8 檢測(cè)FTU合、分閘

根據(jù)FTU產(chǎn)生控制信號(hào)的特征進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，F(xiàn)TU產(chǎn)生的控制量信號(hào)為脈沖型，針對(duì)這種脈沖型信號(hào)采用LPC2214定時(shí)器捕獲功能，當(dāng)有電平翻轉(zhuǎn)時(shí)LPC2214可以準(zhǔn)確捕獲。為了防止類(lèi)似脈沖信號(hào)的干擾信號(hào)造成處理器誤判的現(xiàn)象，控制量送到LPC2214前加上一級(jí)光耦隔離毛刺信號(hào)等干擾信號(hào)的影響。采用指示燈指示合、分閘狀態(tài)及儲(chǔ)能狀態(tài)。

1.9 顯示模塊

采用一塊三線串口操作型號(hào)為JCR35MDV1的液晶顯示屏，3條線分別為寫(xiě)數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、片選線，軟件編程選用LPC2214 3個(gè)I/O口即可驅(qū)動(dòng)液晶顯示設(shè)置信息和測(cè)試信息。

1.10 按鍵檢測(cè)模塊

采用ZLG7290按鍵專(zhuān)用檢測(cè)芯片，ZLG7290是一種I2C接口鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)管理器件，方便與處理器接口。應(yīng)用LPC2214內(nèi)部I2C資源結(jié)合軟件編程讀取ZLG7290按鍵掃描的信息。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示。程序開(kāi)始執(zhí)行后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化過(guò)程中將程序中預(yù)先設(shè)定的默認(rèn)值送到AD9833和TLV5618中,并使繼電器工作在默認(rèn)合、分閘狀態(tài)，由液晶屏幕顯示各種設(shè)置信息和測(cè)試信息。ATT7022B采集電流、電壓并由LPC2214讀出ATT7022B寄存器中的數(shù)值，將寄存器讀出數(shù)值與設(shè)定值比較是否在誤差范圍內(nèi)，如果不在誤差范圍內(nèi)則執(zhí)行軟件參數(shù)補(bǔ)償，將補(bǔ)償參數(shù)寫(xiě)到TLV5618，直到滿足誤差要求為止。按鍵與控制量檢測(cè)都為外部中斷事件，有中斷發(fā)生時(shí)判斷是否為按鍵中斷，若是按鍵中斷再判斷是寫(xiě)TLV5618還是手動(dòng)控制合、分閘及儲(chǔ)能狀態(tài)；若不是按鍵中斷則執(zhí)行控制量捕獲中斷程序,并對(duì)FTU發(fā)來(lái)的控制信號(hào)做出相應(yīng)動(dòng)作。

3 試驗(yàn)與結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。首先對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生交流信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，選用6位數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試恒流輸出值，將顯示值與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試值進(jìn)行比較，并計(jì)算誤差，誤差計(jì)算公式為：

圖5 軟件流程圖

I1、I2、I3、ΔI分別為電流設(shè)定值、液晶顯示值、萬(wàn)用表測(cè) 量 值 和 電 流 誤 差 率 ，V1、V2、V3、ΔV 分 別 為 電 壓 設(shè) 定值、液晶顯示值、萬(wàn)用表測(cè)量值和電壓誤差率。設(shè)定值、顯示值及測(cè)量值均為有效值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,電流在50 mA以上誤差率基本穩(wěn)定在0.1%，電壓在500 mV以上誤差率基本穩(wěn)定在0.1%。該系統(tǒng)有較好的輸出穩(wěn)定度，可以滿足檢測(cè)FTU的采樣功能。

在其他試驗(yàn)測(cè)試中得到測(cè)試結(jié)果,該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到FTU輸出的控制量信號(hào)，并能通過(guò)軟件判斷響應(yīng)將繼電器切換到相應(yīng)的工作狀態(tài)，同時(shí)手動(dòng)控制繼電器狀態(tài)切換迅速執(zhí)行準(zhǔn)確，屏幕顯示信息準(zhǔn)確。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，此方案設(shè)計(jì)的檢測(cè)平臺(tái)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)FTU的測(cè)控功能。

目前沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)中壓柱上FTU功能進(jìn)行測(cè)試的檢測(cè)平臺(tái)，本設(shè)計(jì)方案在智能電力設(shè)備檢測(cè)領(lǐng)域中有所突破，檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)不但可以提高電力設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)的效率，同時(shí)還能夠快速診斷出FTU設(shè)備投入運(yùn)行前存在的故障，保證了電力設(shè)備質(zhì)量的可靠性，確保了電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全。同時(shí)，隨著FTU設(shè)備功能的日益發(fā)展豐富，檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)診斷功能也將不斷擴(kuò)展完善。

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