基于射频同步技术的高压电能计量装置现场校验仪的设计

基于射频同步技术的高压电能计量装置现场校验仪的设计

姜凌霄

国网山西省电力公司检修分公司

摘要：针对高压电能计量装置校验中无法测量整体误差的问题，设计了一套高压电能计量装置现场校验系统。该系统通过在高压侧安装电压互感器和电流互感器，并基于射频同步技术将测量数据发送到低压侧数据接收终端的方法，实现了高压电能计量装置现场校验整体误差的测量。经实际测试，该套高压电能装置现场校验系统能够在不停电条件下对10kV～35kV高压电能计量装置进行整体校验，达到了有效评估装置计量性能、简化校验环节、减轻工作强度、降低校验安全风险、提高工作效率的目的。

关键词：高压电能计量;射频同步技术;校验仪

目前，对于高压电能计量装置的现场校验普遍采用分项校验的方式，即:分别校验电流互感器、电压互感器、电压互感器二次引线压降、电能表误差，然后通过计算的方法得出总不确定度r1（亦称综合不确定度，即系统综合误差）。r1的表达式如下:

r1=r0++

式中r0表示电能表本身误差;表示互感器合成误差;表示二次回路导线压降误差。

然而，国际电工委员会规定的基本原则:“所有仪表和计量装置的误差都必须经过实际的测量，未经测量，仅是以其他测量中计算出来的引用误差，不能作为评价装置基本误差的依据”。因此，直接测量高压电能计量装置的整体误差就十分必要了。针对上述问题，设计了一套基于射频同步技术的高压电能计量装置现场校验仪，射频同步技术的使用有效解决了实时脉冲周期比较法中的时间对应问题。

可以在不停电条件下对10kV～35kV高压电能计量装置进行整体校验，达到有效评估装置计量性能、简化校验环节、减轻工作强度、降低校验安全风险、提高工作效率的目的。

1.校验仪设计方案与工作原理

1.1校验仪设计方案

基于射频同步技术，将校验仪分为高压侧和低压侧两个部分。高压侧部分采用二元件法测量系统功率，即在高压侧用两个电压互感器和两个电流互感器测量

、、和，并通过射频模块和WiFi模块与低压侧通信，实现电压、电流波形实时采样和数据传输功能。相对于现在市场上同类产品中使用的三元件法，可以更好的节约成本。低压侧部分由低压侧数据接收终端和脉冲放线车组成，实现波形数据接收、电参量计算和电能误差检验功能。

1.2校验仪工作原理

数据采样与传输示意图如图1所示，低压侧数据接收终端作为同步信号源，利用射频同步接收模块CC1100发送编码后的同步采样信号。2个电压互感器和2个电流互感器的CC1100接收到信号以后，FPGA对编码信号进行解码还原出同步采样信号，并驱动AD7608进行采样，然后通过EMW3081将采样数据发送到低压侧数据接收端。低压侧EMW3081接收到采样数据后，由FPGA把接收到的波形数据进行缓存并根据时间标志把电压、电流采样波形进行对齐，通过ISA总线发送给DSP进行分析计算电参量和实时功率。FPGA的脉冲比较器同时接收DSP输出的标准电能脉冲和被检电能表脉冲，计算出电能误差后送给DSP进行界面显示，从而完成待校验电能计量装置整体误差的测量。

射频同步接收模块CC1100工作在433MHz透明传输GFSK调制方式。低压侧数据接收终端利用CC1100发送编码后的同步采样信号，高压互感器利用CC1100接收低压侧同步采样信号。

EMW3081内部集成了TCP/IP协议栈和WiFi通信模块驱动，以实现嵌入设备的无线网络功能。EMW3081和FPGA之间采用SPI接口，采用可靠数据传输协议TCP，低压侧数据接收终端充当TCP服务器，4个互感器充当TCP客户端。低压侧数据接收终端的FPGA采用轮询方式接收4个互感器采集到的电压、电流实时波形数据。

2.高压侧互感器设计

高压互感器由射频同步接收模块、FPGA、AD7608、温度采集模块、AD前端信号调理电路、WiFi模块、锂聚合物电池和充放电管理电源电路组成。原理结构如图2所示。

图2高压互感器原理示意图

①射频同步接收模块中的射频芯片选择某公司的CC1100，可实现系统的无线数据传输，适合高压测试环境；

②FPGA选择SPAＲTAN6。该FPGA提供全新且高效的双寄存器输入查找表逻辑和一系列丰富的内置系统级模块。其锁相环PLL可消除时钟歪斜和占空比失真，可实现低抖动时钟控制，其频率综合器可实现倍频、分频和调相。利用SPAＲTAN6的PLL可以根据需要产生精密时钟信号，对同步采样信号进行精确编解码，保证电压、电流波形采集的准确性；

③ADC芯片选择AD7608。AD7608是一个18位8通道同步采样模数采集系统。器件内置模拟输入钳位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪放大器、18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。适合本设计中高压互感器中使用，在本设计中使用±10V量程输入，为了节省I/O资源使用高速串口与FPGA连接；

④温度采集选择的DS18B20，仅需要1个I/O口与FPGA相连，在–10℃～85℃温度范围内测温精度能达到±0.5℃。温度采集的数据作为DSP电能算法温度补偿的依据；

⑤电压互感器AD前端信号调理采用低温漂系数精密电阻分压的方法，把高电压信号调理为适合ADC输入范围是小电压信号；

⑥用罗哥夫斯基线圈加积分电路的方法调理电流互感器AD前端信号，把大电流信号调理为适合ADC输入范围的小电流信号；

⑦WiFi模块选择国内某公司的EMW3081，用来接收低压侧数据接收终端的控制指令并回传波形采样数据和温度采集数据。该模块是该公司推出的高性价比嵌入式WiFi模块，该模块运行Mi-CO物联网操作系统，本设计中用MiCO的TCP/IP协议栈、多种安全加密算法来实现嵌入式WiFi应用；

⑧充放电管理电源选择国外某公司的LT3652和LTC2943作为充放电管理和电量监测方案。LTC2943以1%的精度准确测量锂聚合物电池的电压、电流、电量和温度，能够准确评估锂聚合物电池的充电状态，通过I2C接口与FPGA进行通讯，实时将锂聚合物电池的状态信息发送给低压侧数据接收终端。FPGA通过I/O控制LT3652可实现智能充放电管理，从而保障高压互感器的安全可靠运行。

结语：

设计了一种基于射频同步技术的新型高压电能计量装置现场校验仪，介绍了其中的高压互感器、低压侧数据接收终端、脉冲采集线车的技术原理。并详细讨论了用射频同步技术实现同步采样的设计方案。利用该现场校验仪可以在不停电条件下对10kV～35kV高压电能计量装置进行整体校验，达到有效评估装置计量性能、简化校验环节、减轻工作强度、降低校验安全风险、提高工作效率的目的。

参考文献：

[1]尚秋峰，黄显，陈青钦，等．高压计量装置一体化误差校验系统设计[J]．计量与测试技术，2016，(2):33-34．

[2]岳长喜，候兴哲，章述汉，等．10kV高压电能计量装置整体校验台的校准[J]．电测与仪表，2010，47(7A):132-136．