0 引言

    在電力系統(tǒng)中一般通過電壓互感器(Potential Transformer，PT)來進(jìn)行電能計(jì)量。在PT二次回路中通常接有電能表、繼電器、變送器、補(bǔ)償器等負(fù)載，中間可能還有多種觸點(diǎn)（隔離刀閘、空氣開關(guān)等）、熔斷絲以及連接回路的線纜，當(dāng)回路電流流過這些環(huán)節(jié)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，此即為PT的二次回路壓降。由于二次回路壓降的存在，使得電能表接線端的電壓不等于電壓互感器二次輸出端的電壓，因此產(chǎn)生了由二次回路壓降引起的電能計(jì)量誤差。這一誤差比起PT及電能表本身引起的誤差，在電能計(jì)量的綜合誤差中可能占有更大的比例。為了保證供電部門和用戶的利益，必須對(duì)PT的二次回路壓降定期進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試和校驗(yàn)。在“電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程DL448-2000”中對(duì)PT二次回路壓降有明確的規(guī)定。對(duì)于Ⅰ、Ⅱ類計(jì)費(fèi)電能計(jì)量裝置，PT的二次壓降不大于額定二次電壓的0.2%，其他計(jì)量裝置不應(yīng)大于額定二次電壓的0.5%。該誤差是指總合成誤差，包括了比差和角差，因此二次回路壓降測(cè)試儀器必須同時(shí)測(cè)量電壓的大小和相位，然后通過向量運(yùn)算得出誤差值^[1]。

    PT二次壓降的測(cè)試方法有有線測(cè)試法和無線測(cè)試法二種^[1-2]。有線測(cè)試法是傳統(tǒng)的基本方法，它是把PT側(cè)電壓及電能表側(cè)電壓同時(shí)通過導(dǎo)線引入PT二次壓降測(cè)試儀，用測(cè)差法測(cè)出回路的壓降誤差。它的最大缺點(diǎn)就是在測(cè)試時(shí)要臨時(shí)鋪設(shè)測(cè)試線纜，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且是帶電操作，有安全隱患。為了克服有線法的不足，提出了無線測(cè)試新方法，避免架設(shè)線纜的麻煩，如圖1所示。無線測(cè)試儀包含兩臺(tái)測(cè)試裝置（主機(jī)和從機(jī)），它是在PT二次端及電能表端分別測(cè)量出各自的電壓的大小及相位，測(cè)試命令和數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳送，然后主機(jī)通過數(shù)值處理得出回路的壓降。無線法是發(fā)展新方向，其關(guān)鍵技術(shù)是主從機(jī)的采集性能的一致性，即獨(dú)立測(cè)量的高精度和同步^[1-2]。該文重點(diǎn)研究同步問題。

1 同步技術(shù)

    在分布式系統(tǒng)中，各獨(dú)立單元（裝置）之間的同步協(xié)調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)之一。通常采用同步信號(hào)的方式來實(shí)現(xiàn)同步，同步信號(hào)可以采取多種多樣的形式^[3-5]。同步信號(hào)可以從系統(tǒng)內(nèi)部提供，也可以采用外部參照信號(hào)（例如全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）信號(hào)）。基于GPS同步技術(shù)的PT二次壓降的無線測(cè)試裝置已經(jīng)比較成熟^[6]，但GPS同步信號(hào)具有相當(dāng)大的局限性。例如在地下室或某些地形限制的變電站里無法得到正常的GPS同步信號(hào)，也就無法實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的同步。以下主要介紹基于局域信號(hào)同步的電流信號(hào)同步方式。

    基于電流同步方式以單相回路來說明，實(shí)施的方案如圖2所示。在回路的PT側(cè)ab和表計(jì)側(cè)a′b′各設(shè)置一個(gè)電流取樣頭CT和CT′，把二次回路電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓V和V′。然后將V和V′分別做適當(dāng)放大，利用過零比較器對(duì)其進(jìn)行過“0”檢測(cè)，產(chǎn)生的過“0”信號(hào)即可作為二側(cè)測(cè)試系統(tǒng)的同步源信號(hào)。

1.1 測(cè)試啟動(dòng)的同步

    為了保證PT側(cè)和表計(jì)側(cè)把同一個(gè)電流周期的過“0”信號(hào)作為同步信號(hào)，在主從測(cè)試裝置均作好準(zhǔn)備后，先讓從機(jī)處于等待命令狀態(tài)。在主機(jī)得到電流過“0”信號(hào)后，向副機(jī)通過電力線載波發(fā)出準(zhǔn)備測(cè)試命令，這聯(lián)絡(luò)時(shí)間遠(yuǎn)小于電流的周期，至此主從機(jī)都處于準(zhǔn)備啟動(dòng)測(cè)試狀態(tài)。在下一個(gè)電流過“0”信號(hào)到來時(shí)，主從機(jī)同時(shí)開始測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)測(cè)試的同步。

1.2 整電流周期測(cè)試的同步

    由于電網(wǎng)的頻率不是固定的，而是在一定范圍內(nèi)相對(duì)緩慢地變化的，所以要保證整電流周期的同步采集數(shù)據(jù)，還必須完成處理器對(duì)頻率的測(cè)試和測(cè)試時(shí)間步長(zhǎng)的自動(dòng)修正。頻率的測(cè)量只要利用處理系統(tǒng)的高頻脈沖和計(jì)數(shù)器結(jié)合電流過“0”信號(hào)很容實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，關(guān)鍵是步長(zhǎng)的修正或采集點(diǎn)數(shù)量的修正。這里主要介紹步長(zhǎng)的修正。

    測(cè)出的電流周期T是高速脈沖數(shù)，所以在固定采樣點(diǎn)數(shù)為N時(shí)，采樣步長(zhǎng)L應(yīng)為T/N，也是高速脈沖數(shù)。但它一般不是整數(shù)，而控制采樣必須是整數(shù)，因此有離散化的要求。如果將其作四舍五入的簡(jiǎn)單處理，步長(zhǎng)可能產(chǎn)生±0.5個(gè)脈沖周期的誤差，整個(gè)電流周期可能產(chǎn)生±0.5N個(gè)脈沖誤差，無法滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，需要適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正，合理處理計(jì)算出步長(zhǎng)的小數(shù)部分。由于處理器功能強(qiáng)大，修正的方式也有很多，比較有效的方法是把計(jì)算所得的步長(zhǎng)的整數(shù)部分作為基本步長(zhǎng)，然后隨著采樣的進(jìn)行對(duì)小數(shù)部分做積分，用積分值的取整值0或1來對(duì)下一步長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)行修正，就可以達(dá)到理想的不超過1個(gè)脈沖周期采集定時(shí)效果。

    通過采集啟動(dòng)的同步和采集步長(zhǎng)的修正，可以實(shí)現(xiàn)主從機(jī)對(duì)整周期的同步采集。這里，處理器的定時(shí)計(jì)數(shù)器采用上升沿觸發(fā)方式效果最佳。

2 基于電流同步的PT二次壓降無線測(cè)試系統(tǒng)

    采用以上介紹的同步技術(shù)的基于電流同步且整周期多點(diǎn)采樣的PT二次壓降無線測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖3所示^[7]。在實(shí)用上，由于GPS的同步性能優(yōu)異，在測(cè)試過程中如果有GPS的場(chǎng)合優(yōu)選基于GPS的方式^[6]。把兩者組合成一體的PT二次壓降無線測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。相應(yīng)的軟件架構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

    本文將多年相關(guān)浙江電力公司科技攻關(guān)項(xiàng)目中的基于電流同步關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。基于提供方案的新型PT二次回路壓降測(cè)試儀樣機(jī)的性能指標(biāo)能夠滿足國(guó)標(biāo)的要求^[7]，由于使用的方便性，將易于在行業(yè)內(nèi)迅速推廣。其中的同步源信號(hào)產(chǎn)生、整周期多點(diǎn)同步采集方法，對(duì)類似的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅志坤.電能計(jì)量在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)研制[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[2] 石娜，金心宇.基于分布式同步授時(shí)技術(shù)的二次壓降檢測(cè)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(10)：88-90.

[3] SINGH K M，SUMATHI P. Synchronization technique for Doppler signal extraction in ultrasonic vibration measurement systems[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2015，64(12)：3162-3172.

[4] LAMONACA F，GRIMALDI D，MORELLO R.Dynamic scheduling of trigger command for sub-microsecond alignment accuracy in distributed measurement system[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(7)：1795-1803.

[5] AMINIFAR F，SHAHIDEHPOUR M，F(xiàn)OTUHI-FIRUZABAD M，et al.Power system dynamic state estimation with synchronized phasor measurements[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(2)：352-363.

[6] 肖大雛，徐征.基于GPS的電壓向量測(cè)量的新方法及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30(3)：19-21.

[7] 張旭，兀學(xué)廣.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(11)：90-93.

作者信息:

陳國(guó)強(qiáng)1，朱重冶2

（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310018；2.寧波三維電測(cè)設(shè)備有限公司，浙江 寧波315032）