容性設備絕緣監(jiān)測數據采集系統硬件電路設計

摘要：介紹了容性設備在線絕緣性能檢測系統中，數據采集硬件電路的設計思路。采用DSP技術實現數字濾波和相位換算。提高了系統的抗干擾能力。16位雙極性A／D轉換器，大大提高了信號的精度。采用程控增益的辦法，提高了系統增益的穩(wěn)定性?，F場采集的實時數據來看，交流信號電流幅值偏差在±5％之內，相位的誤差為0～3％，并且硬件系統穩(wěn)定可靠。
關鍵詞：DSP2812容性設備；介質損耗；數據采集；ADS8365

0 引言
容性設備是指絕緣結構采用電容屏的電氣設備，主要包括耦合電容器(OY)、套管、電流互感器(CT)以及電容式電壓互感器(CVT)等。在變電站中，高壓容性設備是其重要的組成部分。這些高壓容性設備絕緣性能的好壞，對于整個變電站的運行安全至關重要?，F有的技術手段是通過測量介質損耗tan δ及電容量Cx，可較為靈敏地發(fā)現電容型設備的絕緣缺陷。目前所有的在線監(jiān)測系統均把介損作為重點測量的對象。
為了提高系統監(jiān)測的精度，本系統采用基于相對本地測量單元的數字介損測量技術。放棄傳統的過零比較技術，利用TMS320F2812具有較強的數字運算能力，通過DFT算法，精確的提高系統介損測量的準確度。

1 數據采集系統設計方案
在以往的系統設計中，通常采用母線的電壓作為基準進行測試，但是這種測試方式經常會受到現場環(huán)境和傳輸過程的干擾影響。為了減小干擾，可以采用系統的供電電源為基準源。這樣不但可以減小干擾提高精度，操作起來也十分的方便。系統測量的方案如圖1所示，在該系統中，假設流過系統的阻性電流為Ix，而系統的容性電流為In。同時，設基準源流過參考電阻Rs的電流為Is。利用高精度電流傳感器把被測電流信號Ix，In變換為電壓信號Ux，Un。電流傳感器在±12 V直流電源的供電下可以將100μA～700 mA的電流信號轉換成電信號輸出。電壓信號的峰值為0～10 V。然后由數字化測量系統對信號進行同步采樣及傅里葉變換處理，獲得這兩個信號的基波向量及其相位夾角phUx-phUn。如果不考慮電壓互感器(PT)的相位失真問題，則可方便地計算出電容型設備Cx的介質損耗tan δ值。

電容型設備的介損測量通常需要選用母線電壓作為相位測量的基準。傳統的處理方式是把母線PT的二次側電壓信號直接提供給檢測系統，其主要缺點是現場布線復雜，模擬信號在長距離的傳送過程中易受電磁場干擾的影響，有可能導致介損測量結果失真。本方案所設計的絕緣監(jiān)測系統采用信號處理單元的220 VAC電源作為參考基準，不用將PT二次信號進行遠距離傳輸。該方法較好地解決了基準電壓信號的取樣問題，也是目前比較通用的解決方式。
由圖1可知，該系統主要由兩個數據采集單元組成。每個采集單元都包含了信號調理和A／D采樣兩個部分。

2 硬件電路設計
對于設備阻性電流和容性電流的獲得是通過有源零磁通傳感器來實現的。該電流傳感器相對于傳統的無源電流傳感器來講能夠大大提高對微電流信號測量的準確度。其電流精度可以達到微安數量級。如此高的精度對于復雜環(huán)境中的容性設備來講，信號調理電路的設計和軟件濾波器的設計尤為重要。
2．1 放大電路
本系統放大電路采用動態(tài)增益的辦法實現。其具體電路如圖2所示，CH1 A，CH1 B，CH1 C接CPLD，由CPLD進行控制。即如圖3中的風通過數字控制的方式來實現。主控芯片CPLD選用EPM3128ATC100-10，該芯片是一款高性能、低功耗、基于E2PROM的可編程邏輯器件，片內集成了2 500個可用門，8個邏輯陣列模塊(LAB)，每個LAB由16個宏單元組成，最多為用戶提供80個I／O口，通過JTAG接口進行在線編程，可以進行100次的程序燒寫。選用該芯片主要基于以下幾點考慮：Altera器件采用銅鋁布線的先進CMOS技術，功耗低、速度快，采用互連結構，提供快速、連續(xù)的信號延時和具有相同延時的時鐘總線結構。邏輯集成度高，開發(fā)周期短，使用專用軟件設計輸入、處理、校驗及器件編程一共僅需幾個小時。FPGA／CPLD中寄存器資源或組合邏輯資源比較豐富，更適合于時序電路和組合邏輯電路的設計。

為了防止信號的振蕩，電路中增加電容C3，對其進行消除振蕩影響。