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(shí)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(hào)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(shí)間短、功耗低、性價(jià)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)二次回路電壓降引起的計(jì)量誤差最為突出，大約占電費(fèi)收入的1%-2%甚至更多，涉及電費(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，再通過電壓跟隨器進(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)一種測量精度高、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(dòng)跟蹤補(bǔ)償及監(jiān)測裝置很有必要。
 
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(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置能很好地解決以上問題。裝置以GPS信號(hào)作為TV二次線路兩端數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，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(shí)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，從而達(dá)到自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)哪康摹?BR>
1 自動(dòng)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(dòng)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(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)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(shí)間同步測量單元的設(shè)計(jì)：GPS系統(tǒng)1PPS(秒脈沖信號(hào))及100PPS和串口時(shí)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)：電力載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)：經(jīng)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變換的方法即可。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(hào)倍頻，用該倍頻信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。每次電壓過零時(shí)，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(shí)鐘信號(hào)由鎖相倍頻電路產(chǎn)生，電壓過零檢測產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過整形后作為計(jì)數(shù)器的開始計(jì)數(shù)信號(hào)，GPS的100PPS脈沖在單片機(jī)控制信號(hào)的作用下對計(jì)數(shù)器當(dāng)前值進(jìn)行鎖存，每個(gè)周期的相位采樣數(shù)據(jù)(從鎖存器讀)、GPS接收機(jī)1PPS信號(hào)以及它的時(shí)鐘標(biāo)簽同時(shí)被送至單片機(jī)進(jìn)行處理。

由于電壓互感器二次線路壓降補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案要求相差測量精度為