陳昕1，周哲玲 1，鄧建清 2
（1. 廣東電網有限責任公司汕頭,汕頭515041）
（2.長沙天恒測控技術有限公司，長沙410100）
摘要：針對 RC 阻容網絡檢定氧化鋅避雷器測試儀的不足,研究了氧化鋅避雷器測試儀諧波電流檢測技術,提出了一種金屬氧化物避雷器測試儀校準裝置。對反饋信號進行離散傅里葉變換 ( DFT ) ,消除高次諧波。闡述了校準裝置的硬件設計方案及各功能模塊的工作原理、軟件設計方案的工作流程。最后,試驗證明了該校準裝置的可行性,其與傳統的 RC 阻容網絡方法相比更具優勢。
關鍵詞：避雷器 FPGA 標準信號發生器 DFT 高次諧波消除 模數轉換 上位機
中圖分類號：TH86；TP72 文獻標志碼：A
DOI: 10.16086/ki.issn 1000-0380.201609017
Abstract: To against the deficiencies in calibrating the tester of MOA by using resistor-capacitor network,the harmonic current detection technique of the tester of MOA is researched,the calibration device for tester of metal oxide arrester is given.The discrete Fourier transform ( DFT ) of feedback signal is canducted to eliminate the higher order harmonics.The design scheme of the hardware of calibration device;the feasibility of this calibration device;comparing with traditional method of using RC network,it is more superior.
Key words: Arrester Field programmable gate array ( FPGA ) Standard signal generator Discrete fourier transform（ DFT ） Higher order harmonics elimination Analog digital conversion Host computer
1. 引言
金屬氧化鋅避雷器（metal oxide arrester，MOA）利用金屬氧化鋅的非線性特性進行開斷電流，是電力系統中使用廣泛的一次過電壓保護設備。作用于MOA的電壓不同，將會引起 MOA 中的氧化鋅閥片性質發生劇烈變化。在雷電電壓作用下，閥片呈現低阻狀態，且電壓消失后，可恢復為高阻態.正常工作電壓下，MOA 處于高阻狀態，但會有電流流過閥片。由于長期在大電壓等級以及戶外的環境下運行，避雷器的工作性能會出現變化，并且極易發生損壞[1]。而避雷器發生故障的后果非常嚴重，不僅會喪失保護設備及線路的基本功能，甚至還會造成電力系統過壓事故。為保證 MOA 正常運行，必須對其進行定期檢測。對于 MOA 預防性試驗，國內外研制了各種 MOA 測試儀。而針對這些測試儀，國家并沒有制定相應的校準規范。目前檢驗 MOA 測試儀的方法主要是標準信號發生器法和 RC 阻容網絡法。
傳統的 RC 阻容網絡法所需的試驗設備包括自偶式調壓器、交流電壓表、交流電流表、交流電阻箱以及交流電容箱，對試驗設備要求不高[2]。其不足之處是回路接線繁瑣、操作復雜、工作效率低；標準電壓器和電容器并非理想元器件，會引入殘余電感和分布電容。在交流電路中，電阻器的時間常數不為 0，其引起的誤差約為百分之幾；電容器也存在一定的損耗因數，引起的誤差將近千分之幾[3]。且電路中無法產生3次諧波電流，測試數據單一，相角不易靈活設置等眾多因素影響校驗結果的一致性。本文提出了一種金屬氧化物避雷器測試儀的校準裝置。
2. DFT 信號處理
電流輸出信號經過I/V轉換，信號調理后，由模數轉換器轉換為數字信號傳遞給現場可編程門陣列（field programmable gate array,FPGA），調整輸出信號的幅值和相位，消除高次諧波噪聲。輸入信號為：
令信號頻率為f0，采樣頻率為fs,采樣序列長度為N。則采樣得到的離散序列為：
若令
,則
則序列 x[n] 的離散傅里葉變換[4-5]為：
當 q 為整數時，且 q=k 時，
;當 q=3k 時，
;當q≠k，或 3k 時，
。此時，頻譜不發生泄漏。當q不為整數時，則 X[k] 均不為 0，此時發生頻譜泄漏現象[6]。系統中 q=16 ,符合 q 為整數的條件。對信號進行離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT），從頻域的角度對反饋的數字信號進行分析。
假設信號被 5 次諧波和 7 次諧波污染，令所有諧波幅值為 0.1 A。經過傅里葉變換，得到信號頻譜圖。
通過疊加反向的5次諧波和7次諧波信號，消除由后續硬件引起的高次諧波影響。
3. 硬件設計
硬件電路總體結構如圖1所示。圖1中，Zx 為被檢 MOA 測試儀的等效電阻。
圖1 硬件電路總體結構框圖
Fig.1 Overall structure of the hardware circuitry
3.1 主控電路
微處理器使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32 位的 RISC 內核，工作頻率為 72 MHz，內置高速存儲器(高達 512 KB 的閃存和 64 KB 的 SRAM )，豐富的增強 I/O 端口和聯接到兩條 APB 總線的外設。多達 112 個快速 I/O 端口。微處理器主要同外設進行通信，進行數據顯示、響應按鍵操作等，并與 FPGA 進行協議約定，控制 PFGA 進行數字信號處理。
FPGA[6-7]主要負責以下3項工作：
① 接收模數轉換器反饋的信號，對標準輸出信號進行幅值和相位調節。同時，對反饋信號進行離散傅里葉變換。設定單個周期采樣 256 個點，則 fs=256f0 。如果采樣點數控制 N=256×16=4096, 可以保證 q 為整數，不發生頻譜泄漏。對信號進行頻譜分析，信號發生時疊加反向諧波信號，抵消噪聲及高次諧波，降低波形的失真度。
② 根據奈奎斯特采樣定律，輸出序列長度為 N=4096 的離散數字信號，將信號傳遞給數模轉換器，并進行數模轉換。在系統允許的失真度情況下，且保證 fs≥2fM，fs 越大，由數模轉換器轉換的模擬信號越接近原始信號。
③ 同微處理器進行約定，接收微處理器發出的命令，進行復雜的運算處理。
圖2 FPGA功能框圖
Fig.2 Functional block diagram of FPGA
3.2 采樣電路
16 位 A/D 和 D/A 負責信號的模數和數模轉換，A/D 轉換器將電壓、電流信號轉換為離散的數字信號，便于FPGA 處理。D/A 轉換器將離散的數字信號轉換成穩定度非常高的正弦波電壓信號和電流信號。A/D 和 D/A 轉換器的分辨率應該與 FPGA 采樣頻率 fs 相匹配，否則會直接影響到后續的數據處理效果。
3.3模擬信號輸出電路
從 D/A 輸出的模擬信號 [8-9]通過 OP1、OP3 進行信號調理后，經過低通濾波器將基波和 3 次諧波之外的噪聲和高次諧波濾除，再進行功率放大驅動輸出變壓器進行輸出。電流信號通過I/V轉換模塊、電壓信號通過 V/V 轉換模塊進行反饋，再經過 OP2、OP4 信號調理，將輸出信號反饋至 OP1、OP3 的輸入端，并通過模數轉換器 ADC 傳遞至 FPGA。FPGA 調節輸出標準信號幅值和相位，并對信號進行頻域分析，疊加反向高次諧波信號，以抵消由硬件電路引入的噪聲，降低波形失真度，改善負載特性，最終形成穩定的閉環反饋控制電路。
3.4 上位機
微處理器通過 RS-232 與上位機進行通信。上位機安裝監控和通訊軟件，設有人機對話界面；讀取被檢金屬氧化鋅避雷器測試儀數據，進行誤差計算。
4. 軟件設計
本設計采用實時嵌入式操作系統[10]作為開發平臺。系統上電后，首行初始化配置，包括主時鐘、I/O口、SPI 模塊等。初始化成功后，讀取上位機界面設定的 Up、IPR1、IPR3、IPC1 值，如果設定值超過輸出上限，系統報警，需重新設定。根據設定值判斷是否需要切換電壓量程，選擇量程輸出電壓；判斷 IPR1、IPR3、IPC1 電流是否需要切換量程，選擇量程輸出電流，以提高輸出精度。同時上位機通過 RS-232 或 RS-485 讀取被檢測試儀數據，計算誤差值。程序流程如圖 3 所示。
圖3 程序流程圖
Fig.3 Flowchart of program
5. 數據分析
對校準裝置參比電壓輸出和諧波電流輸出的性能進行驗證，如表 1 和表 2 所示。220V 量程的參比電壓相對誤差不大于 0.05%； 20 mA 量程的阻性基波電流和容性基波電流的相對誤差均不大于 0.07%，3 次諧波電流相對誤差不大于 1%；相角誤差不大于 0.01°。數據符合標準裝置的相關計量要求。
表1 220V量程參比電壓誤差
Tab.1 Errors of reference voltage in the range of 220 V
表2 20mA量程電流誤差
Tab.2 Errors of current in the range of 20 mA
6. 結束語
金屬氧化物蓓蕾器測試儀校準裝置采用基于 FPGA 的標準信號發生器法，通過 DFT，從頻域的角度對信號進行分析。通過疊加反向高次諧波，抵消由硬件電路引入的噪聲，降低波形失真度。相比 RC 阻容網絡方法，該裝置具有精度高、相位調節靈活和操作便捷等優點。避免了因電阻、電容受外界因素影響而引入的誤差，明顯提高了檢定裝置的精度和穩定度。
參 考 文 獻
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