基于GPS的電壓向量測量的新方法及其應用

摘　要：介紹了一種應用GPS時(shí)鐘同步采樣技術(shù)測量電壓互感器二次線(xiàn)路壓降的新方法，該方法結合對50Hz工頻信號鎖相倍頻產(chǎn)生計數脈沖的方式，測量壓降的相位差，使檢測具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、測量時(shí)間短、功耗低、性?xún)r(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(zhù)電力系統體制改革的深化，廠(chǎng)網(wǎng)分家的模式已初步形成。發(fā)電廠(chǎng)上網(wǎng)電量及電網(wǎng)間電量交換的精確計量直接關(guān)系到結算雙方的經(jīng)濟利益，因此減小電能計量裝置的綜合誤差是十分重要的。實(shí)際測試的結果表明，電能計量綜合誤差中電壓互感器(TV)二次回路電壓降引起的計量誤差最為突出，大約占電費收入的1%-2%甚至更多，涉及電費數百萬(wàn)元。為減小該誤差，目前普遍通過(guò)鋪設測試電纜進(jìn)行壓降的檢測，再通過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行跟蹤補償。這種方法測量功能有限，而且需要鋪設很長(cháng)的電纜，在距離遠、地形復雜的地方甚至無(wú)法進(jìn)行，這類(lèi)裝置使用麻煩且不能實(shí)現在線(xiàn)監測。因而開(kāi)發(fā)一種測量精度高、無(wú)需鋪設專(zhuān)用電纜、具有遠程通信功能的新型電壓互感器二次回路壓降自動(dòng)跟蹤補償及監測裝置很有必要。
 
基于全球衛星定位系統(GPS)的電壓互感器二次線(xiàn)路壓降自動(dòng)跟蹤補償裝置能很好地解決以上問(wèn)題。裝置以GPS信號作為T(mén)V二次線(xiàn)路兩端數據采集的同步信號，同步測量TV輸出端口和電能表輸入端口的電壓向量，結合鎖相倍頻技術(shù)，使系統的準確性和穩定性得到保證；并以電力線(xiàn)載波通信的方式進(jìn)行數據通信，免去了鋪設電纜的麻煩和安全隱患；通過(guò)D/A轉換實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓補償，從而達到自動(dòng)跟蹤補償的目的。

1 自動(dòng)跟蹤補償裝置的總體結構

系統結構如圖1所示。

基于GPS的電壓互感器二次線(xiàn)路壓降載波式自動(dòng)跟蹤補償裝置由測量主機和測量從機兩部分構成。主機除了測量二次儀表輸入口的電壓參數以外，還向從機發(fā)送控制命令并接收測量數據，計算二次線(xiàn)路壓降，通過(guò)D/A轉換輸出補償電壓，通過(guò)串口與上位機通訊實(shí)現遠程監控和數據共享。從機結構與主機類(lèi)似，只是沒(méi)有D/A補償模塊，它能與主機通訊，按主機命令對TV輸出端口的電壓參數進(jìn)行測量，并將實(shí)時(shí)數據及時(shí)地發(fā)送到測量主機。

裝置的設計主要包括以下內容：(1)基于GPS的高精度時(shí)間同步測量單元的設計：GPS系統1PPS(秒脈沖信號)及100PPS和串口時(shí)間代碼的提取、同步測量電壓向量及計算處理二次壓降。(2)電力線(xiàn)載波通信模塊的設計：電力載波通信線(xiàn)路要求具備雙工通信的能力、比較穩定的相移特性，以及足夠的輸出功率。經(jīng)過(guò)反復試驗比較，在TV二次線(xiàn)路上采用專(zhuān)用的電力載波數據通信芯片LM1893設計電力載波數據通信模塊，通信距離達500m，能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)檢測的需要。(3)D/A補償模塊的設計：經(jīng)單片機計算處理后的二次壓降補償值通過(guò)D/A轉換器轉換成模擬量，通過(guò)功率放大器后串聯(lián)迭加到二次儀表輸入端口，對二次線(xiàn)路上的電壓損失進(jìn)行補償。

2 基于GPS的電壓向量測量

壓降測量是通過(guò)分別檢測TV二次線(xiàn)路兩端的電壓向量(應檢測出幅值和相位)，然后將兩端測量值相減從而得出線(xiàn)路壓降值的幅值差和相位差。電壓的幅值測量較易滿(mǎn)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(guò)鎖相環(huán)電路將電網(wǎng)頻率信號倍頻，用該倍頻信號作為計數器的時(shí)鐘信號。每次電壓過(guò)零時(shí)，計數器重新開(kāi)始計數。通過(guò)讀取TV二次線(xiàn)路兩端計數值并計算差值從而得出相位差。其結構圖如圖2所示。計數器時(shí)鐘信號由鎖相倍頻電路產(chǎn)生，電壓過(guò)零檢測產(chǎn)生的信號經(jīng)過(guò)整形后作為計數器的開(kāi)始計數信號，GPS的100PPS脈沖在單片機控制信號的作用下對計數器當前值進(jìn)行鎖存，每個(gè)周期的相位采樣數據(從鎖存器讀)、GPS接收機1PPS信號以及它的時(shí)鐘標簽同時(shí)被送至單片機進(jìn)行處理。

由于電壓互感器二次線(xiàn)路壓降補償裝置的設計方案要求相差測量精度為