摘 要: 設計了一種用于電力變壓器空載及負載試驗的容量損耗測試儀器。該儀器具有以下特點:儀器對三相電壓電流同時采樣;基于旋轉式光電編碼器和液晶顯示屏的人機交互界面簡潔而高效;可編程計數器陣列PCA“捕獲”信號的過零點用于雙向過零平均鑒相,得到準確的相位差和周期;基于實時參數自尋優的軟件同步采樣,有效地減小了周期截斷誤差,提高了測量準確度;數字化功率測量引入了傳統的二表法和三表法,擴展了儀器的使用范圍;實際容量根據負載損耗用軟件查表的方法來判別;測量值已從試驗溫度折算到了參考溫度(75 ℃)時的值。

　　關鍵詞: 電力變壓器;功率損耗測量;容量判別;智能同步采樣;參考溫度折算

　　電力變壓器的容量損耗測試對于變壓器制造單位的出廠試驗,以及電力部門有效降低線損、防止高耗變壓器進入電網有著重要的意義。為此, 設計了一種用于電力變壓器的空載及負載試驗的容量損耗測試儀。該儀器所測的直接參數是三相電壓、三相電流、三相功率及試驗電源的頻率。空載試驗時根據所測數據計算出平均電壓、平均電流、總功率、空載電流和校正后的空載損耗;負載試驗時根據測量值計算出短路阻抗、短路損耗以及在額定電流下折算到75 ℃參考溫度時的短路損耗;基于軟件查表功能的設計,按照有關標準進行被測變壓器的容量判別[1-2] 。該儀器集多種試驗方式于一體,提供了二表法和三表法試驗。為適合直接測量和通過互感器測量,儀器的電壓測量范圍為0～500 V(125 V 與500 V 量程自動轉換);電流測量范圍為0 ～60 A(6 A與60 A 兩個量程)。在設計中結合先進芯片技術和軟件智能同步采樣測量策略,使儀器的電壓電流和功率的測量精度大為提高。

　　1 系統結構與工作原理

　　就測試儀的基本功能而言,實際上是一種對低功率因數的空載損耗和負載損耗進行采樣計算式測量的數字儀器。系統由三相電壓電流傳感器單元、信號調理單元、A/ D 轉換單元、微處理器、人機交互顯示單元、上位機通信單元、擴展存儲器單元和微型打印機驅動單元等幾部分構成,如圖1 所示。模擬信號經過傳感器隔離變換后進入信號調理單元,進行濾波和放大。調理后的信號送A/ D 轉換器MAX125 進行模數轉換。取三相電壓電流信號的六路過零點送微處理器作為相位捕獲。人機交互接口由液晶顯示屏和高速旋轉鼠標形成的指令輸入器構成。微型熱敏打印機用于試驗結果的打印。另外,通過串口芯片MAX202 構成簡易RS232 接口,可以將測量數據傳送給上位機。

　　1 .1 微處理器選擇

　　微處理器的選擇要使片內資源能適合系統的需求。選擇philips 公司的P89C51RD2 增強型單片微計算機,片內具有5 模塊可編程計數陣列PCA 用于頻率和相位的精密測量;硬件看門狗計數器WDT,防止程序跑飛的自復位; 64 K 程序存儲器,滿足了大容量復雜程序和屏顯漢字編碼的存儲;其增強型內核、引腳排列、指令系統都與增強型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研發的進度。

　　1 .2 傳感器和信號的前置處理

　　測試儀的三相電壓信號和三相電流信號由微型精密電壓傳感器和電流互感器引入。圖2 所示的是截于工程原理圖的A 相電壓信號的前置處理單元,圖2 中VT1 是PT43DO01 型無源交流電壓隔離傳感器模塊,將被測交流電壓隔離轉換成同頻同相的交流電流信號(隔離電壓達3 kV/ min),模塊是通過從輸入回路索取1 mA 電流來達到測量目的的, 具有0 .08 % 的線性度。圖中375 kΩ 的R120 和125kΩ 的R101 是模塊輸入信號的定標電阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定標電阻上的信號由微型繼電器K1 在125 V 和500 V 量程間切換; 模塊的輸出為跟蹤電流源輸出,滿度標稱輸出為1 mA, R9 是其采樣電阻, 滿度值為1 .5 V。圖2 中U3 是集成運放OP07,接成同相放大的形式,將被測信號尺度定標后送A/ D 模數轉換。兩個量程的放大反饋電阻是R3 和R4, U1 是3 二選一CMOS 模擬開關CD4053,將U3 運放同相放大電路的電流匯集點移至模擬開關的輸入端,也就是說,將用于量程切換的模擬開關接入同相放大運放電路電流匯集點的內側,這樣,模擬開關的導通電阻Ron 將被歸并入運放的輸入電阻,運放本身的高輸入阻抗使Ron 得以忽略。U6 是比較器LM311,在交流信號的過零時刻翻轉,供單片機的PCA 捕獲,得到頻率和相位。

　　B 相和C 相電壓信號的前置處理單元和圖2 所示是一樣的。三相電流信號的前置處理單元的原理也與此類似,只不過將其中的無源交流電壓隔離傳感器換成無源交流電流隔離傳感器, 50 A 和5 A的電流隔離傳感器CT53C101 和CT53C902, 均能在10 % ～120 % 的標稱輸入時保持0 .08 % 的線性度,滿度輸出分別為25 mA 和5 mA。

　　1 .3 A/ D 轉換器MAX125 的操作

　　為了保證對三相電壓、電流同時采樣,以消除由非同時采樣帶來的電壓和電流的角度差,選用2 片MAX 公司的MAX125 作為A/ D 轉換器件。MAX125 是內部帶有同時采樣保持器的高速2×4通道14 bit 位數據采集芯片,其每通道的轉換時間為3 μs,由于其本身集成了多路開關和采樣保持器,也使硬件電路得到了簡化, 提高了可靠性。但MAX125 是14 位并行數據總線結構, 單片機P89C51RD2 則是8 位數據總線接口, 它們不能直接相連, 所以要設計一個擴展電路, 如圖3 所示(圖3 是截于工程原理圖的A/ D 轉換器接口電路)。擴展接口由數據鎖存器U5 (74HC573)、數據緩沖器U4 ( 74HC245 )、可編程邏輯器件U10(ATF16V8) 等構成。將2 片MAX125 的14 根數據線D0～D13、讀有效線RD、寫有效線WR以及轉換啟動命令線CONVST 都并聯在一起, 對不同MAX125 的讀寫操作可有其對應的片選線ADCS1和ADCS2來區分。數據緩沖器74HC245 是雙向器件,數據傳送方向由引腳1 DIR 控制,DIR 為低電平時,單片機向MAX125 寫入初始化命令;DIR 為高電平時,單片機從MAX125 讀入模數轉換的結果。

　　對采樣三相電壓三相電流的2 片MAX125 是這樣操作的: 拉低CONVST,同時啟動電壓和電流的A/ D 轉換;轉換完成信號ADINT 可由電壓通道MAX125 給出,單片機被ADINT由高變低中斷后,開始讀取電壓數據。首先譯碼輸出ADCS1為低,選通電壓通道MAX125 , 同時RD為低, 這樣14 位數據并行輸出, 其中D8 ～D13 高6 位數據被鎖存到數據鎖存器74HC573 中,而低8 位數據通過緩沖器74HC245 直接被讀入到P89C51RD 內存中; 之后單片機進入第二次讀操作, 此次不選通MAX125即ADCS1保持為高電平, 而選通74HC573 (其OC腳和C 腳均為低),這樣將高6 位數據讀入到內存中, 完成一個采樣結果的讀取工作。后面的數據同此操作也可讀入到內存中。當3 路電壓數據( A、B、C 三相) 都讀入內存后, P89C51RD 再譯碼輸出ADCS2為低,選通電流通道的MAX125,接下去的操作同電壓轉換數據的讀取。如圖3 所示, 以上各個芯片,以及LCD 顯示屏和微型打印機的選通操作,都由可編程邏輯器件U10(ATF16V8)對單片機地址總線的高4 位和讀寫線的譯碼來完成。

　　1 .4 人機界面中的指令輸入器

　　儀器采用大屏幕(320× 240 點陣)液晶顯示器和高速旋轉鼠標構成人機交互界面。菜單嚴格分級,逐步引導操作,只需要開機,儀器提供的菜單就會引導完成所需要的試驗。所謂旋轉鼠標, 其實就是一種旋轉式光電編碼開關,作為指令輸入器,它有“左旋”、“ 右旋”和“ 按下選定”3 種操作,可用于菜單選項的選擇和選定,以及數字的設定和輸入。圖4是一種光電編碼開關的外形圖,其接口信號的編碼對應著2 位循環碼(格雷碼),循環碼的特點是由一個計數狀態變到下一個計數狀態的過程中, 只有一位數碼變化,因此在循環碼的譯碼器中,不會產生競爭冒險現象。但循環碼不能用二進制計算來判別大小和順序,所以要判別光電編碼開關是“ 左旋”還是“右旋”時,要引入接口信號現狀態和前狀態進行分支邏輯判斷,軟件編程稍稍復雜一點。旋轉式光電編碼開關的輸入邏輯與單片機的外中斷口相連,在軟件中精心設計中斷服務程序,無論指令輸入還是數字設定,均可高速操作,且手感也好。這種旋轉式光電編碼開關很適合于在智能儀器中用來作為人機交互的指令輸入器 。

　　2 測量策略與軟件設計

　　2 .1 功率測量原理

　　采樣計算式儀表測量交流電量的算法有多種,較實用的有傅里葉變換法和積分法。傅里葉變換法是將離散的采樣值經過離散傅里葉變換(DFT) 轉換到頻域,求出基波和諧波分量, 再求有效值及功率,實際使用中可以采用快速傅里葉變換(FF T)以提高運算速度,但對單片機系統來說計算量仍然偏大。采用的積分法就是從連續周期信號有效值的定義和功率的定義出發, 用數值積分近似代替連續積分進行計算。根據交流信號有效值定義,假如x 相( x = A、B、C)每信號周期A/ D 轉換N 次,第n 次的電壓轉換值為ux ( n),電流轉換值為ix ( n),則x 相的電壓、電流和功率的數值積分式為:

　　式(1) 至式(3) 中, ku 為電壓互感器系數,量程為500 V 檔時為1,量程125 V 檔時取PT 的變比; ki為電流互感器系數,量程為60 A 檔時為1,量程6 A檔時取CT 的變比;Cux 、Cix 分別為各相電壓和電流的幅值系數(儀器采用數字校準技術,滿幅值校準用軟件實現)。三表法時,功率P = PA + PB + PC。對于三相三線制系統(Y 或Δ接),且三相對稱,采用二表法時,測量原理如圖5 所示,每組接線中單個功率表的讀數無物理意義, 兩表讀數的代數和P = PAB + PCB 為三相負載吸收的總平均功率。

　　式(4) 和式(5) 中: uAB 和uCB 皆為線電壓的瞬時值。

　　2 .2 高精度測頻率和相位

　　頻率和相位測量的準確性對電功率采樣計算式儀表設計的成敗至關重要。頻率和相位一般是通過過零比較器獲取信號的過零點時刻來計算的。但由于受失調和溫漂的影響,將使比較器不能在實際的過零點及時翻轉。雙向過零平均鑒相技術運用了計量學中的系統誤差正反向抵消的方法,其結果將不再包括由比較器失調和溫漂等因數所引起的誤差。設置單片機的可編程計數器陣列PCA 模塊工作在上下沿均響應的捕獲狀態,獲取正向過零(上升沿)和負向過零(下降沿)的精確時刻,使頻率和相位測量的不確定度被限制在1～2 個td (定時器分辨率,系統晶振用12MHz,P89C51RD 工作在12 時鐘模式,td = 1 μs)。

　　2 .3 參數自尋優采樣法的實現

　　將信號的一個整周期(或多個整周期)進行均勻離散,在每一離散點處取其瞬時值,稱做同步采樣。同步采樣是假定N 次均勻采樣間隔T S 之和恰好等于一個周期T 或m 個周期mT 的理想采樣;但實際測量系統中由于環節和所用部件的不完善等原因,而難于嚴格實現這一要求并會出現同步誤差。用尋優的方法來確定采樣參數N 和T S , 以期最大限度地減小誤差,使系統的運作更接近于同步采樣的理想式N TS = (m) T。尋優判據是使同步誤差最小,這就是參數自尋優等間隔同步采樣的基本思路。

　　尋優時每信號周期采樣次數的下限的確定應滿足香農采樣定理,考慮到變壓器試驗電源為比較純凈的離網電源或獨立電源,故被測信號具有5 次以下諧波,按每信號周期要采樣10 次以上,最大采樣間隔為2 ms 左右。每信號周期采樣次數的上限的確定受A/ D 轉換器轉換速度和微處理器運算速度的限制。MAX125 使用16 MHz 的有源晶振作為時鐘輸入,系統編程設定2 片MAX125 為3 通道同時采樣,那么在CONVST 啟動信號的作用下, 芯片對輸入信號的采樣保持時間約為1 μs, 3 通道的A/D 轉換時間為9 μs, 轉換完成后結果儲存在芯片內部的4×14 bitRAM 中,從采樣工作開始到A/ D 轉換結束輸出中斷信號給CPU,一次工作周期共需要10 μs 的時間;單片機響應中斷最多只需要1 μs;從中斷響應到讀取2 片MAX125 共三相6 通道的數據并存儲RAM,CPU 的軟件開銷需花費36 個機器周期計432 個時鐘周期36 μs 時間。由以上分析可知,整個系統的一次數據采集周期最長約46 μs,即采樣率可以達到21 .7 kps,對工頻信號每周期采樣次數的上限可達434 次。取N 在10～400 之間,用爬山搜索和遍歷頻點的自尋優方法預先離線尋優計算出各頻點每測量周期的采樣次數N、采樣間隔TS 和校正參數kc,形成最優參數矩陣{ N( p) TS ( p) kc ( p)} 在存儲器中固化。對應工頻變化范圍49 .5～50 .5 Hz的403 個頻率點(定時器分辨率Td = 1 μs),所需要的自尋優參數為403 組,按每組參數6 個字節計,參數矩陣占據存儲器容量約2 .4 kB 字節。測量時單片機在“捕獲”了信號的實時周期時,即從矩陣中查表得對應信號周期的采樣參數和校正參數。N( p)和TS ( p)使采樣向同步逼近,并通過kc( p)用誤差補償的方法對采樣數據數值積分的結果進行校正。

　　2 .4 溫度折算

　　電力變壓器要求能在參考溫度(一般分兩種:75℃和135 ℃) 下長期運行,所以測量值也應從試驗時的環境溫度折算到參考溫度時的值。變壓器繞組在試驗溫度下的短路電阻

　　式(6)中: Pkt 為試驗溫度下的短路損耗; IN 為試驗時的相電流。折算到75 ℃時的短路電阻

　　式(7)中: t 為試驗時的溫度;αt 是導線的電阻溫度系數,銅材為0 .004 3/ ℃。折算到75℃時的短路損耗:

　　由式(6)、式(7)和式(8),得

　　2 .5 變壓器容量的判別

　　變壓器容量的判別,一般可以從被測變壓器的阻抗電壓(又稱短路阻抗)來進行推算[5-6 ] 。本文介紹的變壓器容量損耗測試儀,其容量判別采取了另一種方法。在有關的國家標準和行業標準中,用諸多表格詳細列出了各類各系列變壓器允許的負載損耗和空載電流的上下限范圍。那么,可以在儀器的存儲器中內置國標數據,儀器測出負載損耗后,用軟件查表后再向上靠攏的方法,得出被測變壓器的實際容量。這種方法既簡單,可信度又高。

　　3 結 語

　　由于測試儀的設計立足于先進的芯片技術和軟件技巧,并將智能采樣理論付諸于工程實踐,因而做到了儀器的低成本、高性能、多功能,而且易于使用和維護,受到了用戶的好評。

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