摘 要: 設(shè)計(jì)了一種用于電力變壓器空載及負(fù)載試驗(yàn)的容量損耗測(cè)試儀器。該儀器具有以下特點(diǎn):儀器對(duì)三相電壓電流同時(shí)采樣;基于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器和液晶顯示屏的人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔而高效;可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA“捕獲”信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)用于雙向過(guò)零平均鑒相,得到準(zhǔn)確的相位差和周期;基于實(shí)時(shí)參數(shù)自尋優(yōu)的軟件同步采樣,有效地減小了周期截?cái)嗾`差,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度;數(shù)字化功率測(cè)量引入了傳統(tǒng)的二表法和三表法,擴(kuò)展了儀器的使用范圍;實(shí)際容量根據(jù)負(fù)載損耗用軟件查表的方法來(lái)判別;測(cè)量值已從試驗(yàn)溫度折算到了參考溫度(75 ℃)時(shí)的值。

　　關(guān)鍵詞: 電力變壓器;功率損耗測(cè)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(cè)試對(duì)于變壓器制造單位的出廠試驗(yàn),以及電力部門(mén)有效降低線損、防止高耗變壓器進(jìn)入電網(wǎng)有著重要的意義。為此, 設(shè)計(jì)了一種用于電力變壓器的空載及負(fù)載試驗(yàn)的容量損耗測(cè)試儀。該儀器所測(cè)的直接參數(shù)是三相電壓、三相電流、三相功率及試驗(yàn)電源的頻率?？蛰d試驗(yàn)時(shí)根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(fù)載試驗(yàn)時(shí)根據(jù)測(cè)量值計(jì)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(shí)的短路損耗;基于軟件查表功能的設(shè)計(jì),按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行被測(cè)變壓器的容量判別[1-2] 。該儀器集多種試驗(yàn)方式于一體,提供了二表法和三表法試驗(yàn)。為適合直接測(cè)量和通過(guò)互感器測(cè)量,儀器的電壓測(cè)量范圍為0～500 V(125 V 與500 V 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換);電流測(cè)量范圍為0 ～60 A(6 A與60 A 兩個(gè)量程)。在設(shè)計(jì)中結(jié)合先進(jìn)芯片技術(shù)和軟件智能同步采樣測(cè)量策略,使儀器的電壓電流和功率的測(cè)量精度大為提高。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　就測(cè)試儀的基本功能而言,實(shí)際上是一種對(duì)低功率因數(shù)的空載損耗和負(fù)載損耗進(jìn)行采樣計(jì)算式測(cè)量的數(shù)字儀器。系統(tǒng)由三相電壓電流傳感器單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/ D 轉(zhuǎn)換單元、微處理器、人機(jī)交互顯示單元、上位機(jī)通信單元、擴(kuò)展存儲(chǔ)器單元和微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等幾部分構(gòu)成,如圖1 所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器隔離變換后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理單元,進(jìn)行濾波和放大。調(diào)理后的信號(hào)送A/ D 轉(zhuǎn)換器MAX125 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。取三相電壓電流信號(hào)的六路過(guò)零點(diǎn)送微處理器作為相位捕獲。人機(jī)交互接口由液晶顯示屏和高速旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)形成的指令輸入器構(gòu)成。微型熱敏打印機(jī)用于試驗(yàn)結(jié)果的打印。另外,通過(guò)串口芯片MAX202 構(gòu)成簡(jiǎn)易R(shí)S232 接口,可以將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

　　1 .1 微處理器選擇

　　微處理器的選擇要使片內(nèi)資源能適合系統(tǒng)的需求。選擇philips 公司的P89C51RD2 增強(qiáng)型單片微計(jì)算機(jī),片內(nèi)具有5 模塊可編程計(jì)數(shù)陣列PCA 用于頻率和相位的精密測(cè)量;硬件看門(mén)狗計(jì)數(shù)器WDT,防止程序跑飛的自復(fù)位; 64 K 程序存儲(chǔ)器,滿足了大容量復(fù)雜程序和屏顯漢字編碼的存儲(chǔ);其增強(qiáng)型內(nèi)核、引腳排列、指令系統(tǒng)都與增強(qiáng)型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研發(fā)的進(jìn)度。

　　1 .2 傳感器和信號(hào)的前置處理

　　測(cè)試儀的三相電壓信號(hào)和三相電流信號(hào)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(hào)的前置處理單元,圖2 中VT1 是PT43DO01 型無(wú)源交流電壓隔離傳感器模塊,將被測(cè)交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的交流電流信號(hào)(隔離電壓達(dá)3 kV/ min),模塊是通過(guò)從輸入回路索取1 mA 電流來(lái)達(dá)到測(cè)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(hào)的定標(biāo)電阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定標(biāo)電阻上的信號(hào)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(biāo)稱(chēng)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(yùn)放OP07,接成同相放大的形式,將被測(cè)信號(hào)尺度定標(biāo)后送A/ D 模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩個(gè)量程的放大反饋電阻是R3 和R4, U1 是3 二選一CMOS 模擬開(kāi)關(guān)CD4053,將U3 運(yùn)放同相放大電路的電流匯集點(diǎn)移至模擬開(kāi)關(guān)的輸入端,也就是說(shuō),將用于量程切換的模擬開(kāi)關(guān)接入同相放大運(yùn)放電路電流匯集點(diǎn)的內(nèi)側(cè),這樣,模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron 將被歸并入運(yùn)放的輸入電阻,運(yùn)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(hào)的過(guò)零時(shí)刻翻轉(zhuǎn),供單片機(jī)的PCA 捕獲,得到頻率和相位。

　　B 相和C 相電壓信號(hào)的前置處理單元和圖2 所示是一樣的。三相電流信號(hào)的前置處理單元的原理也與此類(lèi)似,只不過(guò)將其中的無(wú)源交流電壓隔離傳感器換成無(wú)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(biāo)稱(chēng)輸入時(shí)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(zhuǎn)換器MAX125 的操作

　　為了保證對(duì)三相電壓、電流同時(shí)采樣,以消除由非同時(shí)采樣帶來(lái)的電壓和電流的角度差,選用2 片MAX 公司的MAX125 作為A/ D 轉(zhuǎn)換器件。MAX125 是內(nèi)部帶有同時(shí)采樣保持器的高速2×4通道14 bit 位數(shù)據(jù)采集芯片,其每通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3 μs,由于其本身集成了多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器,也使硬件電路得到了簡(jiǎn)化, 提高了可靠性。但MAX125 是14 位并行數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu), 單片機(jī)P89C51RD2 則是8 位數(shù)據(jù)總線接口, 它們不能直接相連, 所以要設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)展電路, 如圖3 所示(圖3 是截于工程原理圖的A/ D 轉(zhuǎn)換器接口電路)。擴(kuò)展接口由數(shù)據(jù)鎖存器U5 (74HC573)、數(shù)據(jù)緩沖器U4 ( 74HC245 )、可編程邏輯器件U10(ATF16V8) 等構(gòu)成。將2 片MAX125 的14 根數(shù)據(jù)線D0～D13、讀有效線RD、寫(xiě)有效線WR以及轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令線CONVST 都并聯(lián)在一起, 對(duì)不同MAX125 的讀寫(xiě)操作可有其對(duì)應(yīng)的片選線ADCS1和ADCS2來(lái)區(qū)分。數(shù)據(jù)緩沖器74HC245 是雙向器件,數(shù)據(jù)傳送方向由引腳1 DIR 控制,DIR 為低電平時(shí),單片機(jī)向MAX125 寫(xiě)入初始化命令;DIR 為高電平時(shí),單片機(jī)從MAX125 讀入模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

　　對(duì)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(shí)啟動(dòng)電壓和電流的A/ D 轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換完成信號(hào)ADINT 可由電壓通道MAX125 給出,單片機(jī)被ADINT由高變低中斷后,開(kāi)始讀取電壓數(shù)據(jù)。首先譯碼輸出ADCS1為低,選通電壓通道MAX125 , 同時(shí)RD為低, 這樣14 位數(shù)據(jù)并行輸出, 其中D8 ～D13 高6 位數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器74HC573 中,而低8 位數(shù)據(jù)通過(guò)緩沖器74HC245 直接被讀入到P89C51RD 內(nèi)存中; 之后單片機(jī)進(jìn)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(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中, 完成一個(gè)采樣結(jié)果的讀取工作。后面的數(shù)據(jù)同此操作也可讀入到內(nèi)存中。當(dāng)3 路電壓數(shù)據(jù)( A、B、C 三相) 都讀入內(nèi)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。如圖3 所示, 以上各個(gè)芯片,以及LCD 顯示屏和微型打印機(jī)的選通操作,都由可編程邏輯器件U10(ATF16V8)對(duì)單片機(jī)地址總線的高4 位和讀寫(xiě)線的譯碼來(lái)完成。

　　1 .4 人機(jī)界面中的指令輸入器

　　儀器采用大屏幕(320× 240 點(diǎn)陣)液晶顯示器和高速旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)構(gòu)成人機(jī)交互界面。菜單嚴(yán)格分級(jí),逐步引導(dǎo)操作,只需要開(kāi)機(jī),儀器提供的菜單就會(huì)引導(dǎo)完成所需要的試驗(yàn)。所謂旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo), 其實(shí)就是一種旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān),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(xiàng)的選擇和選定,以及數(shù)字的設(shè)定和輸入。圖4是一種光電編碼開(kāi)關(guān)的外形圖,其接口信號(hào)的編碼對(duì)應(yīng)著2 位循環(huán)碼(格雷碼),循環(huán)碼的特點(diǎn)是由一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)變到下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的過(guò)程中, 只有一位數(shù)碼變化,因此在循環(huán)碼的譯碼器中,不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。但循環(huán)碼不能用二進(jìn)制計(jì)算來(lái)判別大小和順序,所以要判別光電編碼開(kāi)關(guān)是“ 左旋”還是“右旋”時(shí),要引入接口信號(hào)現(xiàn)狀態(tài)和前狀態(tài)進(jìn)行分支邏輯判斷,軟件編程稍稍復(fù)雜一點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)的輸入邏輯與單片機(jī)的外中斷口相連,在軟件中精心設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序,無(wú)論指令輸入還是數(shù)字設(shè)定,均可高速操作,且手感也好。這種旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)很適合于在智能儀器中用來(lái)作為人機(jī)交互的指令輸入器 。

　　2 測(cè)量策略與軟件設(shè)計(jì)

　　2 .1 功率測(cè)量原理

　　采樣計(jì)算式儀表測(cè)量交流電量的算法有多種,較實(shí)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(jīng)過(guò)離散傅里葉變換(DFT) 轉(zhuǎn)換到頻域,求出基波和諧波分量, 再求有效值及功率,實(shí)際使用中可以采用快速傅里葉變換(FF T)以提高運(yùn)算速度,但對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)計(jì)算量仍然偏大。采用的積分法就是從連續(xù)周期信號(hào)有效值的定義和功率的定義出發(fā), 用數(shù)值積分近似代替連續(xù)積分進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)交流信號(hào)有效值定義,假如x 相( x = A、B、C)每信號(hào)周期A/ D 轉(zhuǎn)換N 次,第n 次的電壓轉(zhuǎn)換值為ux ( n),電流轉(zhuǎn)換值為ix ( n),則x 相的電壓、電流和功率的數(shù)值積分式為:

　　式(1) 至式(3) 中, ku 為電壓互感器系數(shù),量程為500 V 檔時(shí)為1,量程125 V 檔時(shí)取PT 的變比; ki為電流互感器系數(shù),量程為60 A 檔時(shí)為1,量程6 A檔時(shí)取CT 的變比;Cux 、Cix 分別為各相電壓和電流的幅值系數(shù)(儀器采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù),滿幅值校準(zhǔn)用軟件實(shí)現(xiàn))。三表法時(shí),功率P = PA + PB + PC。對(duì)于三相三線制系統(tǒng)(Y 或Δ接),且三相對(duì)稱(chēng),采用二表法時(shí),測(cè)量原理如圖5 所示,每組接線中單個(gè)功率表的讀數(shù)無(wú)物理意義, 兩表讀數(shù)的代數(shù)和P = PAB + PCB 為三相負(fù)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(shí)值。

　　2 .2 高精度測(cè)頻率和相位

　　頻率和相位測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)電功率采樣計(jì)算式儀表設(shè)計(jì)的成敗至關(guān)重要。頻率和相位一般是通過(guò)過(guò)零比較器獲取信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻來(lái)計(jì)算的。但由于受失調(diào)和溫漂的影響,將使比較器不能在實(shí)際的過(guò)零點(diǎn)及時(shí)翻轉(zhuǎn)。雙向過(guò)零平均鑒相技術(shù)運(yùn)用了計(jì)量學(xué)中的系統(tǒng)誤差正反向抵消的方法,其結(jié)果將不再包括由比較器失調(diào)和溫漂等因數(shù)所引起的誤差。設(shè)置單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA 模塊工作在上下沿均響應(yīng)的捕獲狀態(tài),獲取正向過(guò)零(上升沿)和負(fù)向過(guò)零(下降沿)的精確時(shí)刻,使頻率和相位測(cè)量的不確定度被限制在1～2 個(gè)td (定時(shí)器分辨率,系統(tǒng)晶振用12MHz,P89C51RD 工作在12 時(shí)鐘模式,td = 1 μs)。

　　2 .3 參數(shù)自尋優(yōu)采樣法的實(shí)現(xiàn)

　　將信號(hào)的一個(gè)整周期(或多個(gè)整周期)進(jìn)行均勻離散,在每一離散點(diǎn)處取其瞬時(shí)值,稱(chēng)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(gè)周期T 或m 個(gè)周期mT 的理想采樣;但實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中由于環(huán)節(jié)和所用部件的不完善等原因,而難于嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)這一要求并會(huì)出現(xiàn)同步誤差。用尋優(yōu)的方法來(lái)確定采樣參數(shù)N 和T S , 以期最大限度地減小誤差,使系統(tǒng)的運(yùn)作更接近于同步采樣的理想式N TS = (m) T。尋優(yōu)判據(jù)是使同步誤差最小,這就是參數(shù)自尋優(yōu)等間隔同步采樣的基本思路。

　　尋優(yōu)時(shí)每信號(hào)周期采樣次數(shù)的下限的確定應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理,考慮到變壓器試驗(yàn)電源為比較純凈的離網(wǎng)電源或獨(dú)立電源,故被測(cè)信號(hào)具有5 次以下諧波,按每信號(hào)周期要采樣10 次以上,最大采樣間隔為2 ms 左右。每信號(hào)周期采樣次數(shù)的上限的確定受A/ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度和微處理器運(yùn)算速度的限制。MAX125 使用16 MHz 的有源晶振作為時(shí)鐘輸入,系統(tǒng)編程設(shè)定2 片MAX125 為3 通道同時(shí)采樣,那么在CONVST 啟動(dòng)信號(hào)的作用下, 芯片對(duì)輸入信號(hào)的采樣保持時(shí)間約為1 μs, 3 通道的A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為9 μs, 轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果儲(chǔ)存在芯片內(nèi)部的4×14 bitRAM 中,從采樣工作開(kāi)始到A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出中斷信號(hào)給CPU,一次工作周期共需要10 μs 的時(shí)間;單片機(jī)響應(yīng)中斷最多只需要1 μs;從中斷響應(yīng)到讀取2 片MAX125 共三相6 通道的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)RAM,CPU 的軟件開(kāi)銷(xiāo)需花費(fèi)36 個(gè)機(jī)器周期計(jì)432 個(gè)時(shí)鐘周期36 μs 時(shí)間。由以上分析可知,整個(gè)系統(tǒng)的一次數(shù)據(jù)采集周期最長(zhǎng)約46 μs,即采樣率可以達(dá)到21 .7 kps,對(duì)工頻信號(hào)每周期采樣次數(shù)的上限可達(dá)434 次。取N 在10～400 之間,用爬山搜索和遍歷頻點(diǎn)的自尋優(yōu)方法預(yù)先離線尋優(yōu)計(jì)算出各頻點(diǎn)每測(cè)量周期的采樣次數(shù)N、采樣間隔TS 和校正參數(shù)kc,形成最優(yōu)參數(shù)矩陣{ N( p) TS ( p) kc ( p)} 在存儲(chǔ)器中固化。對(duì)應(yīng)工頻變化范圍49 .5～50 .5 Hz的403 個(gè)頻率點(diǎn)(定時(shí)器分辨率Td = 1 μs),所需要的自尋優(yōu)參數(shù)為403 組,按每組參數(shù)6 個(gè)字節(jié)計(jì),參數(shù)矩陣占據(jù)存儲(chǔ)器容量約2 .4 kB 字節(jié)。測(cè)量時(shí)單片機(jī)在“捕獲”了信號(hào)的實(shí)時(shí)周期時(shí),即從矩陣中查表得對(duì)應(yīng)信號(hào)周期的采樣參數(shù)和校正參數(shù)。N( p)和TS ( p)使采樣向同步逼近,并通過(guò)kc( p)用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)采樣數(shù)據(jù)數(shù)值積分的結(jié)果進(jìn)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(zhǎng)期運(yùn)行,所以測(cè)量值也應(yīng)從試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度折算到參考溫度時(shí)的值。變壓器繞組在試驗(yàn)溫度下的短路電阻

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

　　式(7)中: t 為試驗(yàn)時(shí)的溫度;αt 是導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù),銅材為0 .004 3/ ℃。折算到75℃時(shí)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(cè)變壓器的阻抗電壓(又稱(chēng)短路阻抗)來(lái)進(jìn)行推算[5-6 ] 。本文介紹的變壓器容量損耗測(cè)試儀,其容量判別采取了另一種方法。在有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,用諸多表格詳細(xì)列出了各類(lèi)各系列變壓器允許的負(fù)載損耗和空載電流的上下限范圍。那么,可以在儀器的存儲(chǔ)器中內(nèi)置國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù),儀器測(cè)出負(fù)載損耗后,用軟件查表后再向上靠攏的方法,得出被測(cè)變壓器的實(shí)際容量。這種方法既簡(jiǎn)單,可信度又高。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　由于測(cè)試儀的設(shè)計(jì)立足于先進(jìn)的芯片技術(shù)和軟件技巧,并將智能采樣理論付諸于工程實(shí)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(hù),受到了用戶的好評(píng)。

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