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時鐘同步采樣技術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工頻信號鎖相倍頻產(chǎn)生計數(shù)脈沖的方式，測量壓降的相位差，使檢測具有線路簡單、測量時間短、功耗低、性價比高等特點。
 
關鍵詞：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量直接關系到結(jié)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。實際測試的結(jié)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(shù)百萬元。為減小該誤差，目前普遍通過鋪設測試電纜進行壓降的檢測，再通過電壓跟隨器進行跟蹤補償。這種方法測量功能有限，而且需要鋪設很長的電纜，在距離遠、地形復雜的地方甚至無法進行，這類裝置使用麻煩且不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。因而開發(fā)一種測量精度高、無需鋪設專用電纜、具有遠程通信功能的新型電壓互感器二次回路壓降自動跟蹤補償及監(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跟蹤補償裝置能很好地解決以上問題。裝置以GPS信號作為TV二次線路兩端數(shù)據(jù)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(jié)合鎖相倍頻技術，使系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性得到保證；并以電力線載波通信的方式進行數(shù)據(jù)通信，免去了鋪設電纜的麻煩和安全隱患；通過D/A轉(zhuǎn)換實時進行電壓補償，從而達到自動跟蹤補償?shù)哪康摹?BR>
1 自動跟蹤補償裝置的總體結(jié)構

系統(tǒng)結(jié)構如圖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(shù)以外，還向從機發(fā)送控制命令并接收測量數(shù)據(jù)，計算二次線路壓降，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出補償電壓，通過串口與上位機通訊實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。從機結(jié)構與主機類似，只是沒有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(shù)進行測量，并將實時數(shù)據(jù)及時地發(fā)送到測量主機。

裝置的設計主要包括以下內(nèi)容：(1)基于GPS的高精度時間同步測量單元的設計：GPS系統(tǒng)1PPS(秒脈沖信號)及100PPS和串口時間代碼的提取、同步測量電壓向量及計算處理二次壓降。(2)電力線載波通信模塊的設計：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)過反復試驗比較，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設計電力載波數(shù)據(jù)通信模塊，通信距離達500m，能夠滿足現(xiàn)場檢測的需要。(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行補償。

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難點，本裝置對相位的測量是通過鎖相環(huán)電路將電網(wǎng)頻率信號倍頻，用該倍頻信號作為計數(shù)器的時鐘信號。每次電壓過零時，計數(shù)器重新開始計數(shù)。通過讀取TV二次線路兩端計數(shù)值并計算差值從而得出相位差。其結(jié)構圖如圖2所示。計數(shù)器時鐘信號由鎖相倍頻電路產(chǎn)生，電壓過零檢測產(chǎn)生的信號經(jīng)過整形后作為計數(shù)器的開始計數(shù)信號，GPS的100PPS脈沖在單片機控制信號的作用下對計數(shù)器當前值進行鎖存，每個周期的相位采樣數(shù)據(jù)(從鎖存器讀)、GPS接收機1PPS信號以及它的時鐘標簽同時被送至單片機進行處理。

由于電壓互感器二次線路壓降補償裝置的設計方案要求相差測量精度為