基于FPGA的互感器校验仪研究

张松琛

(同方股份有限公司，北京 100083)

0 引言

互感器校验仪是一种检定电流互感器或电压互感器的仪器，按其测量原理分为直接比较式校验仪和测差式校验仪[1]。目前国内使用的校验仪普遍为测差式校验仪，测差式校验仪就是将标准与被试互感器的二次电流或二次电压之间的差流或差压输入校验仪，并与二次电流或二次电压进行比较，由差流对工作电流或差压对工作电压的比值的同相分量读出比值差、正交分量读出相位差，其精度等级通常为1级或2级。随着电子技术、数字技术和大规模集成电路的发展应用，测差式校验仪不仅具备电流电压互感器误差、阻抗、导纳测量功能，而且具有分析、控制、显示、通讯等其他辅助功能[2-3]。

1 测差式校验仪的测量原理

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

如用瞬时值表示，则工作电压u和被测小电压Δu相应为：

u=Umsinωt.

(4)

Δu=ΔUmsin(ωt+φ).

(5)

校验仪基本测量线路的原理是，当工作电压过零时，测量线路通过采样电路测得小电压的瞬时值，即：

u=Umsinωt=0.

(6)

(7)

同时通过峰值保持电路，测得工作电压的幅值：

(8)

当工作电压经过正交移相器移相后过零时，测得小电压的瞬时值，即：

(9)

(10)

(11)

本系统是将标准互感器和被试互感器的二次输出值做差，将差值信号与标准信号同时送入采集模块，测量时在直角坐标系下将误差分解，在0°相位和180°相位时其同相分量为零，此时测得的误差为相位差；在90°相位和270°相位时其正交分量为零，此时测得的误差为比值差。

本系统采用硬件误差分离的方式进行测量，通过硬件将误差的同相分量和正交分量进行分离测量，通过模拟回路将比值差和相位差进行分离，使用独立的模拟调理电路经放大、移相、滤波处理后进行AD采样处理，采用多相位测量法进行测试结果的噪声过滤，在简化软件设计复杂度的同时提高了测试精度。

2 硬件设计

基于FPGA的互感器校验仪系统框图如图1所示，其模拟部分由两级放大电路和两级滤波电路组成，主要进行小信号的处理；数字部分由FPGA、液晶触摸屏、存储器、RS232接口、RS485接口、蓝牙接口以及USB接口组成，ADC将模拟信号转换成数字信号后进入FPGA进行误差计算。

图1 基于FPGA的互感器校验仪系统框图

图1中，T0、Tx为标准回路信号输入，标准回路由一级放大电路和一级有源带通滤波电路组成，主要进行标准回路的信号处理，其滤波器设计为中心频率50 Hz、带宽可调的有源滤波器，对二次谐波和三次谐波有较强的抑制能力，且可使用电位器进行相位调节，用于同步过零点采样；K、D为差值信号输入，差值信号进入系统后拆分为同相误差回路和正交误差回路，其模拟回路均采用两级放大滤波进行处理，目的是采样低百分比下的小误差信号。

采用16位ADC作为标准回路和误差的模数转换，FPGA在计算出信号的零点之后开始启动采样，通过软件PLL触发每周波128点的采样节拍并对采样的数据进行实时处理，对于标准回路的有效值采用均方根算法进行计算，在采样整周期的最后一个采样点前进行实时采样点的平方累加计算，在最后一个采样点计算完成后进行均值计算及开平方计算得到标准回路的有效值，并根据额定二次值计算百分表。对于差值回路，由于硬件上进行了误差分离，使用ADC的两个通道进行同相分量和正交分量的采集，并与标准回路进行比较计算得到比值差和相位差。

蓝牙通讯主要用于与手持式设备进行数据交互；Flash的前2 MB用于存储系统参数，后6 MB写入了文件系统，便于文件操作进行数据存储查询；设计了USB接口进行U盘的读写，用于现场测试数据的导出；RS232接口连接PC机和打印机等外设，用于传输和打印当前内存区保存的测试数据。

3 软件设计

系统软件采用C语言编写，主要实现模拟回路的程控放大、误差计算以及人机交互等。程控放大的作用是使处理后的误差信号保持在ADC量程的中间位置，便于误差信号的采样。人机交互的主界面如图2所示，主要具有误差的显示、记录、查询以及校验仪的检定等功能。

在软件主界面点击CT进入电流互感器误差校验界面，如图3所示，点击测量按钮后开始误差测量，此时开始升一次电流，测试过程中分别保存1%、5%、20%、100%、120%测试点的误差数据，升到120%后开始降电流，下降过程分别保存对应点的下限误差，当百分表降到1%以下时测量完成。此时点击保存按钮进行被试互感器参数及误差数据的保存，点击返回按钮返回主界面。

图3 电流互感器误差测试界面

4 系统测试

互感器校验仪的准确等级是系统的一个重要参数指标[4]，按照JJG169—2010互感器校验仪检定规程的检定线路[5]，系统检定回路如图4所示。

图4 互感器校验仪检定回路

使用如图4所示的测试回路进行校验仪检定，其测试数据如表1所示。

由表1数据计算可知：该校验仪精度满足2级要求[6]。

表1 互感器校验仪整体检定数据

5 结论

本文提出一种互感器校验仪的解决方案，采用硬件误差分离及多相位测试等措施进行系统优化，满足了高精度和高稳定性的要求。试验数据表明：该系统具有测试精度高、系统功能完善、反应迅速等特点。