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引言
　　隨著我國6_~35 kV配電網迅速發展，基于各種調諧方式的消弧線圈自動跟蹤補償裝置以其能自動跟蹤系統電容電流的變化、限制和消除弧光接地過電壓及諧振過電壓、調節方便、無須停電、精度和動作成功率高等優點，在配電網中得到廣泛應用。隨著電力電子器件的快速發展，用晶閘管代替機械開關，實現了消弧線圈快速調諧。調容式消弧線圈就是其中之一。
　　與其他許多自動裝置一樣，模擬信號采樣和通過數字信號控制外部設備，是調容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置中非常關鍵的兩個部分，它們將直接影響到整個裝置的調諧精度和響應速度。因此，保證采樣的精確性和控制的快速靈活，是實現裝置精確跟蹤、快速補償的重要前提。PCM-3718HG采樣板將兩者集成在一塊電路板上，在裝置的外設與CPU之間起到了很好的紐帶作用，使裝置自動跟蹤補償功能得以更加方便可靠的實現。本文結合調容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置介紹PCM-3718HG采樣板在模擬信號采樣以及通過數字信號輸入輸出控制監測硬件設備等方面的應用。

1調容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置簡介
1.1裝置結構與功能
　　調容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置由接地變壓器、帶二次繞組的消弧線圈和多組不同容量的并聯電容器組及全數字化控制器組成，由接地變壓器引出配電網中性點。調容式消弧線圈原理接線，如圖1所示，消弧線圈二次繞組（L₂）和多組不同容量的電容器組（C₁、C₂、C₃、C₄）并聯，由晶閘管和接觸器（T₁、T₂、T₃、T₄）控制電容器組投切，實現消弧線圈等值電抗的變化。若需要增大消弧線圈等值電感的調節范圍或減小檔位級差，只要增加相應容量的電容器組即可，擴展方便。控制器由機箱、嵌入式單板電腦（PCM-4825）、模擬信號采集板（PCM-3718HG）、模擬信號調理板、數字信號板、觸發板和控制電源組成，PCM-3718HG采樣板通過PC/104總線與主機連接。

　　自動裝置根據計算和控制的需要，將三相電壓（U_a、U_b、U_c）、線電壓（U_ab）、中性點位移電壓（U₀）和中性點電流（I₀）六個模擬信號，通過信號調理板送至PCM-3718HG采樣板，經A/D轉換得到數字信號送入主機。裝置根據這些數字信號自動跟蹤判斷電網運行方式的變化，計算電網電容電流，確定單相接地故障時消弧線圈的補償檔位。
　　電網正常運行時，消弧線圈運行在遠離諧振點的最大過補償狀態，自動裝置實時監測電網電容電流的變化。當電網發生單相接地時，啟動故障中斷服務程序，通過數字信號板送出預先確定的消弧線圈補償檔位所對應的觸發字，導通相應的晶閘管,使消弧線圈自動補償接地電容電流。程序實時跟蹤電網狀態，直到判斷故障消除后，收回觸發字，使消弧線圈恢復最大過補狀態運行，退出故障中斷服務程序。裝置繼續自動跟蹤電容電流的變化。自動裝置的工作框圖如圖2所示。從圖中可以看出，PCM-3718HG采樣板在CPU和外部電路設備之間起著重要的橋梁紐帶作用。

1.2電容電流跟蹤測量
　　由于發生單相接地故障后，弧光過電壓上升很快，所以要求裝置在正常運行時就計算出電網電容電流，確定消弧線圈的補償檔位。電網正常運行時的串聯諧振等值回路，如圖3所示。

　　圖3中C為三相對地總電容、r_c為三相對地泄漏電阻、U₀₀為不平衡電壓。由此等值電路，可以得到：
　
ωC；U₀為中性點位移電壓。
　　當系統運行方式確定后，不平衡電壓和阻尼率就確定了，此時中性點位移電壓隨消弧線圈電感值的改變而改變。利用這一原理，當判斷電網運行方式改變后，裝置自動改變兩次消弧線圈電感值，采樣得到三組中性點位移電壓和電流（U₀₁、I₀₁、U0₂、I₀₂、U₀₃、I₀₃），相應的消弧線圈感抗值為：
　　
　　把三組中性點位移電壓和其相應的消弧線圈感抗值，代入式（1），聯立方程組即可求得三相對地總電容。則電網電容電流為：
　　
式中:U_φ為相電壓。此方法可以消除電網阻尼率對電容電流計算的影響，提高計算精度。根據得到的電容電流，確定當前電網發生單相接地故障時，消弧線圈的工作檔位。

2PCM-3718HG采樣板的應用
2.1模擬信號采集
　　根據電容電流測量計算和控制的需要，把上述六路模擬信號經模擬信號調理板濾波后，以差模方式接入PCM-3718HG采樣板。PCM-3718HG提供了12位的A/D轉換器，內部可編程定時器（Intel 8254）可按用戶需要的采樣頻率發出采樣脈沖。其每個采樣脈沖只觸發一個通道，該通道的采樣保持電路將該信號捕捉保持，由A/D轉換器進行模數轉換，轉換完畢后采用DMA方式將數據傳送給主機，再觸發下一個通道。例如，選擇0～5通道用于模擬量輸入，那么各通道的觸發過程是0、1、2、3、4、5、0、1、2、3 …。
　　由于采樣保持電路是要在一個極短的時間內捕獲模擬量在該時刻的瞬時值，并在A/D轉換器進行轉換的時間內保持其輸出不變。一般用電容來實現模擬信號的捕獲和保持。這樣就存在一對矛盾：就捕獲時間來說，希望電容越小越好，縮短電容的充電時間就能縮短捕獲時間；而對于保持而言，希望電容越大越好，延長電容放電時間就能延長保持時間。為了二者兼顧，電容不能太大也不能太小。
　　若多通道同時觸發，最后一個通道的采樣保持電路需要將信號保持到所有通道全部轉換完為止。如果通道比較多，就需要較長的保持時間。這就增加了電容的充放電時間，使上述矛盾更加激化，必然會使模擬信號輸入誤差增大。若要保證采樣精度，則價格就比較高。PCM-3718HG采樣板的單通道觸發方式與多通道同時觸發方式相比，相對緩解了上述矛盾，使模擬信號輸入誤差相對減小。但帶來的問題是，無法保證采樣的同步，那么計算出的相位會出現偏差，每周波采樣點數越少，通道越多，則偏差越大。由于裝置所采用的上述電容電流計算方法，只要計算各模擬信號的有效值，不需要計算相位，因此在此裝置中采用PCM-3718HG采樣板非常合適，不僅價格較低，而且能保證采樣精度。
　　當然如果需要計算模擬信號的相位，可以通過相位補償來提高精度。由于每個觸發脈沖的間隔時間t相等，則每個通道模擬信號的采樣時刻均比其前一個通道滯后一個固定的時間t，轉換成弧度為2πt/20rad。因此只要在相位計算時依次補償就可以了。
　　在電網運行過程中，U₀和I₀會隨電網運行方式、不對稱度等的變化而變化。因此，必須實時調整相應采樣通道的增益才能保證采樣精度，以及對電容電流的計算精度。此外，增益調整后，必須重新采樣才能得到準確的數據。因此，增益調整的速度將直接影響到裝置的響應速度。
　　調整增益分為兩部分：一是模擬信號過大而發生溢出時，降低增益，保證信號不溢出；二是模擬信號太小時，提高增益，保證小信號的采樣精度。
　　一次系統的信號經過兩級互感器后降為-5～+5 V的低壓信號供采樣。當某點采樣信號過大而產生溢出時，經A/D轉換后的該點數據是+5 V或-5 V。采用半波判斷，正弦信號正常情況下每半個周波只可能有一個點（峰值點）達到+5 V或-5 V。因此從理論上來說，只要出現兩個及以上的點達到+5 V或-5 V，就可以判定為信號溢出。綜合考慮諧波等干擾的影響，在誤差允許的范圍內，設定大于或等于3個點達到+5 V或-5 V時為溢出。這樣，在波動和故障發生后半個周波，增益就能調整。當模擬信號過小時，只要求出一個周波中所有采樣點絕對值的最大值，就可以對照增益表選出合適的增益。
　　根據電網運行情況，U₀在故障時至少達到額定相電壓的30％以上，在PCM-3718HG采樣板的增益表中只能選擇×1檔，因此根據故障響應優先原則，一旦判斷為溢出，就直接把增益調到×1檔，若是故障就無須再調，若非故障則可根據其采樣點絕對值的最大值確定合適的增益。這樣就可以保證故障響應速度，大約10 ms左右。經程序實際運行證明，增益調整的實時性和采樣精度都很好。
2.2數字信號的輸入輸出
　　除了模擬信號的采樣之外，PCM-3718HG采樣板還提供了16個數字信號的輸入/輸出通道，可以通過這些數字通道，擴展出數字信號板，實現控制晶閘管的導通與截止，從鍵盤讀入鍵值判斷有無鍵盤操作等功能，并可以方便地附加接觸器的閉合與開斷控制，框圖如圖2所示。為了實現前面提到的調容式消弧線圈的可擴展性，在需要的時候能方便地增加電容器組，可以在數字信號板上預留空端口。
　　由于晶閘管過零觸發，不會在電容器上產生涌流，而且響應速度快，導通與截止在半個周波內完成。因此，在一般情況下，裝置向PCM-3718HG采樣板相應的數字口送觸發字，通過出口繼電器控制晶閘管的導通與截止，投切電容器組，改變消弧線圈等值電抗，進行電容電流跟蹤和故障補償。當中性點位移電壓較小，使晶閘管兩端電壓接近或小于其工作電壓時，晶閘管將不能可靠導通，甚至無法導通。這會使電容電流的跟蹤測量出現很大偏差，甚至無法進行。此時，可用與晶閘管并聯的接觸器代替晶閘管來投切電容器。由于數字信號板是由PCM-3718HG采樣板的數字口擴展出來的，所以可以用同一套觸發字，只要通過片選信號選擇晶閘管或接觸器即可，控制非常方便。
　　采用晶閘管和接觸器并聯方式，不僅可以保證電容器組的可靠投切，而且可以實現裝置自檢功能。裝置投運前，每組電容器投入時消弧線圈的等值電抗都已經通過試驗得到。在自檢過程中，若某一電容器組投入后的消弧線圈等值電抗與相應的試驗數據不符，則說明此電容器組可能存在故障。然后改用接觸器投入該電容器組，若此時的消弧線圈等值電抗與相應的試驗數據相符，說明該組晶閘管故障；若依然不符，則判斷為電容器故障。把自檢結果在界面上顯示，便于維護人員檢修。

3裝置對電容電流的實測數據
　　本裝置從硬件和軟件兩方面保證了采樣和計算的精度。PCM-3718HG采樣板在模擬信號采樣中的單通道觸發方式和增益調整，從硬件上保證了采樣精度；在計算中通過采用高精度傅氏算法、多次采樣取均值以及采用合適的電容電流測量計算方法，從軟件上保證了計算精度。

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　　裝置對電容電流的實測數據見表1，用電流表測得的電容電流值作為實際值。由表1可以看到，裝置對電容電流計算的相對誤差為2%左右，滿足精度要求。

4結論
　　PCM-3718HG采樣板的單通道觸發模式緩解了采樣保持電路中電容選擇的矛盾，結合軟件處理，提高了采樣和計算精度，從而保證了消弧線圈能夠提供更加合理的補償。其采樣通道的增益調整保證裝置的故障響應時間在10 ms左右，保證了裝置對故障的快速響應。PCM-3718HG采樣板的數字信號輸入輸出功能，方便了裝置控制和自檢功能的實現，且使裝置具有很好的擴展性。通過調容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置的實際應用，證明PCM-3718HG采樣板功能齊全，與主機和外設連接方便，有效地簡化了硬件電路設計，編程控制方便，采樣精度高、速度快，性能穩定，大大提高了裝置運行的可靠性，縮短了開發周期。