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引言
隨著我國(guó)6~35 kV配電網(wǎng)迅速發(fā)展，基于各種調(diào)諧方式的消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置以其能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電容電流的變化、限制和消除弧光接地過(guò)電壓及諧振過(guò)電壓、調(diào)節(jié)方便、無(wú)須停電、精度和動(dòng)作成功率高等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著電力電子器件的快速發(fā)展，用晶閘管代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了消弧線圈快速調(diào)諧。調(diào)容式消弧線圈就是其中之一。
與其他許多自動(dòng)裝置一樣，模擬信號(hào)采樣和通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制外部設(shè)備，是調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置中非常關(guān)鍵的兩個(gè)部分，它們將直接影響到整個(gè)裝置的調(diào)諧精度和響應(yīng)速度。因此，保證采樣的精確性和控制的快速靈活，是實(shí)現(xiàn)裝置精確跟蹤、快速補(bǔ)償?shù)闹匾疤帷CM-3718HG采樣板將兩者集成在一塊電路板上，在裝置的外設(shè)與CPU之間起到了很好的紐帶作用，使裝置自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能得以更加方便可靠的實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置介紹PCM-3718HG采樣板在模擬信號(hào)采樣以及通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸入輸出控制監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備等方面的應(yīng)用。
1調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介
1.1裝置結(jié)構(gòu)與功能
調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)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(lián)電容器組及全數(shù)字化控制器組成，由接地變壓器引出配電網(wǎng)中性點(diǎn)。調(diào)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(lián)，由晶閘管和接觸器（T1、T2、T3、T4）控制電容器組投切，實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)范圍或減小檔位級(jí)差，只要增加相應(yīng)容量的電容器組即可，擴(kuò)展方便。控制器由機(jī)箱、嵌入式單板電腦（PCM-4825）、模擬信號(hào)采集板（PCM-3718HG）、模擬信號(hào)調(diào)理板、數(shù)字信號(hào)板、觸發(fā)板和控制電源組成，PCM-3718HG采樣板通過(guò)PC/104總線與主機(jī)連接。
自動(dòng)裝置根據(jù)計(jì)算和控制的需要，將三相電壓（Ua、Ub、Uc）、線電壓（Uab）、中性點(diǎn)位移電壓（U0）和中性點(diǎn)電流（I0）六個(gè)模擬信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理板送至PCM-3718HG采樣板，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)送入主機(jī)。裝置根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)自動(dòng)跟蹤判斷電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化，計(jì)算電網(wǎng)電容電流，確定單相接地故障時(shí)消弧線圈的補(bǔ)償檔位。
電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈運(yùn)行在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的最大過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，自動(dòng)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電容電流的變化。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，啟動(dòng)故障中斷服務(wù)程序，通過(guò)數(shù)字信號(hào)板送出預(yù)先確定的消弧線圈補(bǔ)償檔位所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)字，導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管,使消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償接地電容電流。程序?qū)崟r(shí)跟蹤電網(wǎng)狀態(tài)，直到判斷故障消除后，收回觸發(fā)字，使消弧線圈恢復(fù)最大過(guò)補(bǔ)狀態(tài)運(yùn)行，退出故障中斷服務(wù)程序。裝置繼續(xù)自動(dòng)跟蹤電容電流的變化。自動(dòng)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(shè)備之間起著重要的橋梁紐帶作用。
1.2電容電流跟蹤測(cè)量
由于發(fā)生單相接地故障后，弧光過(guò)電壓上升很快，所以要求裝置在正常運(yùn)行時(shí)就計(jì)算出電網(wǎng)電容電流，確定消弧線圈的補(bǔ)償檔位。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的串聯(lián)諧振等值回路，如圖3所示。
圖3中C為三相對(duì)地總電容、rc為三相對(duì)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(diǎn)位移電壓。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式確定后，不平衡電壓和阻尼率就確定了，此時(shí)中性點(diǎn)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(dāng)判斷電網(wǎng)運(yùn)行方式改變后，裝置自動(dòng)改變兩次消弧線圈電感值，采樣得到三組中性點(diǎn)位移電壓和電流（U01、I01、U02、I02、U03、I03），相應(yīng)的消弧線圈感抗值為：
把三組中性點(diǎn)位移電壓和其相應(yīng)的消弧線圈感抗值，代入式（1），聯(lián)立方程組即可求得三相對(duì)地總電容。則電網(wǎng)電容電流為：
式中:Uφ為相電壓。此方法可以消除電網(wǎng)阻尼率對(duì)電容電流計(jì)算的影響，提高計(jì)算精度。根據(jù)得到的電容電流，確定當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈的工作檔位。
2PCM-3718HG采樣板的應(yīng)用
2.1模擬信號(hào)采集
根據(jù)電容電流測(cè)量計(jì)算和控制的需要，把上述六路模擬信號(hào)經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)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(zhuǎn)換器，內(nèi)部可編程定時(shí)器（Intel 8254）可按用戶(hù)需要的采樣頻率發(fā)出采樣脈沖。其每個(gè)采樣脈沖只觸發(fā)一個(gè)通道，該通道的采樣保持電路將該信號(hào)捕捉保持，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后采用DMA方式將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，再觸發(fā)下一個(gè)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(fā)過(guò)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(gè)極短的時(shí)間內(nèi)捕獲模擬量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間內(nèi)保持其輸出不變。一般用電容來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的捕獲和保持。這樣就存在一對(duì)矛盾：就捕獲時(shí)間來(lái)說(shuō)，希望電容越小越好，縮短電容的充電時(shí)間就能縮短捕獲時(shí)間；而對(duì)于保持而言，希望電容越大越好，延長(zhǎng)電容放電時(shí)間就能延長(zhǎng)保持時(shí)間。為了二者兼顧，電容不能太大也不能太小。
若多通道同時(shí)觸發(fā)，最后一個(gè)通道的采樣保持電路需要將信號(hào)保持到所有通道全部轉(zhuǎn)換完為止。如果通道比較多，就需要較長(zhǎng)的保持時(shí)間。這就增加了電容的充放電時(shí)間，使上述矛盾更加激化，必然會(huì)使模擬信號(hào)輸入誤差增大。若要保證采樣精度，則價(jià)格就比較高。PCM-3718HG采樣板的單通道觸發(fā)方式與多通道同時(shí)觸發(fā)方式相比，相對(duì)緩解了上述矛盾，使模擬信號(hào)輸入誤差相對(duì)減小。但帶來(lái)的問(wèn)題是，無(wú)法保證采樣的同步，那么計(jì)算出的相位會(huì)出現(xiàn)偏差，每周波采樣點(diǎn)數(shù)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(jì)算方法，只要計(jì)算各模擬信號(hào)的有效值，不需要計(jì)算相位，因此在此裝置中采用PCM-3718HG采樣板非常合適，不僅價(jià)格較低，而且能保證采樣精度。
當(dāng)然如果需要計(jì)算模擬信號(hào)的相位，可以通過(guò)相位補(bǔ)償來(lái)提高精度。由于每個(gè)觸發(fā)脈沖的間隔時(shí)間t相等，則每個(gè)通道模擬信號(hào)的采樣時(shí)刻均比其前一個(gè)通道滯后一個(gè)固定的時(shí)間t，轉(zhuǎn)換成弧度為2πt/20rad。因此只要在相位計(jì)算時(shí)依次補(bǔ)償就可以了。
在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，U0和I0會(huì)隨電網(wǎng)運(yùn)行方式、不對(duì)稱(chēng)度等的變化而變化。因此，必須實(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)采樣通道的增益才能保證采樣精度，以及對(duì)電容電流的計(jì)算精度。此外，增益調(diào)整后，必須重新采樣才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此，增益調(diào)整的速度將直接影響到裝置的響應(yīng)速度。
調(diào)整增益分為兩部分：一是模擬信號(hào)過(guò)大而發(fā)生溢出時(shí)，降低增益，保證信號(hào)不溢出；二是模擬信號(hào)太小時(shí)，提高增益，保證小信號(hào)的采樣精度。
一次系統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)互感器后降為-5～+5 V的低壓信號(hào)供采樣。當(dāng)某點(diǎn)采樣信號(hào)過(guò)大而產(chǎn)生溢出時(shí)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的該點(diǎn)數(shù)據(jù)是+5 V或-5 V。采用半波判斷，正弦信號(hào)正常情況下每半個(gè)周波只可能有一個(gè)點(diǎn)（峰值點(diǎn)）達(dá)到+5 V或-5 V。因此從理論上來(lái)說(shuō)，只要出現(xiàn)兩個(gè)及以上的點(diǎn)達(dá)到+5 V或-5 V，就可以判定為信號(hào)溢出。綜合考慮諧波等干擾的影響，在誤差允許的范圍內(nèi)，設(shè)定大于或等于3個(gè)點(diǎn)達(dá)到+5 V或-5 V時(shí)為溢出。這樣，在波動(dòng)和故障發(fā)生后半個(gè)周波，增益就能調(diào)整。當(dāng)模擬信號(hào)過(guò)小時(shí)，只要求出一個(gè)周波中所有采樣點(diǎn)絕對(duì)值的最大值，就可以對(duì)照增益表選出合適的增益。
根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，U0在故障時(shí)至少達(dá)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(jù)故障響應(yīng)優(yōu)先原則，一旦判斷為溢出，就直接把增益調(diào)到×1檔，若是故障就無(wú)須再調(diào)，若非故障則可根據(jù)其采樣點(diǎn)絕對(duì)值的最大值確定合適的增益。這樣就可以保證故障響應(yīng)速度，大約10 ms左右。經(jīng)程序?qū)嶋H運(yùn)行證明，增益調(diào)整的實(shí)時(shí)性和采樣精度都很好。
2.2數(shù)字信號(hào)的輸入輸出
除了模擬信號(hào)的采樣之外，PCM-3718HG采樣板還提供了16個(gè)數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出通道，可以通過(guò)這些數(shù)字通道，擴(kuò)展出數(shù)字信號(hào)板，實(shí)現(xiàn)控制晶閘管的導(dǎo)通與截止，從鍵盤(pán)讀入鍵值判斷有無(wú)鍵盤(pán)操作等功能，并可以方便地附加接觸器的閉合與開(kāi)斷控制，框圖如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)前面提到的調(diào)容式消弧線圈的可擴(kuò)展性，在需要的時(shí)候能方便地增加電容器組，可以在數(shù)字信號(hào)板上預(yù)留空端口。
由于晶閘管過(guò)零觸發(fā)，不會(huì)在電容器上產(chǎn)生涌流，而且響應(yīng)速度快，導(dǎo)通與截止在半個(gè)周波內(nèi)完成。因此，在一般情況下，裝置向PCM-3718HG采樣板相應(yīng)的數(shù)字口送觸發(fā)字，通過(guò)出口繼電器控制晶閘管的導(dǎo)通與截止，投切電容器組，改變消弧線圈等值電抗，進(jìn)行電容電流跟蹤和故障補(bǔ)償。當(dāng)中性點(diǎn)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(shí)，晶閘管將不能可靠導(dǎo)通，甚至無(wú)法導(dǎo)通。這會(huì)使電容電流的跟蹤測(cè)量出現(xiàn)很大偏差，甚至無(wú)法進(jìn)行。此時(shí)，可用與晶閘管并聯(lián)的接觸器代替晶閘管來(lái)投切電容器。由于數(shù)字信號(hào)板是由PCM-3718HG采樣板的數(shù)字口擴(kuò)展出來(lái)的，所以可以用同一套觸發(fā)字，只要通過(guò)片選信號(hào)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(lián)方式，不僅可以保證電容器組的可靠投切，而且可以實(shí)現(xiàn)裝置自檢功能。裝置投運(yùn)前，每組電容器投入時(shí)消弧線圈的等值電抗都已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)得到。在自檢過(guò)程中，若某一電容器組投入后的消弧線圈等值電抗與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不符，則說(shuō)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(shí)的消弧線圈等值電抗與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，說(shuō)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(jié)果在界面上顯示，便于維護(hù)人員檢修。
3裝置對(duì)電容電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
本裝置從硬件和軟件兩方面保證了采樣和計(jì)算的精度。PCM-3718HG采樣板在模擬信號(hào)采樣中的單通道觸發(fā)方式和增益調(diào)整，從硬件上保證了采樣精度；在計(jì)算中通過(guò)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(cè)量計(jì)算方法，從軟件上保證了計(jì)算精度。
裝置對(duì)電容電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，用電流表測(cè)得的電容電流值作為實(shí)際值。由表1可以看到，裝置對(duì)電容電流計(jì)算的相對(duì)誤差為2%左右，滿(mǎn)足精度要求。
4結(jié)論
PCM-3718HG采樣板的單通道觸發(fā)模式緩解了采樣保持電路中電容選擇的矛盾，結(jié)合軟件處理，提高了采樣和計(jì)算精度，從而保證了消弧線圈能夠提供更加合理的補(bǔ)償。其采樣通道的增益調(diào)整保證裝置的故障響應(yīng)時(shí)間在10 ms左右，保證了裝置對(duì)故障的快速響應(yīng)。PCM-3718HG采樣板的數(shù)字信號(hào)輸入輸出功能，方便了裝置控制和自檢功能的實(shí)現(xiàn)，且使裝置具有很好的擴(kuò)展性。通過(guò)調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置的實(shí)際應(yīng)用，證明PCM-3718HG采樣板功能齊全，與主機(jī)和外設(shè)連接方便，有效地簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，編程控制方便，采樣精度高、速度快，性能穩(wěn)定，大大提高了裝置運(yùn)行的可靠性，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
