电压监测仪的检测装置总体设计方案研究

2020-06-19南方电网玉溪供电局鲁子豪杨景程李佳蓉

电力设备管理 2020年5期

南方电网玉溪供电局鲁子豪杨景程李佳蓉

前言

针对单相电压检测仪在检测上的装置设计专门设置了电压监测仪，其精度极大，检测装置为表源一体化结构。这一检测装置能够产生数字正弦信号，此信号在特性上具有可调性，信号的发出得益于直接数字频率合成技术（DDS），模拟的正弦波获得需要经过滤波器与16位的D/A数模转换芯片生成，幅值可调的信号源由另一个D/A数模转换芯片通过对基准电压的改变获得，经过以上步骤获得标准电压源，其物理性质是50Hz的工频、电压为220V，精度为0.05级[1]。

应用高精度的数据采集器实现了数据的显示与采集，而高精度的数据采集器构成依靠高速AD模数转换芯片，其特点是精度高。电压与检测装置的检测数据信息回传以及本地通讯是通过装置中设置的通讯模块得以实现。电压的输出数值大小调整通过控制中心的通讯模块向FPGA远程发送命令实现，以上检测结果也可反馈传送至控制中心[2]。

电压检测装置在设计过程中主要的核心设计要素是对标准电压源的设计，在上文中知悉其精度高，具体精度为0.05级，精度要求使用以往的整流逆变难以得到，因此采用程控电压源实现此设计。此系统在硬件设计中包含的设计内容包含了FPGA控制器外围电路、高速D/A数模转换电路、有源滤波器、按键及显示电路，在检测装置中输出的标准电压的采集依赖于12位的A/D模数转换芯，而后控制中心中电压数据的收回依靠GPRS/GSM远程通讯。

软件设计的内容主要包含了LED显示模块，以及建立在Verilog硬件基础上的可编程语言按键模块。频率控制字K由按键控制模块处理得到，使用累加器将频率控制字K累加，ROM查找表模块获取渠道为波形寄存器的寻址地址，进而获得正弦波形序列；显示模块发挥的主要功能作用是显示电压值与频率。

1 检测装置的工作流程

信号源与电压标准表可以合一的由检测装置发挥功能使用，当检测装置以标准表的功能被使用时，首先应进行量程选择工作，测量工作的进行主要是在输入端接入被测电压；当应用表、源合一功能进行使用，连接的两端是装置输出端子与电压输入端子，连接之后进行测量与试验的相关工作，可以实现的功能有电压校准、时钟校准、综合试验、精度试验、灵敏度试验、谐波试验。装置在工作当中将采集的电压表信号与外部电压进行存储，采样的起始位置控制由起始信号决定，采样的长度由结束信号进行控制，在结束转换工作之后，缓存中的数据经过信号量化之后进一步读取，通过LED将结果显示出来，同时要处理行数字信号；与上位机之间的通讯通过与RS232接口实现，实现了进一步的处理工作，如曲线显示、数据存储、打印输出[3]。

电压检测仪在正常工作状态之下主要检测市电电压，在进行检测电压检测仪工作时，检测指令由服务器远程控制发出，通讯模块GPRS/GSM发出的检测指令由执行终端接收，电压检测仪在这一过程中检测的电压由控制模块对其进行操作，并市电电压切换到标准电压的输出端。与此同时，电压监测仪在将数据传送到远程监测装置的过程应用RS232接口实现，电压监测仪传送的数据以及远程装置自身的检测的对比工作会有远程监测装置承担，通过数据对比易知悉电压检测仪的工作状态是否正常，如数据误差在允许范围内则认为正常，与此同时远程装置也会接收到反馈数据信息，标明“合格”。否则，误差过大则认定其不合格，也会反馈得到“不合格”的信息[4]。

控制中心服务器的接收终端数据通过GPRS/GSM由电压监测仪远程检测装置和电压监测仪检测传回，数据对比工作由服务器监控软件完成，清晰明了的对两组数据结果进行查看。两组数据对比的结果误差处于允许范围内情况时，则可以认定电压检测仪处于正常的状态情况。当两个数据之间的误差超出了允许范围，认定出现了检测误差，则需要对电压检测仪进行校准，此项工作由工作人员针对性的判断完成。

2 检测装置的设计方案

硬件与软件两部分的设计组成了系统设计，选择控制器芯片与配套器件是硬件设计的主要工作，其中其他配套器件的内容包含选取FPGA控制器芯片与D/A数模转换芯片，电路设计包含的内容是电源、高速数模转换、有源低通滤波、功率放大、远程通信等，同时包含了液晶接口与键盘电路的设计工作。下文对其进行介绍[5,6]。

FPGA控制器。本文研究的内容中，在FPGA控制器中选择了Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE10E22控制器作为核心控制器，此项控制器具有诸多优点，其中对比其他控制器较为明显的是其功耗极低，在数据处理能力上依托强大的内部逻辑计算十分强大，拥有22320个LE逻辑单元，594个嵌入式存储器，拥有66个嵌入式的18×18乘法器具，4个通用PLL，20个全局时钟网络，153个用户I/O，不止拥有以上功能之外，其成本价格也低。

D/A数模转换芯片。本研究的内容中，在D/A数模转换芯片中选择了美信公司生产的MAX5216，此款芯片的特点是精度高、速度快，数据输入是16位串行，拥有50MHz的刷新频率，功耗较低，供电范围在7V至5.25V。

电源电路。本研究的内容中，在应有的电源主要是为D/A转换芯片与FPGA控制器供电，应用+5V直流电源的MAX5216芯片，FPGA控制器EP4CE10E22在正常工作中所需要的直流电压数值主要为3.3V、5V、1.2V，选用3.3V直流为晶振供电电压。

低通滤波电路。本文章课题研究设计选用有源低通滤波器。同时依靠Multisim软件对其进行了参数化仿真验证。

功率放大电路。本文章课题研究设计中选用的功率放大电路设备是TL074，同时选用的变压器变比值为1：20，运算放大器型号是PA51。系统输出的电压使用的保持稳定采用的方法是硬件的闭环方式，不止应用了硬件闭环、也使用了软件闭环，进一步的保障了电压输出打的稳定性。