第27卷第166期 电力 系统通信 V01.27 No.166 2 0 0 6年8月1 0日 Telec0mmunicati0ns for Electric Power System Aug.10,2006 ・41・ 基于AD734的高频阻波器阻塞特性的测量方法分析 张国志,张军 (河南送变电建设公司,河南郑州450051) 摘要:提出了一种依据相关性原理、利用结合模拟乘法器AD734精密测量高频电力阻波器的频 率阻塞特性的方法,详细阐述和分析了通过一对同频正交参考信号对待检信号进行相位检测处 理的过程。并总结出了一套实用便捷的阻波器阻抗及电阻分量的计算公式(避免了繁琐的三角 函数运算)。同时。给出了该测试系统的硬件实现方法,并就一种典型的宽带阻波器参数进行了 仿真.其结果证实了该测试的有效性。以上述方法建立起来的测试系统具有抗噪声性能好、测试 精密度速度快、易实现和造价低等优点,适用于线路停电情况下的阻波器在线测量。 关键词:高频电力阻波器;相关性原理;鉴相器;频率合成器 中图分类号:TM773 文献标识码:B 文章编号:1005—7641(2006)08—0041—04 0 引言 目前测量阻波器高频参数的方法主要有电压 表法、差接电桥法、比较法、三点压法和电容法。除 高频电力阻波器是电力线载波通道中重要的 了差接电桥法之外,其他方法都存在较大的误差。 组成部件,同时也是一种高压设备,串联在变电站 但差接电桥法调整较麻烦,不适合计算机自动化测 引出线的始端或分支线的分支点上,用以减少变电 量的实现。 站或分支线对电力载波频带高频信号带来的负面 事实上,如果能精确测出加在阻波器两端的电 影响和传输损耗,使来自邻近电力线路的干扰降到 压和流过阻波器的电流幅值及两者之间的相位差, 很小。同时又不妨碍工频电能的有效输送。高频阻 那么阻波器的阻抗值和电阻分量就可以很容易求 波器由能通过工频大电流的强流线圈、调谐元件和 出,而流过阻波器的电流,可通过与阻波器串接一 保护调谐元件的避雷器组成,其在电力系统中的使 适当阻值电阻间接得到。假设测得加在阻波器和 用情况如图1所示。 外接电阻(设R=100 Q)两端的电压分别为U 和 馨 其相位差为 ,则有:Z阻=100U。/U2,R阻=Z阻 丰耦合l电容器 电容器l] ,cos ̄p O 耦台-7 但阻波器工作在有强电场干扰的变电站内,除 机 了工频干扰之外,由于电晕以及各种电气设备的电 收目 …滤 磁场辐射的影响,在整个工作频带内还存在着大量 的噪声干扰。阻波器的强流线圈体积大,更易于被 图1 电力载波通道组成 电磁场所感应,在测量的某些频段,有用信号很可 能被各种噪声信号所淹没。 针对阻波器的这种恶劣测量环境,为了进一步 高频阻波器一般分为单频阻波器、双频阻波 提高测量的精确度,本文根据相关的检测原理,提 器、宽频阻波器等。在工作频带内,阻波器电阻分 出了一种切实可行的新方法,并给出了其具体的系 量R 应大于电力线输入阻抗z线 的1.41倍。根 统实现。 据电力系统载波通信规程,高频阻波器必须在安装 及年检时进行阻塞阻抗及电阻分量的测量。当然, 1 相关检测原理简介 在通道故障时,阻波器更是需要重点检测的对象。 设 (t)是伴有噪声的周期信号,可表示为 (t)=u(t)+N(t)=Asin(tot+ )+e(t) 收稿日期:2006—02—07;修回日期:2006—03—06 (1) 维普资讯 http://www.cqvip.com
・42- 电 力 玺 伤 c薹 信 2006,27(166) 式中u(t)为有用信号,其幅值为A;∞为角频率; 为周期; 为初相角;N(t)=e(t)为服从正态分 R,y(T/4)=竽cos(詈 =竽sin (7) 经计算可得 布均值为0的随机噪声。引入与有用信号同频的 参考正弦信号为 Y(t)=Bsineo(t+r) (2) A=2[R2,y(O)+R2,r(:1'/4)]专/B 进一步 Acos ̄=2R (0)/B (8) (9) 式中r为时间位移。两者的相关函数为 1,nT R (r) Bsineo(t+r)[Asin(∞£+ )+ Asimp=2R (÷)/s (10) e(£)]d£: c0s(∞r一 )+R。 (r)(3) 由于参考信号Y(t)与随机噪声e(t)互不相 关,所以R。 (r)=0,于是有 R (r): c。s(∞r一 ) (4) 由以上分析可知,利用参考信号与有用信号彼 此相关,而参考信号与随机噪声相互独立、互不相 关的性质,可以减少甚至去除噪声对测量结果的影 响。这种相关运算可用模拟鉴相器结合低通滤波 器来实现。相关检波原理如图2所示。 图2相关检波原理 Fig.2 Correlative phase-detecting principle 鉴相器具有乘法器的功能,其输出为 口(t)=Bsineo(t+r)[Asin(tot+ )+e(t)]= A日- ̄COS(∞r一 )+ L∞r一 + c0s c。s[∞(2£+r)+ ]+ L∞Lz£+r + J+ 二 二 e(t)Bsineo(t+r) (5) 除了直流信号外,还夹杂着频率为输入信号2 倍的高频信号和被随机信号调幅的基频信号,应设 法予以滤除。假设低通滤波器的带宽为艿 则只 有处在基频∞4-艿 频带内的噪声会影响低通的输 出,若把艿 控制在Hz量级,则噪声的大部分能量 将被滤除,可以认为鉴相器实现了相关运算。 2信号幅值及相位的检测 单用1个检波信号不足以求出信号的幅值和相 位,令y(£)=Bsineo(t+r)中的r分别取值为0和T/4 得到互为正交的1对信号Y。(t)=Bsineot,Y2(t)= Bsin(eot+ ̄r/2),对待检信号进行正交检波得 o)= cos( =竽cos (6) 应用到阻波器的测量,假设u,=U,sin(tot+ 。)、u2=U2sin(tot+ 2),检波信号为2个正交信 号,分别为e1=Uo sin(tot),e2=Uo sin(tot+ ̄t/2), 按以上方法可求得 U。=2 ̄R2ulel(0)+R:。以(o)/Uo (11) U2=2 ̄/R22。。(0)+R (o)/Vo (12) U1c0s 1=2R2u1。1(0)/u0 (13) U1 simp1=2 2 1 (0)/u0 (x4) U2cosq2=2 2 1(0)/u0 (15) U2simp2=22l‘2以(0)/u0 (16) zz阻阻 。= oo 。 。=-oo。√ 龛 (17 , 、 1・ ∞ L 1一 2 面 U1c0s 1 c0s 2+U1 simp1U2sincp2 U1 U2 R:。。。(0)R 。。(0)+R:。 (0)R (0) :Ⅲ(0)+R:。以(0) : 。。(0)+R (0) (18) Rm=Z阻COS( 1— 2)= R 。。()0篑 0+R () 由此可见,测量的精确度受与阻波器相串联的 电阻的影响较大,应选用精度高、温度系数小的标 准无感电阻。 3测量系统构成说明 本测量系统由微处理器、频率合成器、缓冲放 大器、鉴相器、低通滤波器、A/D转换器和核心控 制逻辑单元组成,其中A/D转换可由DSP自带的 内部A/D转换器来承担。系统上电后,首先由主 程序读键盘操作,由键盘输入必要的初始化值,若 开始键动作,则CPU向频率合成器发出指令和输 入数据,启动振荡器,待振荡稳定后,启动A/D转 换器采样,并把转换得到的数据输入CPU进行计 维普资讯 http://www.cqvip.com
・技术研究・ 张国志,等基于AD734的高频阻波器阻塞特性的测量方法分析 ・43・ 算和处理,并驱动LCD显示器以一定的格式显示 A/D转换器中4路来完成,参考电压由REF192 结果。 来提供。 4测量系统的硬件选择与设计 (7)控制逻辑 由于系统的控制所需频率不高,外围接口也不 (1)微处理器 多,选择2片GAL16V8作为外设的逻辑控制。图3中 微处理器选用性价比较高的TMS320LF2407 只画出1片,另1片作为键盘驱动器、LCD显示器、 芯片,其运算速度较高(主频最高可达40 M),具有 USB接口、外部存储器等的片选或其他控制之用。 16 b数据和地址总线,3.3 V电压供电,功耗较低; 片内集成有高达32 k的FLASH程序存储器,外部 5 对典型的宽带阻波器参数仿真 存储空间可扩展,自带16路10 b的A/D转换器; 内置看门狗电路,能有效处理程序的跑飞。 利用Spice软件在信号源幅值为1 V、带内噪 (2)频率合成器 声电压达100 mV的仿真环境下,得到的一种典型 频率合成器有多种实现方法,直接数字式频率 参数的阻波器阻抗、电阻分量仿真值及其相对误差 合成器是近年来发展非常迅速的一种器件,采用全 频率特性,如图3所示。 数字技术,具有分辨率高、相位调整方便、频率转换 1 80 时间短、输出频带宽、相位噪声低等特点。AD9832 1 60 1 40 是1块集成了32 b的相位累加器、正弦函数功能 1 20 查询表和1个10 b的D/A转换器CMOS芯片。它 1 00 80 的最高时钟频率为25 MHz,内部包含2个32 b的 60 40 频率寄存器和4个12 b的相位寄存器,可以产生 20 一个最高频率为10 MHz、频率和相位都可以由编 程控制的模拟正弦波,频率分辨率为0.005 82 Hz, 频率/kHz (a)电阻分量及阻抗频率特性 相移可以是(360/4096)。的任意整数倍。AD9832 可方便地通过串行SPI总线接口和TMS320LF2407 连接,实现频率的转换和进入休眠。 (3)缓冲放大器 缓冲放大器选用具有高输入阻抗的AD8065, 它具有极低的噪声和失真,它的带宽为150 MHz, 频率/kHz 频率/kHz 并且转换速率为180 V/pLs。AD8065还具有优异 (b)相对误差频率特性 的直流性能:偏置电流典型值为1 pA,失调电压 图3阻抗、电阻分量及相对误差频率特性 典型值为6 IxV,并且漂移小于1 mV/ ̄C。其微分 Fig.3 Characteristics of impedance and resistance 增益误差和微分相位误差分别为0.01%和0.02%, component versus frequency and their relative errors 7 MHz带宽的增益均匀性为0.1 dB。 (4)低通滤波器 6 结束语 低通滤波器由RC电路构成,可视情况增加阶 在实际工作中,阻波器的测量一直存在着测量 数,利用运放AD8054作为AD转换器的输入缓冲。 精度不高、抗干扰能力差的问题。该测量系统不仅 (5)鉴相器 实现方便、精度较高、抗干扰能力强,而且可做到体 鉴相器作为本设计的关键部件,要求误差小、 积小、重量轻、耗电省,为设备的现场检修及在线检 失真小、信噪比高,此选用AD734,其具有0.1%的 测提供了方便,有着良好的应用前景。 (S) 典型误差,带宽为10 M,信噪比达70 dB,失真度 仅为一80 dB。这样就保证了整机的测量精度。 参考文献: (6)A/D转换 [1] 陈维千.电力线载波通道[M].北京:水利电力出版 A/D转换由TMS320LF2407内置的16路 社。1983. 维普资讯 http://www.cqvip.com
・44・ 电 力 委 铳 c薹 僧 2006,27(166) [2] 曾璐,杨蓓.基于Labview的虚拟相关法测量相位 张国志(1966一),男,河南浚县人,工程师,主要研究 差仿真仪设计[J].仪器仪表与分析监测,2004 方向为保密通信与混沌控制。 (4):18—2O. 张 军(1975一),男,河南南阳人,工程师,从事高电 [3] AD734 Datasheet[R].Analog Devices Inc.,1999. 压技术的工作。 High frequency blocking characteristics measurement of the power line trap based on AD734 ZHANG Guo-zhi,ZHANG Jun (Henan Transmission and Transformation Company,Zhengzhou 450051,China) Abstract:This paper presents an approach that call accurately measure the ̄equency-impedance characteristics of the power line trap.It expatiates and analyzes in detail the process of signal phase detecting by making use of a pair of orthogonal signals.A group of formulas for calculating the impedance and resistance component is summarized,SO it helps to avoid the fussy trigonometric func- tion calculation.Also,it puts forward a hardware implement of this measuring system.Simulation of a kind of wide hand line trap wiht typical parameters is performed.The result of the simulation demonstrates the validity of the method.The testing system estab- lished with this method possesses the advantage of high accuracy,high speed,being easy to realize and low cost,and has the ability of online measuring application. Key words:high ferquency power line trap;correlation principle;phase detector; ̄equency synthesizer (上接第32页) 5结束语 网合一的数字同步网打下基础。 青海省电力数字同步网建成后,将为青海电力 参考文献: 通信网提供一个高稳定和高精确度的网同步环境, [1] 国家电网公司“十一五”通信发展规划[S].国家电 使电力通信网的通信质量和可靠性更上一个台阶。 网公司.2005. 并最终与西北网公司、国网公司共同组成全国电力 数字同步网。由于同步的对象不同,目前通信和自 曹建雪(1964一),女,山东莱西人,高级工程师,从事 动化、保护建设三网合一的数字同步网还存在较大 电力系统通信工作。 的难度,但随着同步技术的不断发展,三网合一定 李云飞(1966一),男,江苏苏州人,高级工程师,从事 电力系统通信工作。 能够实现并最终成为电力数字同步网建设和发展 李志青(1973一),男,山东寿光人,助理工程师,从事 的趋势,因此在建设频率数字同步网时可以考虑预 电力系统通信工作。 留IRIG—B、NTP等时间同步接口,为今后建设三 Project scheme of Qinghai electric power digital clock synchronous network CAO Jian-X1.te,LI Yun f,LI Zhi-qing (Qinghai Electric Power INF.&TEL.Co.,Ltd.,Xining 810008,China) Abstract:Digital clock synchronous network is one of three supposing communication networks.Aiming at the characteristic of Qinghai electric power communication network,the paper discusses Qinghai electric power digital clock synchronal network construc- tion principle,synchronous mode,synchronous node setting,synchronous link choosing,synchronous equipment configuration and synchronal applied areas.Combined w ̄ith the practice of Qinghai Electric Power Company,analyses and discusses the requirement and feasibility of building the integrated digital synchmnal network of communication,automation and protection.Establishes theo. retic base of hte construction of Qinghai electric power digital clock synchronous network. Key words:clock synchronous network;frequency synchronization;time synchronization;timing link
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