陈昕¹，周哲玲 ¹，邓建清 ²

（1. 广东电网有限责任公司汕头,汕头515041）

（2.长沙天恒测控技术有限公司，长沙410100）

摘要：针对 RC 阻容网络检定氧化锌避雷器测试仪的不足,研究了氧化锌避雷器测试仪谐波电流检测技术,提出了一种金属氧化物避雷器测试仪校准装置。对反馈信号进行离散傅里叶变换 ( DFT ) ,消除高次谐波。阐述了校准装置的硬件设计方案及各功能模块的工作原理、软件设计方案的工作流程。最后,试验证明了该校准装置的可行性,其与传统的 RC 阻容网络方法相比更具优势。

关键词：避雷器 FPGA 标准信号发生器 DFT 高次谐波消除 模数转换 上位机

中图分类号：TH86；TP72 文献标志码：A

DOI: 10.16086/ki.issn 1000-0380.201609017

Abstract: To against the deficiencies in calibrating the tester of MOA by using resistor-capacitor network,the harmonic current detection technique of the tester of MOA is researched,the calibration device for tester of metal oxide arrester is given.The discrete Fourier transform ( DFT ) of feedback signal is canducted to eliminate the higher order harmonics.The design scheme of the hardware of calibration device;the feasibility of this calibration device;comparing with traditional method of using RC network,it is more superior.

Key words: Arrester Field programmable gate array ( FPGA ) Standard signal generator Discrete fourier transform（ DFT ） Higher order harmonics elimination Analog digital conversion Host computer

1. 引言

金属氧化锌避雷器（metal oxide arrester，MOA）利用金属氧化锌的非线性特性进行开断电流，是电力系统中使用广泛的一次过电压保护设备。作用于MOA的电压不同，将会引起 MOA 中的氧化锌阀片性质发生剧烈变化。在雷电电压作用下，阀片呈现低阻状态，且电压消失后，可恢复为高阻态.正常工作电压下，MOA 处于高阻状态，但会有电流流过阀片。由于长期在大电压等级以及户外的环境下运行，避雷器的工作性能会出现变化，并且极易发生损坏^[1]。而避雷器发生故障的后果非常严重，不仅会丧失保护设备及线路的基本功能，甚至还会造成电力系统过压事故。为保证 MOA 正常运行，必须对其进行定期检测。对于 MOA 预防性试验，国内外研制了各种 MOA 测试仪。而针对这些测试仪，国家并没有制定相应的校准规范。目前检验 MOA 测试仪的方法主要是标准信号发生器法和 RC 阻容网络法。

传统的 RC 阻容网络法所需的试验设备包括自偶式调压器、交流电压表、交流电流表、交流电阻箱以及交流电容箱，对试验设备要求不高^[2]。其不足之处是回路接线繁琐、操作复杂、工作效率低；标准电压器和电容器并非理想元器件，会引入残余电感和分布电容。在交流电路中，电阻器的时间常数不为 0，其引起的误差约为百分之几；电容器也存在一定的损耗因数，引起的误差将近千分之几^[3]。且电路中无法产生3次谐波电流，测试数据单一，相角不易灵活设置等众多因素影响校验结果的一致性。本文提出了一种金属氧化物避雷器测试仪的校准装置。

2. DFT 信号处理

电流输出信号经过I/V转换，信号调理后，由模数转换器转换为数字信号传递给现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA），调整输出信号的幅值和相位，消除高次谐波噪声。输入信号为：

令信号频率为f₀，采样频率为f_s,采样序列长度为N。则采样得到的离散序列为：

若令,则

则序列 x[n] 的离散傅里叶变换^[4-5]为：

当 q 为整数时，且 q=k 时，;当 q=3k 时，;当q≠k，或 3k 时，。此时，频谱不发生泄漏。当q不为整数时，则 X[k] 均不为 0，此时发生频谱泄漏现象^[6]。系统中 q=16 ,符合 q 为整数的条件。对信号进行离散傅里叶变换（discrete fourier transform，DFT），从频域的角度对反馈的数字信号进行分析。

假设信号被 5 次谐波和 7 次谐波污染，令所有谐波幅值为 0.1 A。经过傅里叶变换，得到信号频谱图。

通过叠加反向的5次谐波和7次谐波信号，消除由后续硬件引起的高次谐波影响。

3. 硬件设计

硬件电路总体结构如图1所示。图1中，Zx 为被检 MOA 测试仪的等效电阻。

图1 硬件电路总体结构框图

Fig.1 Overall structure of the hardware circuitry

3.1 主控电路

微处理器使用高性能的ARM^® Cortex™-M3 32 位的 RISC 内核，工作频率为 72 MHz，内置高速存储器(高达 512 KB 的闪存和 64 KB 的 SRAM )，丰富的增强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设。多达 112 个快速 I/O 端口。微处理器主要同外设进行通信，进行数据显示、响应按键操作等，并与 FPGA 进行协议约定，控制 PFGA 进行数字信号处理。

FPGA^[6-7]主要负责以下3项工作：

① 接收模数转换器反馈的信号，对标准输出信号进行幅值和相位调节。同时，对反馈信号进行离散傅里叶变换。设定单个周期采样 256 个点，则 f_s=256f₀ 。如果采样点数控制 N=256×16=4096, 可以保证 q 为整数，不发生频谱泄漏。对信号进行频谱分析，信号发生时叠加反向谐波信号，抵消噪声及高次谐波，降低波形的失真度。

② 根据奈奎斯特采样定律，输出序列长度为 N=4096 的离散数字信号，将信号传递给数模转换器，并进行数模转换。在系统允许的失真度情况下，且保证 f_s≥2f_M，f_s 越大，由数模转换器转换的模拟信号越接近原始信号。

③ 同微处理器进行约定，接收微处理器发出的命令，进行复杂的运算处理。

图2 FPGA功能框图

Fig.2 Functional block diagram of FPGA

3.2 采样电路

16 位 A/D 和 D/A 负责信号的模数和数模转换，A/D 转换器将电压、电流信号转换为离散的数字信号，便于FPGA 处理。D/A 转换器将离散的数字信号转换成稳定度非常高的正弦波电压信号和电流信号。A/D 和 D/A 转换器的分辨率应该与 FPGA 采样频率 f_s 相匹配，否则会直接影响到后续的数据处理效果。

3.3模拟信号输出电路

从 D/A 输出的模拟信号 ^[8-9]通过 OP1、OP3 进行信号调理后，经过低通滤波器将基波和 3 次谐波之外的噪声和高次谐波滤除，再进行功率放大驱动输出变压器进行输出。电流信号通过I/V转换模块、电压信号通过 V/V 转换模块进行反馈，再经过 OP2、OP4 信号调理，将输出信号反馈至 OP1、OP3 的输入端，并通过模数转换器 ADC 传递至 FPGA。FPGA 调节输出标准信号幅值和相位，并对信号进行频域分析，叠加反向高次谐波信号，以抵消由硬件电路引入的噪声，降低波形失真度，改善负载特性，最终形成稳定的闭环反馈控制电路。

3.4 上位机

微处理器通过 RS-232 与上位机进行通信。上位机安装监控和通讯软件，设有人机对话界面；读取被检金属氧化锌避雷器测试仪数据，进行误差计算。

4. 软件设计

本设计采用实时嵌入式操作系统^[10]作为开发平台。系统上电后，首行初始化配置，包括主时钟、I/O口、SPI 模块等。初始化成功后，读取上位机界面设定的 U_p、I_PR1、I_PR3、I_PC1 值，如果设定值超过输出上限，系统报警，需重新设定。根据设定值判断是否需要切换电压量程，选择量程输出电压；判断 I_PR1、I_PR3、I_PC1 电流是否需要切换量程，选择量程输出电流，以提高输出精度。同时上位机通过 RS-232 或 RS-485 读取被检测试仪数据，计算误差值。程序流程如图 3 所示。

图3 程序流程图

Fig.3 Flowchart of program

5. 数据分析

对校准装置参比电压输出和谐波电流输出的性能进行验证，如表 1 和表 2 所示。220V 量程的参比电压相对误差不大于 0.05%； 20 mA 量程的阻性基波电流和容性基波电流的相对误差均不大于 0.07%，3 次谐波电流相对误差不大于 1%；相角误差不大于 0.01°。数据符合标准装置的相关计量要求。

表1 220V量程参比电压误差

Tab.1 Errors of reference voltage in the range of 220 V

表2 20mA量程电流误差

Tab.2 Errors of current in the range of 20 mA

6. 结束语

金属氧化物蓓蕾器测试仪校准装置采用基于 FPGA 的标准信号发生器法，通过 DFT，从频域的角度对信号进行分析。通过叠加反向高次谐波，抵消由硬件电路引入的噪声，降低波形失真度。相比 RC 阻容网络方法，该装置具有精度高、相位调节灵活和操作便捷等优点。避免了因电阻、电容受外界因素影响而引入的误差，明显提高了检定装置的精度和稳定度。

参 考 文 献

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