引言
　　隨著我國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跟蹤補償裝置以其能自動跟蹤系統(tǒng)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(diào)節(jié)方便、無須停電、精度和動作成功率高等優(yōu)點，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，用晶閘管代替機械開關(guān)，實現(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。
　　與其他許多自動裝置一樣，模擬信號采樣和通過數(shù)字信號控制外部設(shè)備，是調(diào)容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置中非常關(guān)鍵的兩個部分，它們將直接影響到整個裝置的調(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，是實現(xiàn)裝置精確跟蹤、快速補償?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，使裝置自動跟蹤補償功能得以更加方便可靠的實現(xiàn)。本文結(jié)合調(diào)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(shù)字信號輸入輸出控制監(jiān)測硬件設(shè)備等方面的應(yīng)用。

1調(diào)容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置簡介
1.1裝置結(jié)構(gòu)與功能
　　調(diào)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(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。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)范圍或減小檔位級差，只要增加相應(yīng)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(diào)理板、數(shù)字信號板、觸發(fā)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(jù)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(diào)理板送至PCM-3718HG采樣板，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號送入主機。裝置根據(jù)這些數(shù)字信號自動跟蹤判斷電網(wǎng)運行方式的變化，計算電網(wǎng)電容電流，確定單相接地故障時消弧線圈的補償檔位。
　　電網(wǎng)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(tài)，自動裝置實時監(jiān)測電網(wǎng)電容電流的變化。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，啟動故障中斷服務(wù)程序，通過數(shù)字信號板送出預(yù)先確定的消弧線圈補償檔位所對應(yīng)的觸發(fā)字，導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管,使消弧線圈自動補償接地電容電流。程序?qū)崟r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)最大過補狀態(tài)運行，退出故障中斷服務(wù)程序。裝置繼續(xù)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(shè)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(fā)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(wǎng)電容電流，確定消弧線圈的補償檔位。電網(wǎng)正常運行時的串聯(lián)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(dāng)系統(tǒng)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(dāng)判斷電網(wǎng)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(yīng)的消弧線圈感抗值為：
　　
　　把三組中性點位移電壓和其相應(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地總電容。則電網(wǎng)電容電流為：
　　
式中:U_φ為相電壓。此方法可以消除電網(wǎng)阻尼率對電容電流計算的影響，提高計算精度。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，消弧線圈的工作檔位。

2PCM-3718HG采樣板的應(yīng)用
2.1模擬信號采集
　　根據(jù)電容電流測量計算和控制的需要，把上述六路模擬信號經(jīng)模擬信號調(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)部可編程定時器（Intel 8254）可按用戶需要的采樣頻率發(fā)出采樣脈沖。其每個采樣脈沖只觸發(fā)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(zhuǎn)換器進行模數(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，再觸發(fā)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(fā)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(nèi)捕獲模擬量在該時刻的瞬時值，并在A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的時間內(nèi)保持其輸出不變。一般用電容來實現(xiàn)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(fā)，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(zhuǎn)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(fā)方式與多通道同時觸發(fā)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(xiàn)偏差，每周波采樣點數(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(dāng)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(fā)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(zhuǎn)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(wǎng)運行過程中，U₀和I₀會隨電網(wǎng)運行方式、不對稱度等的變化而變化。因此，必須實時調(diào)整相應(yīng)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(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：一是模擬信號過大而發(fā)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(tǒng)的信號經(jīng)過兩級互感器后降為-5～+5 V的低壓信號供采樣。當(dāng)某點采樣信號過大而產(chǎn)生溢出時，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的該點數(shù)據(jù)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(xiàn)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(nèi)，設(shè)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(fā)生后半個周波，增益就能調(diào)整。當(dāng)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(jù)電網(wǎng)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(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，若是故障就無須再調(diào)，若非故障則可根據(jù)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(yīng)速度，大約10 ms左右。經(jīng)程序?qū)嶋H運行證明，增益調(diào)整的實時性和采樣精度都很好。
2.2數(shù)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(shù)字信號的輸入/輸出通道，可以通過這些數(shù)字通道，擴展出數(shù)字信號板，實現(xiàn)控制晶閘管的導(dǎo)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(xiàn)前面提到的調(diào)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(shù)字信號板上預(yù)留空端口。
　　由于晶閘管過零觸發(fā)，不會在電容器上產(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，進行電容電流跟蹤和故障補償。當(dāng)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(dǎo)通，甚至無法導(dǎo)通。這會使電容電流的跟蹤測量出現(xiàn)很大偏差，甚至無法進行。此時，可用與晶閘管并聯(lián)的接觸器代替晶閘管來投切電容器。由于數(shù)字信號板是由PCM-3718HG采樣板的數(shù)字口擴展出來的，所以可以用同一套觸發(fā)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(lián)方式，不僅可以保證電容器組的可靠投切，而且可以實現(xiàn)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(jīng)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(yīng)的試驗數(shù)據(jù)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(yīng)的試驗數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)
　　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(fā)方式和增益調(diào)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。



　　裝置對電容電流的實測數(shù)據(jù)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(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(diào)整保證裝置的故障響應(yīng)時間在10 ms左右，保證了裝置對故障的快速響應(yīng)。PCM-3718HG采樣板的數(shù)字信號輸入輸出功能，方便了裝置控制和自檢功能的實現(xiàn)，且使裝置具有很好的擴展性。通過調(diào)容式消弧線圈自動跟蹤補償裝置的實際應(yīng)用，證明PCM-3718HG采樣板功能齊全，與主機和外設(shè)連接方便，有效地簡化了硬件電路設(shè)計，編程控制方便，采樣精度高、速度快，性能穩(wěn)定，大大提高了裝置運行的可靠性，縮短了開發(fā)周期。