摘要：介紹了容性設備在線絕緣性能檢測系統(tǒng)中，數據采集硬件電路的設計思路。采用DSP技術實現數字濾波和相位換算。提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。16位雙極性A／D轉換器，大大提高了信號的精度。采用程控增益的辦法，提高了系統(tǒng)增益的穩(wěn)定性?，F場采集的實時數據來看，交流信號電流幅值偏差在±5％之內，相位的誤差為0～3％，并且硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
關鍵詞：DSP2812容性設備；介質損耗；數據采集；ADS8365

0 引言
    容性設備是指絕緣結構采用電容屏的電氣設備，主要包括耦合電容器(OY)、套管、電流互感器(CT)以及電容式電壓互感器(CVT)等。在變電站中，高壓容性設備是其重要的組成部分。這些高壓容性設備絕緣性能的好壞，對于整個變電站的運行安全至關重要?，F有的技術手段是通過測量介質損耗tan δ及電容量Cx，可較為靈敏地發(fā)現電容型設備的絕緣缺陷。目前所有的在線監(jiān)測系統(tǒng)均把介損作為重點測量的對象。
    為了提高系統(tǒng)監(jiān)測的精度，本系統(tǒng)采用基于相對本地測量單元的數字介損測量技術。放棄傳統(tǒng)的過零比較技術，利用TMS320F2812具有較強的數字運算能力，通過DFT算法，精確的提高系統(tǒng)介損測量的準確度。

1 數據采集系統(tǒng)設計方案
    在以往的系統(tǒng)設計中，通常采用母線的電壓作為基準進行測試，但是這種測試方式經常會受到現場環(huán)境和傳輸過程的干擾影響。為了減小干擾，可以采用系統(tǒng)的供電電源為基準源。這樣不但可以減小干擾提高精度，操作起來也十分的方便。系統(tǒng)測量的方案如圖1所示，在該系統(tǒng)中，假設流過系統(tǒng)的阻性電流為Ix，而系統(tǒng)的容性電流為In。同時，設基準源流過參考電阻Rs的電流為Is。利用高精度電流傳感器把被測電流信號Ix，In變換為電壓信號Ux，Un。電流傳感器在±12 V直流電源的供電下可以將100μA～700 mA的電流信號轉換成電信號輸出。電壓信號的峰值為0～10 V。然后由數字化測量系統(tǒng)對信號進行同步采樣及傅里葉變換處理，獲得這兩個信號的基波向量及其相位夾角phUx-phUn。如果不考慮電壓互感器(PT)的相位失真問題，則可方便地計算出電容型設備Cx的介質損耗tan δ值。

    電容型設備的介損測量通常需要選用母線電壓作為相位測量的基準。傳統(tǒng)的處理方式是把母線PT的二次側電壓信號直接提供給檢測系統(tǒng)，其主要缺點是現場布線復雜，模擬信號在長距離的傳送過程中易受電磁場干擾的影響，有可能導致介損測量結果失真。本方案所設計的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)采用信號處理單元的220 VAC電源作為參考基準，不用將PT二次信號進行遠距離傳輸。該方法較好地解決了基準電壓信號的取樣問題，也是目前比較通用的解決方式。
    由圖1可知，該系統(tǒng)主要由兩個數據采集單元組成。每個采集單元都包含了信號調理和A／D采樣兩個部分。

2 硬件電路設計
    對于設備阻性電流和容性電流的獲得是通過有源零磁通傳感器來實現的。該電流傳感器相對于傳統(tǒng)的無源電流傳感器來講能夠大大提高對微電流信號測量的準確度。其電流精度可以達到微安數量級。如此高的精度對于復雜環(huán)境中的容性設備來講，信號調理電路的設計和軟件濾波器的設計尤為重要。
2．1 放大電路
    本系統(tǒng)放大電路采用動態(tài)增益的辦法實現。其具體電路如圖2所示，CH1 A，CH1 B，CH1 C接CPLD，由CPLD進行控制。即如圖3中的風通過數字控制的方式來實現。主控芯片CPLD選用EPM3128ATC100-10，該芯片是一款高性能、低功耗、基于E2PROM的可編程邏輯器件，片內集成了2 500個可用門，8個邏輯陣列模塊(LAB)，每個LAB由16個宏單元組成，最多為用戶提供80個I／O口，通過JTAG接口進行在線編程，可以進行100次的程序燒寫。選用該芯片主要基于以下幾點考慮：Altera器件采用銅鋁布線的先進CMOS技術，功耗低、速度快，采用互連結構，提供快速、連續(xù)的信號延時和具有相同延時的時鐘總線結構。邏輯集成度高，開發(fā)周期短，使用專用軟件設計輸入、處理、校驗及器件編程一共僅需幾個小時。FPGA／CPLD中寄存器資源或組合邏輯資源比較豐富，更適合于時序電路和組合邏輯電路的設計。

    為了防止信號的振蕩，電路中增加電容C3，對其進行消除振蕩影響。
2．2 濾波電路
    為了提高信號采集的數據精度和穩(wěn)定性，在數據采集之前要對信號實現硬件濾波。硬件濾波采用以OPA2277為核心的二階巴特沃斯低通濾波器。
    由于該系統(tǒng)使用環(huán)境的特殊性，系統(tǒng)極易受到白噪聲信號以及高頻噪聲的影響，所以有必要對信號進行前級處理。根據以往試驗現場數據分析可知，高頻信號的影響尤為突出。該系統(tǒng)采用了硬件濾波的方法得到理想信號。在得到傳感器的輸出信號之后，設計了頻帶寬度為20 Hz，中心頻率為50 Hz的二階帶通濾波器。其電路連接結構如圖4所示。該濾波電路是利用理想運算放大器的開環(huán)增益較高和深度負反饋的原理設計實現的。電路的連接方式為通用方式，電路中C4，C5為供電電源濾波電容，采用并聯(lián)方式。R2，C5，R3，C4組成通用的二階濾波電路，R4，R5用來放大信號和平衡系統(tǒng)。

2．3 A／D轉換器數據采集電路
    本系統(tǒng)采用多通道高速度高精度A／D轉換器ADS8365，是一種高速、低功耗、6-channel模擬器，16位A／D轉換器。包含6個4μs逐次逼近ADC，6個差分sample-and-hold放大器，內部2．5 V基準源。通道有一個HOLD信號(HOLDA，HOLDB，HOLDC)允許對每個通道的同步取樣。并且可以實現對信號的雙極性采集。
    數據采集的準確性和系統(tǒng)的基準源息息相關，本系統(tǒng)采用電阻分壓的形式得到2．5 V基準源電壓。再通過電容濾波，可以得到比較純凈的電壓信號。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和負載能力，用高精度運算放大器OPA2350組成電壓跟隨器和有源濾波電路，REFIN和REFOUT分別和A／D轉換器的62，61引腳相接。具體電路連接如圖5，圖6所示。

    本系統(tǒng)中，ADS8365對于正弦波的采集，涉及到正負兩個半周期的信號。所以需要涉及雙極性信號的調理，調整采集信號的極性。在A／D轉換器采用了差分輸入電路。差分輸入電路具有較高抗干擾能力、EMI抑制能力和動態(tài)范圍高的特點。具體的電路設計如圖7所示，R4X和R5X具有比例放大作用。C1X，C2X并聯(lián)在電源兩端起到濾波作用，電容濾除供電電源對系統(tǒng)雜波干擾。信號由Vinx進入和Ref相加之后輸出，最終進入后端A／D轉換器的信號為(V+-V_)。在該電路中，對于理想運算放大器而言利用其虛短特性，可以對R1X，R2X，R3X實現運算。在本電路中的Vref就是圖5中產生的參考電壓。

    在信號進入A／D轉換器之后，信號進入DSP信號處理電路。DSP處理器通過對信號進行數字濾波和分析計算之后，通過串口發(fā)送數據和顯示數據。

3 最后結果
    為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用VC++編寫上位機軟件，用來實時采集下位機的數據。軟件界面和數據如圖8所示。設備類型包含在下拉列表中共7種類型(CT，CVT，MOA，OY(OC)，PT，TB，TR)，此選項根據當前要測試的設備的類型進行選擇。該顯示頁面為PT單元的測試數據。

    在該數據測試系統(tǒng)中，校準相位點的電流大小為20 mA。在基波大小為100 mA，A，B，C三相的諧波分別設定在30 mA，20 mA，10 mA，10 mA的情況下測定，其電流幅值誤差在±5％范圍內。在此情況下，相位角的偏差在0．3％之內，滿足系統(tǒng)設計要求。

4 結論
    系統(tǒng)采集的主要參數為介損，該參數經常受到很多條件的影響。比如高頻信號、環(huán)境因素、儀器性能等等。需要說明的是如果遇到整體偏差的需修改系數，比如PT單元的相位偏差允許在±15’范圍內。但是總體來說，該采集系統(tǒng)在各個采集單元的誤差還是可以達到測量精度的要求的。