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摘 要：本文设计了一款新型的电压监测仪校验装置，该装置的硬件系统以微处理器ARM为核心，控制信号发生电路产生基波和谐波信号，该信号经集成放大器放大后输出。输出电压经反馈采样和整流后构成负反馈系统，以提高整个系统输出的准确度。
关键词：校验；交流输出；电压监测仪
Hardware System Research of Calibration Device for Voltage Monitoring Instrument
WANG Zhi1，2，Gao Feiyan1
（1.School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang，421000，China.
2.Hunan Electric Power Resesrch Institute，Changsha 410007，China）
Abstract：A calibration device of voltage monitoring instrument was designed in this paper.With microprocessor ARM as the core，the hardware system of this device can control signal generating circuit produce fundamental wave and harmonic signals，then the signal was output after amplification by integrated amplifier. Negative feedback system was formed by output voltage after feedback sampling and rectification，in order to improve the accuracy of the output of the whole system.
Key words：Verify；AC output；voltage monitoring instrument
1引言
在电力系统中，电压监测仪是监测电网中的电压质量，从而保障工业生产水平和人们的生活质量的工具，为保障电压监测仪满足技术使用条件，充分发挥其功能准确可靠地监测电压状态，需要对电压监测仪各个性能指标进行校验，从而需要研究一种可靠的电压监测仪校验装置。
2 电压监测仪校验装置硬件系统设计原理
本文设计的电压监测仪校验装置是为校验电压监测仪各项误差和功耗而研制的一种产品。该装置的硬件系统以微处理器ARM为核心，控制信号发生电路产生基波和谐波信号，该信号经集成放大器放大后输出。输出电压经反馈采样和整流后构成负反馈系统，以提高整个系统输出的准确度。系统中设计了GPS模块能为系统准确对时，电能计量芯片能对电压监测仪进行功耗测试。
电压监测仪校验装置的主要功能是提供一个高准确度、稳定性好、可程控的电压输出，其电压输出单元的整体框图如图1所示。
图1中，由工控机PC104负责外围设备包括人机界面、显示屏、各类通讯接口的管理，微处理器即为CPU控制电路，它与CPLD逻辑组合电路共同对整个电压输出系统实现总控制，负责解析和传递面板键盘信息，量程转换，控制信号发生器电路产生满足要求的信号，并将最终的输出电压值输送到显示屏进行显示。
2.1 电压监测仪校验装置交流输出模块的设计方案
图1 电压监测仪校验装置交流输出单元整体框图
信号发生器电路产生正弦波信号（当需要谐波信号输出时，也可以通过设置产生特定的谐波信号），该信号输入功放电路进行放大输出。输出电压由精密互感器采样，采样后与标准信号比较进行反馈锁定得到理想的输出电压。
2.1.1信号发生器电路
信号发生器电路原理框图如图2所示，微处理器通过串行方式，向AD9850定入一个控制字FCW，使其产生相应频率的方波输出，该方波用作波形扫描计数器地址的时钟，触发地址累加器中的地址改变，每产生一个时钟Fout，波形扫描器地址增加一个步长M，即波形扫描器产生一个新的波形查询地址，通过波形存储器地址总线输入到波形数据存储器。在存储器中将地址信息映射成相应存储单元存放的波形数字幅度信息输出，地址每改变一次，输出一个相应的波形数据，当地址增加到最大值时，就完成了一个周期的正弦波输出，当AD9850再发送一个时钟信号时，地址扫描器的地址又回复到零，再在时钟信号的触发下，实现地址的不断增加，不断循环，波形存储器就会不断地输出一个又一个正弦波数字信号，每有一个数字信号输出，就会启动D/A转换器进行数模转换，从而在D/A转换器的输出端输出一个又一个的正弦波模拟信号。
图2 信号发生器原理框图
在本文的设计中，有两套信号发生器电路，一套用于产生基波信号，另一套产生谐波信号，所以，谐波信号的产生方式和基波完全一样，只是频率和基波不同。基波和谐波合成的公式如下：
U=k1sinωt+knsinωt （1）
式（1）中k1是基波的幅度系数，kn是n次谐波的幅度系数，公式中设定基波和谐波的初始相位=0°本文设计中，通过运算放大器实现基波和谐波的信号合成。
2.1.2信号放大电路
放大器采用集成进口电路，稳定性好，输出功率大，电路设计简单。详细电路图如2-8所示：
图3中U4为集成电路运算放大器，经波形合成电路输出的信号UA-OSC1经过R8保护输入运算放大器同相端，功放输出端接入电阻R12，起到限流保护的作用，以防经放大以后电流过高，损坏元器件。
功放的放大倍数 由式（2）计算约等于10：
（2）
3.1.3反馈采样电路
输出电压经互感器反馈采样后变为峰值为5V的正弦波，反馈采样电路即为负绝对值电路，即将反馈电压输入变为其负的绝对值输出，即将正弦波信号波形的横轴以上半部分波形翻转到横轴下半部分，横轴下半部分波形不变。精密整流输出的电压即为输入电压的负的绝对值，在对输出的负绝对值取其平均值，因为正弦波的负绝对值的平均值与其有效值是k倍的关系，（k=1.111），用此平均值经过电阻等外围电路的处理就可以得到反馈电压的有效值。
图3 信号放大电路图
4 总结
通过对研制的样机进行相关性能试验，本文研制的电压监测仪校验装置交流输出单元可以达到以下指标：
（1）各个量程输出电压的准确度高于±0.1%；
（2）可以输出高于5次准确度高于±0.1%的谐波；
（3）稳定度高于0.01%/min；
（4）带负载能力大于9VA；
以上性能指标说明，本文研究的电压监测仪校验装置完全符合相关标准，规范的要求，准确可靠地实现对电压监测仪的校验工作。
参考文献
[1]DL/T500-2009行业标准，《电压监测仪使用技术条件》[S].1994
[2]朱杰斌，章或，刘德辉，余红粒，DJ1电压监测仪校验装置的谐波功能设计[J].中国测试技术，2005，31（4）；50
[3]魏有然，关于电网对电压监测仪的相关要求【J】.供电技术，2010；50-51
作者简介
王智（1985-），女（汉），在读研究生，并就职于电力部门从事计量检定工作，研究方向为仪器仪表检定及其自动化。