关键词：变电站直流电源；稳压精度；纹波系数；稳流精度；充电程序
　　
　　1、引言
　　
　　直流电源作为变电站二次设备的供电电源，其可靠性对变电站的安全运行有着非常重要的作用。直流电源在运行过程中，特别是运行1～3年后，其充电装置的一些重要参数如稳压精度、纹波系数、稳流精度和充电程序的设置参数会发生不同程度的偏移，严重时会造成这些参数超标，并可能造成直流电源蓄电池组的早期失效。为了及时了解直流电源参数的变化情况，防止因直流电源失效造成的损失，本文研究了一种适合现场使用的电变电站直流电源特性测试系统，将交流调压器、负载、数据采集处理等组合在一起，自动实现直流电源充电装置的稳压精度、稳流精度、纹波系数、充电程序的测试。
　　
　　2、测试系统组成
　　
　　在电力行业标准DL/T459-2000“电力系统直流电源柜订货技术条件”中，定义了直流系统充电装置稳压精度、纹波系数、稳流精度和充电程序的测试方法。通过在一定范围内调节充电装置的交流输入电压、直流输出电流，根据调节过程中充电装置直流电压、直流电流、直流纹波电压的变化，计算充电装置的稳压精度、稳流精度和纹波系数，同时通过模拟蓄电池充电过程中电池组阻抗的变化情况，记录充电过程转折点的电流和电压，判断充电装置的自动充电程序是否满足要求。
　　
　　根据标准的要求，便携式直流电源特性测试系统由后台机、交流调压稳压器、可控负载、测控装置组成，图1是测试系统的原理框图。
　　
　　交流调压稳压器用于改变充电装置的交流输入电压，以判断充电装置直流输出电压或电流的源效应，交流调压器的容量需要综合考虑被测试充电装置的输出功率、效率、功率因数等参数。交流稳压调压器具有外部控制接口，便于在测试过程中自动调节交流电压的高低。
　　
　　可控负载为纯阻性负载，可控负载按照电流大小分为若干组，通过组合获得不同的电流值，各组负载的投入与退出由独立的开关控制，通过控制开关的通断，即可在一定范围内改变可控负载的阻抗，从而平滑调节充电装置的输出电流或电压。负载开关由测控装置控制，以实现测试过程中负载阻抗的自动调节。
　　
　　图1直流电源特性测试系统原理框图
　　
　　测控装置是测试系统的核心，其主要功能是根据上位机发送的程序命令，控制交流调压稳压器的输出电压调节、各组负载的投切，并按程序要求自动采集充电装置的直流输出电压、直流输出电流、交流输入电压，从直流电压中分离出纹波分量，并将上述4个模拟量转换为数字量，通过串口发送到上位机。
　　
　　3、测试系统的设计
　　
　　根据北京电力公司变电公司管区内220kV变电站直流电源的配置情况，要求测试系统的交流电压调节范围应达到342V～437V，直流电流调节范围为0～50A，直流电压范围为99V～242V。根据以上要求，对测试系统进行了设计。
　　
　　3.1交流调压稳压器的设计
　　
　　根据直流电压和电流的范围，充电装置的最大输出功率为12kW，按照90%的转换效率和0.9的功率因数，交流调压稳压器的视在功率应达到15kVA，为了在低输出电压时满足充电装置的功率要求，选择18kVA的稳压器机芯。稳压器机芯的基本结构为三相柱式调压器，通过两个无源节点改变稳压器的电压给定值，当节点1闭合时，交流输出电压为342V；当节点2闭合时，交流输出电压为437V；当两个节点均断开时，交流输出电压为380V。为了降低交流调压稳压器的重量，结合测试系统的满载工作时间，在绕组设计上，采用大铁芯、小绕组的方式。
　　
　　3.2可控负载的设计
　　
　　在测试过程中，可控负载承担充电装置输出的全部功率，因此，可控负载的最大功率应达到12kW。为了平滑调节充电装置的输出电流或电压，将可控负载按照8421码进行分组，选择最小电流单位为0.1A，则只需将可控负载分为9组，即可实现0-51.2A电流范围内的任意调节，9组可控负载对应的电流分别为：0.1A、0.2A、0.4A、0.8A、1.6A、3.2A、6.4A、12.8A、25.6A。各组负载的控制开关采用IGBT,IGBT由测控装置输出的信号驱动，为了提高安全性，测控电路与IGBT之间采用光耦进行隔离。
　　
　　可控负载选用外壳绝缘的大功率电阻器，电阻器安装在配有风扇的铝合金散热器上。每组负载均由偶数个电阻器串联组成，将每组负载串联的均分点通过二极管并联在一起，作为110V电压等级的输入，而将两外两端作为公共端和220V输入（图2），防止在采用220V输入端时，各组负载通过110V母线产生相互影响。
　　
　　图2可控负载的控制原理
　　
　　3.3测控电路的设计
　　
　　1）模拟信号处理
　　
　　图3是模拟信号处理部分的电路原理图，交流电压信号通过电压互感器T001隔离，隔离后的信号经过运放N001A～N001D、D002、D003的精密整流后变为直流，经C005、C006滤波后变为恒定的直流电压，该直流电压与交流输入电压的有效值呈正比关系；直流电流通过电流传感器采集，经取样电阻R012变为直流电压信号；充电装置的直流输出电压信号经电容C005滤波后分为两路，一路经电阻R010、R011分压，作为直流电压的测量信号，另一路经过电容C004隔直，分离出叠加在直流电压上的高频纹波信号，然后通过N003、N004、N002B，得到纹波信号的峰峰值。以上四个模拟信号分别输入到模拟开关N005的四个输入通道，模拟开关的输出送入A/D转换器。模拟开关的通道选择由CPU的P3.2和P3.3控制。
　　
　　叠加在充电装置直流输出电压上的纹波信号包含两个部分：一部分是频率为50Hz的低频信号，于交流输入电压有关；另一部分是高频噪声信号，与充电装置的开关频率和开关噪声有关，频率一般在100kHz～500kHz之间。因此必须选择合适的峰值保持电路，才能纹波信号的峰值保持。一般的峰值保持电路采用放大器和分立二极管加电容组成充放电电路，并利用二极管的单向导通性和电容器的存储作用构成检测电路。这样，当脉冲信号到来时，二极管导通；而当电容器被充电至脉冲峰值时，二极管截止。此时，电容器上将保持脉冲峰值。但这种峰值保持电路的线性较差、通频带窄，而且峰值保持响应时间受峰值保持电容的影响很大。若选用峰值保持电容较小时，虽然响应的速度较快，但是保持的时间短，不适合本装置测量的要求。因此，利用ＡＤ公司生产的ＰＫＤ０１峰值保持器则可将保持时间控制到很长的时间。
　　
　　ＰＫＤ０１采用ＤＩＰ－１４封装，图4是其内部逻辑图。ＰＫＤ０１峰值保持器内部采用跨导型运算放大器，因而具有响应速度快、通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点。对于具有瞬变峰值脉冲的信号，通过选择适当的外接保持电容，ＰＫＤ０１即可快速、准确地检测并保持峰值脉冲信号，直至发送ＲＳＴ复位信号进行清除为止。PKD01可以对上升（下降）速率为0.5mV/μs的脉冲信号进行检测，典型响应速度为125ns。
　　

图4 峰值保持器PKD01的内部功能图

　　图3中，N003用于保持正脉冲信号，N004用于保持负脉冲信号，正脉冲信号和负脉冲信号通过N005B相加，送入模拟开关的一个通道。N003、N004的复位端由CPU的P3.6控制，当P3.6为高电平时，电容C001、C002保持的峰值信号被复位，因此，通过周期性的控制P3.6的电平，即可获取纹波信号在不同时间内的峰峰值。
　　
　　图3模拟信号处理原理图
　　
　　2）A/D转换部分
　　
　　图5是A/D转换部分的电路原理图，微处理器采用P89C51RD2，A/D转换器选用BB公司的高精度转换器ADS7805，最高的转换频率可达100kHz。ADS7805芯片采用28脚双排直插式或贴片式封装，只需单端5V电源供电即可正常工作，芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等电路。ADS7805采用CMOS工艺制造，功耗低（最大功耗为100mW），模拟输入电压的范围为±10V，采用逐次逼近式工作原理，转换结果由16位数据线并行输出，启动转换和读取上次转换的结果可以同时进行。
　　
　　ADS7805的数据接口通过两片锁存器74LS373连接到微处理器的P0口和P2口，片选输入端CS接微处理器的P1.1端，读取结果/模数转换控制信号输入端R/C接P89C51的P1.2，转换结果指示输出端/BUSY接P89C51的P1.0，P89C51的P1.3用于锁存器的片选信号。
　　
　　图5A/D转换部分原理图
　　
　　4、试验
　　
　　根据设计方法，研制完成了一套测试系统，测试系统由交流调压装置、测试装置、扩充负载、笔记本电脑组成，测试装置包括测控装置和25.5A的可控负载，扩充负载内部设计为25.6A的可控负载，扩充负载和测试装置之间通过控制电缆连接。将可控负载一分二的目的是为了降低单元装置的体积和重量。
　　
　　测试系统的主要技术指标如下：
　　
　　工作电源：交流220V，频率50Hz
　　
　　直流电压范围：220V±10%、110V±10%
　　
　　直流电流调节范围：0～50A
　　
　　电流控制精度：0.2A
　　
　　测量精度：直流电压/交流电压/直流电流：±0.2%
　　
　　纹波电压：±0.5%
　　
　　测试功能：稳压精度、稳流精度、纹波系数、充电程序
　　
　　体积：测试装置/扩充负载230mm（宽）×400mm（高）×450mm（深）
　　
　　交流调压装置350mm（宽）×600mm（高）×400mm（深）
　　
　　重量：测试装置/扩充负载27kg
　　
　　交流调压装置35kg
　　
　　利用该测试系统，对管区内的部分220kV变电站直流电源进行了稳压精度、纹波系数、稳流精度和充电程序的测试。试验证明，完成一个电压整定值的稳压精度或一个电流整定值的稳流精度测试只需5分钟，模拟一个从恒流充电、恒压均充到浮充电的充电过程只需10分钟，极大地提高了设备维护的效率。
　　
　　表1是通过后台软件自动生成的测试报表，图6是记录的充电曲线。
　　
　　表1测试记录
　　
　　图6模拟电池充电的充电曲线
　　
　　5、结论
　　
　　通过多个变电站的现场试验，该直流电源特性测试系统可以对充电装置的稳压精度稳流精度、纹波系数、充电程序进行测试，测试流程符合现场测试的要求，数据采集精度满足标准要求，适合作为变电站直流电源的专用测试设备。