變壓器有載分接開關(guān)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

楊新華 許勝軍 來 帥

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

有載分接開關(guān)是有載調(diào)壓變壓器的關(guān)鍵元件，其性能直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此，必須定期對(duì)有載分接開關(guān)進(jìn)行性能測(cè)試［1－2］。根據(jù)國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 574-95《有載分接開關(guān)運(yùn)行維修導(dǎo)則》，有載分接開關(guān)需要測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)主要有過渡電阻值、過渡波形、動(dòng)作順序、切換程序與時(shí)間等［3］。

現(xiàn)有測(cè)試儀由于受到CPU速度和軟件技術(shù)發(fā)展的制約，它們?cè)谶^渡波形分析能力、測(cè)量精確度以及人機(jī)交互等方面還不能完全滿足有載分接開關(guān)測(cè)試的實(shí)際需要。

針對(duì)以上問題，本文采用以S3C2410、AD7658為核心搭建的硬件平臺(tái)，以Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)有載分接開關(guān)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有儀器的不足。新設(shè)計(jì)的變壓器有載分接開關(guān)在過渡波形分析能力、精確度、功能和人機(jī)交互性等方面都有較大的提高。

1 測(cè)試原理分析

有載分接開關(guān)的測(cè)試分為吊芯(不帶繞組)和不吊芯(帶繞組)2種情況。吊芯測(cè)量主要用于有載分接開關(guān)在出廠時(shí)的測(cè)試;有載分接開關(guān)投運(yùn)后與變壓器是一體的，所以在通常情況下，都是不吊芯測(cè)量［3］。

在吊芯測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量電路中沒有電感元件，因此，直接在有載分接開關(guān)的每一相加一個(gè)大容量的電壓源就可以測(cè)量出有載分接開關(guān)的變化過程，吊芯測(cè)量原理如圖1(a)所示，UC=URX;在不吊芯測(cè)量的情況下，由于變壓器的繞組存在一個(gè)幾百毫亨的電感，在有載分接開關(guān)切換過程中，回路電流I發(fā)生變化，相應(yīng)的電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感抗jωL，從而使UC=URX+UL，使UC/I不等于過渡電阻，造成過渡電阻無法測(cè)量。為消除電感造成的感抗帶來的影響，采用電流源作為測(cè)量電源，不吊芯測(cè)量原理如圖1(b)所示。

圖1 測(cè)試原理圖Fig.1 Principle of measurement

2 有載分接開關(guān)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

基于Windows CE的有載分接開關(guān)測(cè)試儀主要由7個(gè)部分構(gòu)成:①標(biāo)準(zhǔn)電壓源、電流源;②信號(hào)采集部分，它負(fù)責(zé)采集有載開關(guān)每相的電壓及電流信號(hào);③信號(hào)調(diào)理部分，它負(fù)責(zé)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)并放大;④高速A/D轉(zhuǎn)換電路;⑤以S3C2410為核心的控制電路，它負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)的控制運(yùn)算功能;⑥LCD與觸摸屏電路;⑦接口電路，它負(fù)責(zé)提供U盤接口與熱敏打印機(jī)接口電路。系統(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成原理框圖Fig.2 Principle of the system composition

系統(tǒng)工作流程如下:①控制電路根據(jù)不同的測(cè)量模式提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電源給待測(cè)品;②信號(hào)采集電路采集有載開關(guān)的電壓、電流信號(hào)并發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路;③信號(hào)調(diào)理電路將6路信號(hào)整形、放大并緩沖后送到A/D轉(zhuǎn)換器;④AD7658在CPU提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)控制下采樣這6路模擬信號(hào)，同時(shí)輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，并經(jīng)74FCT162245T驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)總線;⑤S3C2410從數(shù)據(jù)總線上取得這些數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算分析后自動(dòng)捕捉有載分接開關(guān)開始動(dòng)作的起始點(diǎn)，在LCD上開始顯示有載開關(guān)的變化曲線及測(cè)量數(shù)據(jù);⑥人機(jī)接口采用4線電阻觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)用戶的指令完成打印、存儲(chǔ)、調(diào)入、波形縮放及時(shí)間特性分析計(jì)算等功能。

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路由AD620、AD797及外圍元件組成。AD620增益由RG決定，當(dāng)REF引腳接地時(shí)，輸出引腳對(duì)地電壓Vout由式(1)計(jì)算，這樣就可以把差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端對(duì)地信號(hào)。

式中:Vout為單端輸出對(duì)地電壓;VIN+為同相輸入端電壓;VIN－為反相輸入端電壓;RG為增益電阻值;G為放大倍數(shù)。

有載分接開關(guān)的電壓信號(hào)幅度不需放大就能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的需要;而電流信號(hào)采用的是比對(duì)法測(cè)量，實(shí)際測(cè)量的是參比電阻兩端的電壓。考慮到測(cè)量精度，設(shè)計(jì)中選取參比電阻為0.5 Ω，按通過最大電流1 A計(jì)算，信號(hào)幅度僅為0.5 V，因此，對(duì)電流信號(hào)放大10 倍，由式(2)計(jì)算可得 RG=5.49 kΩ。

AD7658是SAR型高速A/D轉(zhuǎn)換器，其前端可以理解為一個(gè)開關(guān)和一組電容組成的陣列。此陣列中的電容彼此相連，它們一端與輸入信號(hào)節(jié)點(diǎn)相連，另一端與比較器的同相輸入端相連。當(dāng)高速A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，為減少出錯(cuò)幾率，需要在V1～V6前端增加緩沖，本文選取AD797實(shí)現(xiàn)。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AD7658采用ADI公司的工業(yè) CMOS工藝(iCMOSTM)制造，在單芯片內(nèi)集成了6個(gè)12位、快速、低功耗、逐次逼近型 ADC，可在4 μs內(nèi)完成一次采樣。電路采用AD7658實(shí)現(xiàn)三相6通道信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換，可以很好地滿足DL/T574-95對(duì)有載分接開關(guān)動(dòng)作順序測(cè)量的嚴(yán)格要求，并精確記錄有載開關(guān)的變化過程?？紤]到S3C2410數(shù)據(jù)總線的負(fù)載能力，在數(shù)據(jù)總線上設(shè)計(jì)了74FCT162245T，用來增強(qiáng)總線的驅(qū)動(dòng)能力，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.3 S3C2410及外圍電路設(shè)計(jì)

控制電路由S3C2410、64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash、JTAG、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器，采用了ARM920T內(nèi)核。它的低功耗和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合應(yīng)用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。S3C2410提供了一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備:16 kB的指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache、MMU、LCD控制器、支持NAND Flash的系統(tǒng)引導(dǎo)、系統(tǒng)管理器、3通道UART、4通道 DMA、4通道 PWM 定時(shí)器、I/O端口、RTC、8通道10位ADC和觸摸屏接口、I2C總線接口、IIS總線接口、USB主機(jī)接口、USB設(shè)備接口、SD卡接口、2個(gè)SPI總線接口以及內(nèi)部 PLL時(shí)鐘倍頻器［5］。這些豐富的外設(shè)減少了為系統(tǒng)配置額外器件的需要，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，適合本項(xiàng)目的需要。經(jīng)PLL倍頻后，S3C2410可在200 MHz穩(wěn)定運(yùn)行，滿足Windows CE的運(yùn)行需要。經(jīng)編譯后，Windows CE的系統(tǒng)文件容量在29 MB左右;64 MB Nand Flash的前32 MB用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序，后32 MB用來存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù);64 MB SDRAM用于程序運(yùn)行及變量保存。

3.4 LCD與觸摸屏電路設(shè)計(jì)

LCD采用 Sharp公司生產(chǎn)的 LQ080V3DG01，S3C2410內(nèi)置了LCD控制器，它與LCD接口電路如圖3所示。

圖3 S3C2410與LCD接口電路Fig.3 Interface circuit between LCD and S3C2410

觸摸屏采用4線電阻屏，由 nYPON、YMON、nXPON和XMON這4個(gè)控制信號(hào)控制MOS管FDC6321的通斷，并實(shí)現(xiàn)切換觸摸屏的X、Y軸輸入。X坐標(biāo)由AIN7輸入，Y坐標(biāo)由AIN5輸入，這2個(gè)信號(hào)都通過一個(gè)阻容式低通濾波器濾除坐標(biāo)信號(hào)噪聲后送給S3C2410。觸摸屏接口電路如圖4所示。

圖4 觸摸屏接口電路Fig.4 Interface circuit of touch panel

3.5 USB接口與RS-232接口電路設(shè)計(jì)

有載分接開關(guān)測(cè)試儀的USB接口為Host接口，用于導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)至U盤。S3C2410具有2路USB接口，1路固定為Host接口，另1路可配置為Host或Device接口。本設(shè)計(jì)使用了DN0、DP0引腳作為USB Host接口。在RS-232接口上連接了A6熱敏打印機(jī)，用于測(cè)試結(jié)果打印。該打印機(jī)可方便打印漢字和圖形，適合本儀器使用。

3.6 印刷電路板的設(shè)計(jì)

本方案采用核心板+底板的方案設(shè)計(jì)印刷電路板PCB(printed circuit board)。核心板部分包括CPU、系統(tǒng)存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘復(fù)位電路和CPU用電源電路。這些電路工作在較高的頻率，因此，采用6層板設(shè)計(jì)，SDRAM與CPU的連線采用等長(zhǎng)走線。經(jīng)驗(yàn)證表明，系統(tǒng)可在頻率為200 MHz時(shí)穩(wěn)定工作。其余電路安排在底板，由于AD7658片內(nèi)包含6個(gè)獨(dú)立的ADC，這部分電路對(duì)電源的要求較高，所以在每個(gè)AVCC端都設(shè)置了一個(gè)低ESR的多層陶瓷電容和一個(gè)10 μF的鉭電容。底板采用4層板設(shè)計(jì)，第二層設(shè)置為模擬地和數(shù)字地，可以起到有效的隔離作用。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)包括Bootloader、操作系統(tǒng)平臺(tái)的定制以及驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)，限于篇幅，在此簡(jiǎn)要介紹后三部分。

4.1 操作系統(tǒng)平臺(tái)的定制

Windows CE是一個(gè)支持多種CPU模塊化的通用嵌入式操作系統(tǒng)，它允許開發(fā)者根據(jù)自己的需求對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行剪裁、定制并重新構(gòu)建生成新的子操作系統(tǒng)。Platform Builder5.0是微軟公司提供給Windows CE開發(fā)人員進(jìn)行操作系統(tǒng)平臺(tái)定制的集成開發(fā)環(huán)境，它提供了設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、編譯、測(cè)試和調(diào)試Windows CE操作系統(tǒng)平臺(tái)的工具，開發(fā)人員可以通過交互式的環(huán)境來設(shè)計(jì)和定制內(nèi)核、選擇系統(tǒng)特性，然后進(jìn)行編譯和調(diào)試。同時(shí)，開發(fā)人員還可以利用Platform Builder來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序等的開發(fā)工作。

Samsung公司提供了S3C2410的BSP SMDK2410。針對(duì)本項(xiàng)目，操作系統(tǒng)定制過程如下:①導(dǎo)入SMDK2410，根據(jù) LQ080V3DG01的特性，在 s3c2410x_lcd.h中修改各個(gè)參數(shù);②新建一個(gè)項(xiàng)目，使用模版來創(chuàng)建一個(gè)新的板級(jí)支持包，在Catalog列表中選擇需要添加的項(xiàng)目，如HIVE注冊(cè)表、MFC特性和FAT文件系統(tǒng)等;③打開Build OS菜單，選擇Sysgen，開始編譯Windows CE 5.0操作系統(tǒng)映像;④導(dǎo)出應(yīng)用程序開發(fā)所使用的SDK安裝包。

4.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

Windows CE 5.0提供了2種驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)模型:本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和流接口驅(qū)動(dòng)程序。流接口驅(qū)動(dòng)程序區(qū)有定制的接口，是一般類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其驅(qū)動(dòng)程序文件一般表現(xiàn)為“* .dll”文件［6－7］。

AD7658的驅(qū)動(dòng)采用流接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，在AD7658Drive.C中編寫了11個(gè)函數(shù)。這些函數(shù)提供給Windows CE 5.0操作系統(tǒng)內(nèi)核使用。在這些函數(shù)的編寫中調(diào)用了Windows CE提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫CEDDK，可實(shí)現(xiàn)總線地址翻譯、虛擬地址映射和讀寫端口等操作。驅(qū)動(dòng)程序要想被操作系統(tǒng)加載，還需要完成以下工作:①編寫驅(qū)動(dòng)程序頭文件AD7658Drive.h;②編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫導(dǎo)出文件AD7658Drive.def;③編寫鏈接和編譯sources、makefile文件;④以上這些文件編寫完成后還需要在驅(qū)動(dòng)程序目錄中的dirs文件中加入AD7658的驅(qū)動(dòng)程序;⑤在platform.reg中加入AD7658的驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)表信息。這樣，在生成的Windows CE 5.0操作系統(tǒng)的映像中就自動(dòng)加入了AD7658的驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)Windows CE啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)加載該驅(qū)動(dòng)程序。

4.3 應(yīng)用程序開發(fā)

有載分接開關(guān)測(cè)試儀的應(yīng)用程序在eMbedded C++4.0下完成，應(yīng)用程序是利用WCE MFC AppWizard建立的基于對(duì)話框的程序。eVC類似于Visual C++6.0，它提供了豐富的功能，可以非常方便地完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)有載分接開關(guān)測(cè)試儀開始工作時(shí)，應(yīng)用程序創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的線程來處理A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，以有效快速地捕捉到有載分接開關(guān)每一個(gè)觸點(diǎn)的變化。該設(shè)計(jì)能有效提高數(shù)據(jù)處理的能力。

5 結(jié)束語

基于WindowsCE5.0的有載分接開關(guān)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)涉及計(jì)算機(jī)軟件工程、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、應(yīng)用程序開發(fā)、高速PCB設(shè)計(jì)以及高速A/D轉(zhuǎn)換器等眾多軟硬件知識(shí)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該儀器在數(shù)據(jù)分析處理能力、實(shí)現(xiàn)功能和人機(jī)接口方面較之前的儀器都有較大的提高，測(cè)量同期性誤差小于0.1 ms，過渡電阻誤差小于0.8 Ω。隨著微軟公司在嵌入式領(lǐng)域的新產(chǎn)品Windows CE 6.0推出以及儀器儀表智能化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，預(yù)期Windows CE在嵌入式儀器儀表領(lǐng)域內(nèi)將有更加廣泛的應(yīng)用。

［1］王偉，韓金華，王吉，等.有載分接開關(guān)切換波形的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及研究［J］.高壓電器，2005，41(6):438 －440.

［2］李瑞芳，荊長(zhǎng)勝.變壓器有載開關(guān)的檢測(cè)［J］.山西電力，2009，156(10):31－33.

［3］中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL/T574－95 有載分接開關(guān)運(yùn)行維修導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1996.

［4］高松巍.智能型變壓器有載分接開關(guān)參數(shù)綜合測(cè)試儀的研制［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，1999.

［5］于明，范書瑞，曾祥燁.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:90－92.

［6］何宗建.Windows CE嵌入式系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006:258－261.

［7］周立功.ARM＆WinCE實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐－基于S3C2410［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:296－299.