試論高壓電氣試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)改進(jìn)

朱珂弘

摘 要：高壓電器試驗(yàn)門類較多，試驗(yàn)設(shè)備較為復(fù)雜。選用用于測(cè)量冷備用設(shè)備狀態(tài)的頻率響應(yīng)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，通過(guò)基于全志A20的雙核ARM7架構(gòu)SCM的外圍硬件選型設(shè)計(jì)和內(nèi)部軟件算法，對(duì)這次技術(shù)改進(jìn)的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)此次技術(shù)改進(jìn)的設(shè)備，可以大幅度縮短測(cè)量時(shí)間，排除人工操作對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)高精度快速頻響曲線的測(cè)定。

關(guān)鍵詞：高壓電氣；試驗(yàn)；設(shè)備；技術(shù)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0027-02

高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)分為兩部分：一部分是安裝前的功能試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備的絕緣和其他性能是否適應(yīng)工程設(shè)計(jì)和安裝的要求；另一部分是檢修期間的狀態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)一定的激勵(lì)方法，得到設(shè)備的接地絕緣、相間絕緣和頻率響應(yīng)等參數(shù)。本文將重點(diǎn)討論基于SCM頻率響應(yīng)曲線的測(cè)定方法。

1 需求分析

高壓設(shè)備頻率響應(yīng)曲線的X軸為頻率單位，表示輸入的激勵(lì)信號(hào)的頻率；Y軸也是頻率單位，表示系統(tǒng)返回的響應(yīng)信號(hào)的頻率。一般情況下，我們使用頻率發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)置入固定量激勵(lì)頻率，然后記錄頻率計(jì)測(cè)量的系統(tǒng)響應(yīng)頻率。這個(gè)過(guò)程由于需要人工讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，所以往往為了獲得較精確的頻響曲線，需要多次測(cè)量和多次讀數(shù)，才可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助繪制。而采用諧振頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程較長(zhǎng)，且測(cè)量精度并不理想。

本文希望開發(fā)一個(gè)外掛系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)與頻率發(fā)生器控制端連接，控制頻率發(fā)生的狀態(tài)，同時(shí)采用數(shù)字化方法，使用兩級(jí)電壓比較算法得出相應(yīng)曲線的頻率。該方法測(cè)量較為迅速，往往可以在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)設(shè)備較為密集的頻響曲線的繪制。

2 硬件設(shè)計(jì)

首先，DG5102頻率發(fā)生器是以往常用的頻率發(fā)生器，該發(fā)生器可以發(fā)生任意波形、任意頻率的脈沖信號(hào)，而且支持外部控制線路輸入。本系統(tǒng)仍然采用該設(shè)備作為頻率發(fā)生設(shè)備。

其次，在頻率接收端不再使用全手動(dòng)測(cè)量的UT621諧振式頻率測(cè)試儀或功能較為過(guò)剩的AT5005頻譜分析儀，而是采用嵌入式設(shè)備迅速測(cè)定頻率響應(yīng)曲線。嵌入式設(shè)備主要包括信號(hào)捕捉電路部分和頻響信號(hào)計(jì)算部分。本文系統(tǒng)需要的不是固定頻率上的相應(yīng)頻譜，而是要獲得不同激勵(lì)頻率下的等效響應(yīng)頻率，而等效響應(yīng)頻率應(yīng)該在相同的測(cè)量方式和等效算法下得出，這樣才具有參考價(jià)值。

所以，我們?cè)O(shè)置了兩個(gè)獨(dú)立的電壓比較回路，回路使用電壓失調(diào)僅2 mV的LM339芯片，形成4個(gè)電壓比較等級(jí)，通過(guò)此比較方式形成一個(gè)4位數(shù)據(jù)，該4位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SN74HC573NSR鎖存后，供中央處理器調(diào)用分析。同時(shí)，當(dāng)高位電壓比較H1出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)，觸動(dòng)一個(gè)控制事件，以確保CPU有中斷時(shí)間讀取該信號(hào)。而為了數(shù)據(jù)測(cè)量精度需要，本系統(tǒng)采用運(yùn)行在800 MHz前端總線上的全志A20雙核ARM7核心板進(jìn)行測(cè)量，該核心板除安卓基本程序外，不安裝其他軟件，所有數(shù)據(jù)采用AQLite進(jìn)行管理。

內(nèi)置1 GBROM、512 MBRAM、4 GBTFCardDRIVER都是通用開發(fā)板實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)不再部署其他設(shè)備，3.4英寸的觸摸顯示屏及其控制器也使用通用開發(fā)板配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)采集算法（DG）

采用簡(jiǎn)化小波分析法，可以得到波峰和波谷的位置。因?yàn)椴蓸宇l率達(dá)到800 MHz，而實(shí)際頻響測(cè)定曲線測(cè)定范圍為10 kHz～35 MHz，所以，如果將前一次信號(hào)在寄存器中寄存，在新信號(hào)進(jìn)入后進(jìn)行比較，往往會(huì)出現(xiàn)三種變化狀態(tài)：①接收信號(hào)=寄存信號(hào)（變化狀態(tài)E）；②接收信號(hào)>寄存信號(hào)（變化信號(hào)U）；③接收信號(hào)<寄存信號(hào)（變化信號(hào)D）。

當(dāng)信號(hào)不為E時(shí)，使用標(biāo)志變量在通用寄存器中存入狀態(tài)變化信號(hào)的預(yù)存狀態(tài)來(lái)找到拐點(diǎn)。存在四種拐點(diǎn)狀態(tài)：①持續(xù)上升信號(hào)（拐點(diǎn)狀態(tài)LU）；②持續(xù)下降信號(hào)（拐點(diǎn)狀態(tài)LD）；③上升信號(hào)起點(diǎn)（拐點(diǎn)狀態(tài)GU）；④下降信號(hào)起點(diǎn)（拐點(diǎn)狀態(tài)GD）。

基于硬件的小波判定算法如下：①規(guī)劃EDX和寄存器作為三段使用，因?yàn)镋DX寄存器有32位的寬度，而本系統(tǒng)只需要一個(gè)4位的拐點(diǎn)狀態(tài)判定數(shù)據(jù)、一個(gè)4位的變化狀態(tài)狀態(tài)和一個(gè)8位的電壓信號(hào)寄存狀態(tài)。使用第一個(gè)字節(jié)（HEHDX）作為變化狀態(tài)寄存，第二個(gè)字節(jié)（HELDX）作為拐點(diǎn)狀態(tài)寄存，將8位數(shù)據(jù)作為整型數(shù)據(jù)直接寫入LEDX。②受到脈沖信號(hào)觸發(fā)，CPU讀取鎖存器信號(hào)后，將寄存器信號(hào)進(jìn)行分割，再得到3個(gè)變量值。③對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行一次判斷，對(duì)拐點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行一次判斷，刷新之前存儲(chǔ)的脈沖電平值。④讀出狀態(tài)信號(hào)變化時(shí)的時(shí)間戳，使用C語(yǔ)言中的ADO控件調(diào)用SQLite進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)分析算法（DD）

數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄集結(jié)構(gòu)為：時(shí)間戳作為索引變量，二進(jìn)制的拐點(diǎn)變量使用8位二進(jìn)制變量存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)中僅寫入拐點(diǎn)變量為上升信號(hào)起點(diǎn)（拐點(diǎn)狀態(tài)GU）和下降信號(hào)起點(diǎn)（拐點(diǎn)狀態(tài)GD）的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析算法如下：①構(gòu)建判斷數(shù)列[L（i）]。②對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中使用Step1每一個(gè)臨近的GU數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳相減，得到時(shí)間間隔。對(duì)時(shí)間間隔求方差，存入L（1）。③對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中使用Step2每一個(gè)臨近的GU數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳相減，得到時(shí)間間隔。對(duì)時(shí)間間隔求方差，存入L（2）。④依照②—③循環(huán)，假設(shè)共測(cè)量M個(gè)時(shí)間周期，那么可以建立M/3個(gè)循環(huán)，測(cè)試L（i），i∈[0，M/3]個(gè)方差數(shù)據(jù)。⑤使用冒泡算法得到L（i），i∈[0，M/3]中的最小值；使用點(diǎn)兵算法得到該數(shù)據(jù)在L（i），i∈[0，M/3]中的映射指針Q.⑥根據(jù)映射指針Q做一個(gè)數(shù)列，數(shù)列內(nèi)容為使用StepQ每一個(gè)臨近的GU數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳相減，得到時(shí)間間隔，記為Q（i），i∈[0，M/Q]。對(duì)Q（i），i∈[0，M/Q]求算數(shù)平均值A(chǔ)VR[Q（i）]，i∈[0，M/Q]，該平均值即為該頻率激勵(lì)模式下的返回結(jié)果。

在以上算法中，也可以針對(duì)GD的時(shí)間戳進(jìn)行同樣的運(yùn)算，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是一致的，誤差率在0.3‰以下。之所以需要花費(fèi)較多的CPU周期得到L（i），i∈[0，M/3]中的映射指針Q，是因?yàn)榇蟛糠诸l響曲線都不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，且曲線中帶有較多的雜波干擾，通過(guò)以上方式可以得到最穩(wěn)定的波形周期。

5 其他算法

DG算法和DD算法是本系統(tǒng)的核心算法，但本系統(tǒng)還應(yīng)該擁有其他的內(nèi)容：①在完成一個(gè)特定頻率的測(cè)量后，應(yīng)自動(dòng)向頻率發(fā)生器索取下一個(gè)跳頻點(diǎn)的頻率支持；②本系統(tǒng)的4 GBTFCardDRIVER管理的使用開發(fā)板自帶的控件進(jìn)行管理，管理主動(dòng)權(quán)主要來(lái)自于SQLite對(duì)4 GBTFCardDRIVER的控制權(quán)；③本系統(tǒng)的顯示較為簡(jiǎn)單，僅涉及一個(gè)進(jìn)度條和一個(gè)軟件類型指示，便可完成整個(gè)測(cè)量階段的顯示。而結(jié)果采用位圖方式直接在屏幕上顯示，且在4 GBTFCardDRIVER的控件支持下在TF卡中存儲(chǔ)。參數(shù)設(shè)置采用兩種方式，快速設(shè)置方式在啟動(dòng)菜單中體現(xiàn)，而用戶設(shè)置可通過(guò)腳本文件的方式實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)可以加快高壓設(shè)備電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線試驗(yàn)的進(jìn)程，使大部分設(shè)備的高密度、高精度頻率響應(yīng)曲線的測(cè)量放棄了手工測(cè)量的方式，直接使用高密集、高精度的系統(tǒng)對(duì)頻響曲線進(jìn)行測(cè)繪。通過(guò)本系統(tǒng)，基本可以在15～20 s內(nèi)完成超過(guò)50個(gè)測(cè)量點(diǎn)的高精度高壓電力設(shè)備頻率響應(yīng)曲線的測(cè)繪。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：李玨〕

Abstract： The high-voltage electrical test categories are more complicated test equipment. Selection of cold standby equipment used to measure the frequency response of the state of measuring equipment for technical improvements， selection of peripheral hardware-based design and internal software algorithms Gazetteer A20 dual core ARM7 architecture of SCM， on the details of the technical improvements were analyzed. After the technical improvement of equipment， can greatly shorten the measurement time， excluding the impact of manual operation on the measurement results， to achieve high accuracy and fast response measurement curve.

Key words： high voltage electrical； test； equipment； technical improvements