基于單片機(jī)和ARM的變電站互感器極性智能檢測(cè)系統(tǒng)分析

張強(qiáng)，歐傳剛

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

基于單片機(jī)和ARM的變電站互感器極性智能檢測(cè)系統(tǒng)分析

張強(qiáng)，歐傳剛

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

研制了一種針對(duì)全站互感器極性檢測(cè)的系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)變電站特點(diǎn)，在主變前和主變后分別放置激勵(lì)源，在配電室和繼電室進(jìn)行二次側(cè)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)將一次側(cè)信號(hào)與二次側(cè)信號(hào)比較得出互感器極性情況。介紹了檢測(cè)方法的基本原理和一二次側(cè)硬件、軟件組成，試驗(yàn)結(jié)果表明，可以智能檢測(cè)出互感器極性的正確性，提高工作效率。

電力互感器;極性檢測(cè);無(wú)線傳輸;時(shí)間同步;自適應(yīng)頻率跟蹤

0 引 言

在傳統(tǒng)變電站中，電流、電壓互感器占有重要作用，作為測(cè)控、計(jì)量設(shè)備的信號(hào)源，電壓、電流互感器二次側(cè)向測(cè)控、計(jì)量設(shè)備提供電流和電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以，電流、電壓互感器二次側(cè)接線的正確與否尤為重要，關(guān)系到電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

現(xiàn)有的電力互感器的檢測(cè)工作主要包括三個(gè)階段[1]，第一階段主要是生產(chǎn)廠家進(jìn)行出廠驗(yàn)證，第二階段集成廠家對(duì)電力系統(tǒng)二次側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)、互通一致性進(jìn)行檢測(cè)，第三階段國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)新建變電站進(jìn)行綜合檢測(cè)。第三階段中電網(wǎng)公司進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要采用[2]：①、直流法，②、交流法。使用較為廣泛的是直流法，即使用在互感器一次側(cè)使用干電池，進(jìn)行導(dǎo)通，在互感器二次側(cè)采用指針式萬(wàn)用表，觀察干電池接上的瞬間萬(wàn)用表的指針偏轉(zhuǎn)情況來(lái)判斷。該方法在實(shí)施過(guò)程中非常的繁瑣，一旦溝通出現(xiàn)問(wèn)題檢測(cè)就會(huì)失敗，同時(shí)，在變電站中電力互感器，種類(lèi)很多，采用該方法工作效率很低，也可能會(huì)出現(xiàn)漏檢的情況。

在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)變電站內(nèi)互感器極性智能檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括電源激勵(lì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

1 檢測(cè)方法基本思想

針對(duì)目前傳統(tǒng)變電站內(nèi)互感器類(lèi)型多、種類(lèi)雜、數(shù)量多的特點(diǎn)，本檢測(cè)方法以變電站內(nèi)間隔為單位，將每個(gè)間隔內(nèi)所有互感器類(lèi)型和型號(hào)編寫(xiě)出來(lái)，將方案導(dǎo)入到測(cè)試終端進(jìn)行測(cè)試，做到不漏檢、不重復(fù)檢測(cè)的目的。測(cè)試方法完成激勵(lì)信號(hào)發(fā)生、一二次信號(hào)對(duì)比、檢測(cè)結(jié)果顯示、整改方案等功能。

因?yàn)樽冸娬緝?nèi)主變?cè)谧儔汉蛡鬟f功率的過(guò)程中，其自身會(huì)產(chǎn)生有功損耗和無(wú)功損耗，考慮到測(cè)試裝置大小以及重量，本裝置提供2 kW的測(cè)試功率，因此本裝置的功率在通過(guò)主變之后功率基本上被主變消耗，這樣會(huì)造成無(wú)法對(duì)主變之后的互感器進(jìn)行檢測(cè)，鑒于以上考慮，本檢測(cè)方法通過(guò)改變激勵(lì)電源位置避開(kāi)主變，依次將激勵(lì)電源放在主變之前對(duì)主變之前互感器進(jìn)行檢測(cè)，接著將激勵(lì)電源放在主變之后對(duì)主變之后互感器進(jìn)行檢測(cè)。

2 測(cè)試系統(tǒng)研究

根據(jù)基本思想的分析可以形成整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)主要包括一次側(cè)激勵(lì)電源系統(tǒng)和二次數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，圖1所示是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)數(shù)據(jù)的幅值，相位進(jìn)行比較得出互感器的極性情況，以下對(duì)電壓、電流互感器的判斷依據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 測(cè)試原理圖

電壓互感器以三相五柱式電壓互感器完全星形接線為例，接線圖如圖2所示。

圖2 三相五柱式電壓互感器接線圖

該接線方式正常情況下開(kāi)口三角形上電壓為0，當(dāng)開(kāi)口三角形出現(xiàn)極性問(wèn)題時(shí)，電壓不為0，但是哪相極性錯(cuò)誤不能知道，因此對(duì)于該接線方式需要進(jìn)行兩次測(cè)量，第一次對(duì)完全星型部分進(jìn)行檢測(cè)，在互感器一次側(cè)通入三相對(duì)稱(chēng)電壓，極性問(wèn)題以a相極性錯(cuò)誤，a、b相序錯(cuò)誤，a、b極性錯(cuò)誤，判據(jù)如表1所示。

表1 星型接線典型極性錯(cuò)誤判據(jù)

根據(jù)上表的判斷依據(jù)，可以直接分析出互感器二次側(cè)極性情況。

電流互感器以Yd11為例，接線圖如圖3所示。

圖3 三角形接法Yd11電流互感器

在電流互感器一次側(cè)通入三相對(duì)稱(chēng)電流，以a相極性錯(cuò)誤，a、b相極性錯(cuò)誤，a、b相序錯(cuò)誤為例，具體判斷依據(jù)如表3所示。

表2 開(kāi)口三角形錯(cuò)誤極性判據(jù)

表3 三角形Yd11電流互感器典型極性錯(cuò)誤判據(jù)

測(cè)試過(guò)程中首先將激勵(lì)電源安裝在進(jìn)線出對(duì)主變前互感器進(jìn)行檢測(cè)，接著將電源移至主變低壓側(cè)對(duì)主變之后互感器進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程，檢修人員只需要根據(jù)手持終端提示進(jìn)行操作即可，最終的測(cè)試結(jié)果顯示在顯示屏上并且保存到SD中以便復(fù)查。

3 激勵(lì)電源系統(tǒng)研究

單個(gè)激勵(lì)電源基于TMS320F2808[3]的DSP芯片設(shè)計(jì)，主要包括繼電器模塊、升壓升流模塊、數(shù)據(jù)采集以及無(wú)線模塊等組成，具體原理圖如圖4所示。

圖4 激勵(lì)電源原理圖

激勵(lì)電源輸入為220 V的工頻電源，測(cè)試過(guò)程中無(wú)線模塊接收來(lái)自一次側(cè)測(cè)試指令，當(dāng)進(jìn)行電壓互感器測(cè)試時(shí)，DSP驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通升壓器，將電壓通過(guò)升壓器進(jìn)行升高，具體升高的數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值，當(dāng)進(jìn)行電流互感器極性檢測(cè)時(shí)，通過(guò)繼電器導(dǎo)通升流器將電流升高到設(shè)定數(shù)值，其中升流器采用降壓變壓器原理實(shí)現(xiàn)電流升高。同時(shí)通過(guò)A/D采樣將產(chǎn)生的激勵(lì)電源信號(hào)進(jìn)行采集通過(guò)無(wú)線模塊將信號(hào)發(fā)送到二次終端上與二次側(cè)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，得出極性正確情況，因?yàn)樽冸娬拘盘?hào)干擾較大，為了去除現(xiàn)場(chǎng)干擾，電源模塊中采用了OPA2277的A/D采樣芯片，該芯片中內(nèi)置了模擬抗混疊濾波器(二階巴特沃茲濾波器)，可以對(duì)信號(hào)有很好的濾波效果，在實(shí)際使用中需要三相輸入，因此需要將上述激勵(lì)電源通過(guò)Y型連接在一起給系統(tǒng)輸入，激勵(lì)電源實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 激勵(lì)電源實(shí)物圖

從圖5可以看出，激勵(lì)電源包括兩層，上層是基于DSP的控制模塊，下層是升壓升流器，主要的重量集中在升壓升流器上。

4 二次手持終端研究

二次手持設(shè)備主要基于STM32F103[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，用來(lái)采集互感器二次側(cè)信號(hào)，將采集信號(hào)送入STM32F103芯片中進(jìn)行處理，最終在顯示屏上顯示檢測(cè)結(jié)果，主要由SD存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸、同步數(shù)據(jù)采集、測(cè)試方案導(dǎo)入功能等組成，原理圖如圖6所示。

圖6 二次側(cè)手持終端原理圖

本檢測(cè)方法通過(guò)比對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)信號(hào)幅值和相位得出極性的情況，因此必須保證采集的一、二次側(cè)信號(hào)的同步，這樣才能通過(guò)相位比較得出極性，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)中的不同步主要因?yàn)閇5-6](1)、各自計(jì)時(shí)器的晶振存在頻率差異和不穩(wěn)定；(2)、WSN報(bào)文傳輸過(guò)程中的延遲，針對(duì)不同步情況本方法采用DMTS算法進(jìn)行控制，計(jì)算出一次側(cè)信號(hào)發(fā)送時(shí)間T1和接收時(shí)間T2之間的時(shí)間差t，將接收到的信號(hào)時(shí)間減去時(shí)間差即T2-t，可以將一次側(cè)的信號(hào)采集時(shí)間和二次側(cè)信號(hào)采集時(shí)間達(dá)到同步。

鑒于變電站內(nèi)互感器種類(lèi)多、數(shù)量大等特點(diǎn)，本方法以間隔為單位列舉出了所有互感器型號(hào)、接線方式、測(cè)量方法、電壓等級(jí)、注意事項(xiàng)，將上述內(nèi)容制成excel表保存到SD中。

測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)導(dǎo)入到手持中終端上，檢修人員在檢修過(guò)程中只需要根據(jù)終端設(shè)備屏幕顯示進(jìn)行相關(guān)操作即可完成整個(gè)測(cè)量，不會(huì)出現(xiàn)漏檢和重復(fù)檢修的情況。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本檢測(cè)系統(tǒng)的正確性，對(duì)(600/5)A和UN/57.7的互感器進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將三臺(tái)電流互感器以及三臺(tái)電壓互感器按照現(xiàn)場(chǎng)互感器類(lèi)型進(jìn)行接線，模擬現(xiàn)場(chǎng)接線錯(cuò)誤情況，使用本設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將激勵(lì)源放在互感器一次側(cè)，檢修人員在二次側(cè)用手持終端根據(jù)屏幕顯示進(jìn)行檢修，每組互感器檢修完畢后，檢測(cè)結(jié)果顯示在屏幕上，提示檢修人員該組互感器是否存在問(wèn)題，以及該互感器的基本信息，以三相星型電流互感器a相極性錯(cuò)為例二次側(cè)手持終端顯示情況如圖8所示。

圖8 結(jié)果顯示圖

在圖8中可以很直觀的看出來(lái)被檢測(cè)的互感器基本信息以及最終的檢測(cè)結(jié)果，最終顯示出“電流互感器三相星型測(cè)試完成，A相極性錯(cuò)誤”，可以方便檢修人員進(jìn)行修改。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本測(cè)試系統(tǒng)具有很多優(yōu)越性，在結(jié)構(gòu)上采用激勵(lì)電源和二次側(cè)終端分離，使用中不受位置限制，使用測(cè)試方案導(dǎo)入技術(shù)，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，本系統(tǒng)提高測(cè)試效率、減少人員參與，不會(huì)出現(xiàn)漏檢和重復(fù)檢測(cè)的情況，檢測(cè)結(jié)果直接顯示在屏幕上，正確性很高。但是本檢測(cè)系統(tǒng)也存在不足之處，主要是在檢測(cè)電流互感器時(shí)，需要人為接線形成回路，這也是本系統(tǒng)在今后需要進(jìn)行進(jìn)一步研究達(dá)到不需要人為干預(yù)即可完成電流互感器回路形成，進(jìn)行測(cè)試。

[1] 井實(shí).智能變電站二次系統(tǒng)測(cè)試方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2013.

[2] 葉啟明．判斷電壓電流互感器極性的新方法[J].大眾用電,2005,21(8):30-31．

[3] 張衛(wèi)寧.TMS320C28系列DSP的CPU與外設(shè)(下)[M].北京:清華大學(xué)出社,2005.

[4] 孫書(shū)鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010,31(10)：59-63.

[5] 徐煥良，劉佼佼，王浩云，等.WSN/WSAN中的時(shí)間同步算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48(31)：56-60.

[6] 鄭顧平，馬粵.基于高斯模型的DMTS時(shí)間同步算法研究[J].科協(xié)論壇，2013,28(9)：125-127.

[7] 尹繼亮.積分方程快速傅里葉變換方法的研究及應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù),2010.

Analysis of MCU & ARM-based Intelligent Detection System for Substation Transformer Polarity

Zhang Qiang， Ou Chuangang

(NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

A system for whole substation transformer polarity detection is developed. Aiming at existing conventional substation characteristics, the system provides the excitation sources in front side and back side of the main transformer for dual-side data acquisition in the distribution chamber and relay chamber and then, compare the primary side signal with the secondary side signal to educe the transformer polarity. This paper presents an introduction on basic principle of the detection method and the composition of primary-side and secondary-side hardware and software. Experimental validation proves that the system can intelligently detect the correct polarity in the transformer and improve the work efficiency.

power transformer; arity detection; wireless transmission; time synchronization; adaptive frequency tracking

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.033

TM74

A

1000-3886(2016)05-0105-04

張強(qiáng)(1978-)，男，河南信陽(yáng)人，博士，研究方向?yàn)樾履茉磁c電能質(zhì)量治理。

歐傳剛(1990-)，男，江蘇南京人，碩士，研究方法為電力電子。

定稿日期: 2016-04-06