高壓互感器銘牌觀測器的設計與應用

趙旭彤 殷昕羽

（1. 國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，濟南 250012；2. 山東農(nóng)業(yè)大學，山東 泰安 271000）

互感器銘牌是互感器的信息標識牌，記錄互感器的額定電壓、額定電流、變比、檢定日期等各項互感器運行基本信息[1]。通常固定在互感器的表面，在互感器正面或者一側[2]。按照10kV計量柜（箱）的設計要求，需要將電能表、采集采集終端、計量用電壓互感器和電流互感器封閉在計量柜（箱）中，10kV計量柜（箱）的空間較小。

實際計量工作中，有兩種情況需要對于互感器銘牌進行觀測：

1）在送電之前互感器銘牌信息要作詳細記錄，用于用電量計量。

2）在運行過程中，需要定期觀測互感器銘牌信息進行核對，了解當前運行互感器情況。

10kV計量柜或計量箱中電壓互感器、電流互感器排布情況如下所述。

1）高供高計計量柜

高供高計計量柜中，三相母排并排排列，A、C相電流互感器串接在 A、C相母排上，并排排列，相互距離為5cm，母排電壓為10kV，電流互感器銘牌設置在互感器側面，朝向柜體后側?；ジ衅魍度脒\行后，由于互感器間距較近無法在遠處直接觀測，近距離觀測銘牌則必須停電，并將身體探入計量柜才能看清[3]。

電壓互感器安裝在柜體底部，A、C兩相并排排列，相互距離 5cm；銘牌在互感器側面，朝向柜體后側，互感器上方為并排排列母排，母排電壓為10kV，投入運行后觀測互感器銘牌同樣必須停電，并將身體探入計量柜中才能看清。

2）高供低計計量柜

高供低計計量柜中，電能表、采集終端安裝在下方，上方為交錯排列的三相母排，母排電壓220V；三相電流互感器套接在三相母排上，交錯排列，相互距離為 5cm，近距離觀測有觸電危險；互感器銘牌設置在互感器側面，朝向計量柜左側；計量柜上側空間小，A相電流互感器靠近柜體左后部，投入運行后觀測互感器銘牌通常要求不停電，不貼近互感器無難以看清銘牌內(nèi)容，觀測十分困難和危險。

3）高供低計計量箱

高供低計計量箱中，電能表、采集終端安裝在上方，下方為并排排列的三相母排，母排電壓220V；三相電流互感器套接在三相母排上，并排排列，相互距離為 5cm，近距離觀測有觸電危險；電流互感器銘牌設置在互感器側面，朝向柜體左側；互感器間距離較近難以直接觀測，投入運行后檢查觀測互感器銘牌不停電，觀測十分困難和危險。

通過上述結論可知：無論對于高供高計計量柜還是高供低計計量柜（箱），柜體空間均較小，母排與互感器安裝緊密，電壓與電流互感器距離母排較近，且銘牌設置在互感器側面，朝向柜體后側，無法在遠處進行觀測，銘牌觀測需停電并將身體探入計量柜（箱）進行，靠近周圍其他帶點柜體，觀察困難并且非常危險，增加了被迫停電進行觀測時增加了停電次數(shù)，降低了供電服務質(zhì)量，容易引發(fā)電力用戶投訴。

綜上所述，需要研制一種絕緣安全的高壓互感器銘牌輔助觀測工具，確保對互感器銘牌信息的不停電安全、準確的觀測，并對觀測信息進行準確記錄。

1 高壓互感器銘牌觀測器的原理及硬件設計

圖1給出了高壓互感器銘牌觀測器的示意圖，主要由拍攝單元、圖像處理單元、圖像顯示單元、電池單元和絕緣單元等構成。具體工作原理為，前端拍攝單元獲取互感器銘牌信息，由圖像處理單元將獲取的圖像信息傳送到手持端的圖像顯示單元進行顯示，完成互感器銘牌信息的觀測與記錄。

圖1 高壓互感器銘牌觀測器示意圖

1.1 拍攝單元

拍攝單元采用 CMOS（MT9M001C12STM[4]）攝像頭，其性能優(yōu)異，具有很多有優(yōu)點，不僅能完全滿足數(shù)字圖像處理的需要，還能夠很好地滿足互感器銘牌觀測的要求。

其擁有的優(yōu)點有：

1）在數(shù)字圖像處理技術中，處理的圖像均要以灰度圖像的形式進入處理程序，而MT9M001C12STM傳回的灰度圖像不需進入嵌入式系統(tǒng)進行色空間到灰度空間轉(zhuǎn)換，而是將傳回的圖像直接進行數(shù)字圖像處理。

2）MT9M001C12STM為用戶提供了VGA，CIF，QCIF等多種輸出格式，以滿足用戶不同需求的選擇。

3）集成了可編程灰度矯正，白平和增益控制。

4）配置了兩線串行接口總線，可以方便的控制MT9M001C12STM的工作模式。

1.2 圖像處理單元

DSP圖像處理器控制電路的設計如圖2所示，設計控制電路以兩片 DSP處理器芯片為核心處理器，使用FPGA作為協(xié)調(diào)處理器[5]，PCI總線傳輸數(shù)據(jù)的方式，實現(xiàn)高速圖像處理功能。FPGA連接兩片C6416的64bit/133MHz的EMIFA總線，或通過McBSP口連接。在FPGA的存儲擴展結構上，可連接兩組片外存儲器2MB的快速SBSRAM和32MB的DDR SDRAM，這種雙存儲機制能夠在增強運算的協(xié)調(diào)處理能力及靈活性方面得到一定程度的優(yōu)化。

對設計電路圖像處理效果進行測試，使用 TI公司的CCS集成的C/C++開發(fā)環(huán)境，仿真測試通過后經(jīng)PCI總線寫入相應存儲器。采用M為2的整數(shù)次冪FFT算法，利用設計基于C6416DSP處理器控制電路處理二維FFT和一維FFT，對計算速度進行測試，滿足實際應用的要求。

1.3 圖像顯示單元

UFB液晶屏（Ultra Fine & Bright超精高亮液晶屏）[6]，其采用了特別的光柵設計，可以減小像素的間距，以獲得更佳的圖像質(zhì)量。通常 UFB-LCD可顯示 65536種色彩，對比度是 STN的 2倍，在65536色時亮度與TFT不相上下，耗電量卻比TFT低，能夠達到128×160像素的分辨率。

圖2 DSP圖像處理器控制電路設計

1.4 電池單元

電池單元選用4節(jié)1.5V干電池串聯(lián)組裝為拍攝單元和圖像處理單元提供電源?？紤]到干電池組大量消耗后，可能導致電池組電壓較大的降低，為保障名牌觀測器圖像處理單元供電電壓的穩(wěn)定，分別對充滿電和電量大量消耗兩種情況進行電池組電壓測試，重復試驗50次。新購買干電池組，電壓平均6.02V，50組試驗中未出現(xiàn)電壓波動范圍大于0.2V的情況，電壓波動均在0.2V范圍中，符合6V干電池組電源設計要求。

1.5 絕緣單元

為保障設備靠近高壓母排時的絕緣性能，確保觀測與拍攝的安全性，根據(jù)《配電安規(guī)》中“配電設備不停電時的安全距離”的規(guī)定，10kV及以下設備不停電安全距離為1m[7]。因此，高壓銘牌觀測器的操縱桿使用 1m長絕緣桿。同時，為保證觀測器的整體絕緣性能和工作人員使用中的安全，攝像頭采用絕緣罩進行包裹，手持端的顯示儀器外觀均采用非金屬絕緣材料，且按鈕突出，便于佩戴絕緣手套進行操作。

2 互感器銘牌觀測器測試

2.1 絕緣性能測試

絕緣性能是互感器銘牌觀測器的重要指標，關系到工作人員在設備使用中的人身、設備和電網(wǎng)安全。將制作完成的互感器銘牌觀測器送至檢定機構進行1min工頻10kV交流耐壓試驗，驗證設備是否符合 10kV耐壓標準。經(jīng)試驗測試，該設備可耐受10kV電壓沖擊且無擊穿，符合高壓銘牌觀測器絕緣系統(tǒng)設計要求[8]。互感器銘牌觀測器按照安全工具器的管理要求，應每年進行一次耐壓試驗。

2.2 顯示性能測試

通過使用屏幕測試軟件DisplayX，將三星UFBLCD顯示屏經(jīng)串行接口連接電腦，設置顯示屏測試項目，對采購顯示屏的對比度、灰度、會聚能力、色彩等主要顯示性能進行測試，測試結果見表 1。通過表1的測試結果可知，UFB-LCD顯示屏顯示效果各個方面符合高壓互感器銘牌觀測器的設計要求。由電腦輸出文字圖片到顯示屏幕，調(diào)節(jié)顯示屏幕亮度后進行拍照測試，觀測拍照后照片效果與文字的分辨情況可知：當屏幕顯示亮度設置為高亮度時，拍照效果較好，可以從照片上清晰分辨文字內(nèi)容，屏幕亮度可以滿足量化目標要求。

表1 UFB-LCD測試結果

2.3 攝像性能測試

小組成員到電子城采購CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭，并將攝像頭連接電腦，利用攝像頭測試軟件iSensor軟件進行攝像頭調(diào)焦效果測試。測試流程如圖3所示。

圖3 CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭測試流程圖

通過iSensor軟件進行文字的變焦距觀測、近距離觀測、拍攝性能的測試，測試結果見表2。

表2 CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭測試結果

通過表2測試結果可知：CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭調(diào)焦拍攝效果滿足設定目標值要求，攝像頭符合要求。

3 應用實例及分析

針對課題提出的功能目標，使用高壓互感器銘牌觀測器分別進行高供高計計量柜、高供低計計量柜、高供低計計量箱的互感器銘牌觀測與拍攝[9]，現(xiàn)場使用及觀測效果圖如圖4所示。

圖4 高壓互感器銘牌觀測器現(xiàn)場應用

該設備經(jīng)送至濟南市計量檢定測試院進行測試，10kV工頻耐壓試驗合格，互感器銘牌內(nèi)容觀測準確清晰，拍攝銘牌圖片清晰，可準確分辨銘牌文字符號[10]，符合相關標準要求。通過測試可知，高壓互感器銘牌觀測器能夠達到互感器銘牌觀測要求的以下量化目標：

1）高壓互感器銘牌觀測器的操作部位（人體接觸部位）距離計量柜帶電部分距離＞0.7m的《配電安規(guī)》規(guī)定的安全距離，絕緣安全達標。

2）高壓互感器銘牌觀測器的顯示屏幕分辨率＞200dpi，可清晰顯示互感器銘牌較小文字數(shù)字。

3）高壓互感器銘牌觀測器滿足互感器銘牌5cm內(nèi)近距離拍攝要求，且顯示結果可拍照留存。

4 結論

本文研究了一種基于數(shù)字攝像模塊組合的高壓互感器銘牌觀測器，并開發(fā)了相應的觀測器樣品，能夠安全的實現(xiàn)對運行中 10kV互感器銘牌的準確觀測。通過在實際工作中使用高壓互感器銘牌觀測器，消除了帶電觀測互感器銘牌的安全隱患，確保了工作人員的人身安全。同時，觀測器的廣泛使用降低不必要停電次數(shù)，大大縮短了工作時間，提高了人員工作效率，減少用戶因為停電造成的經(jīng)濟損失。

[1] 劉振亞. 特高壓直流輸電理論[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[2] 李秀廣, 邱志, 郭飛, 等. 一起110kV電流互感器介損異常分析[J]. 電氣技術, 2017, 18(1): 95-98.

[3] 馮利民, 王曉波, 吳聯(lián)梓, 等. 500kV GIS變電站VFTO對于電子式互感器的電磁騷擾研究[J]. 電工技術學報, 31(1): 85-90.

[4] 張婷曼, 王慶. 基于云計算平臺嵌入式傳感器圖像處理系統(tǒng)設計[J]. 計算機測量與控制: 算法, 設計與應用, 2014, 22(7): 2216-2218.

[5] 張寶泉. 基于DSP+FPGA的多軸運動控制器的研究[D]. 西安: 西安科技大學, 2005.

[6] 張偉. 數(shù)碼后背存儲與顯示系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學, 2007.

[7] 郝瑞祥, 楊曉峰, 薛堯, 等. 一種具有直流故障限流能力的模塊化多電平換流器[J]. 電工技術學報,2017, 32(6): 172-180.

[8] 馬自偉, 謝靜. 變電站常用電流互感器簡述[J]. 電氣技術, 2017, 18(1): 133-136.

[9] 楊珊, 林魁, 林毅. 110kV電流互感器頂蓋開裂現(xiàn)象原因分析及預控措施[J]. 電氣技術, 2016, 17(2):141-142.

[10] 鄭伊伶, 鄭松, 江丹玲, 等. 面向控制平臺的異常監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 電氣技術, 2016, 17(3):18-22.