一种变电站交流电流电压二次回路智能检验系统

摘要

一种变电站交流电流电压二次回路智能检验系统，本发明硬件部分中DSP芯片与一次回路AD7865连接，一次回路AD芯片又分别与一次回路钳形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；ARM嵌入式控制器还通过GPRS通信模块与二次回路AD芯片连接，二次回路AD芯片又分别与二次回路钳形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；调压控制模块还与DC/DC电源模块连接；DC/DC电源模块又与AC/DC开关电源模块连接；软件部分包括调压控制PID运算、GPRS通信处理部分以及DSP同步采样算法部分，所述三部分软件均采用ARM+DSP软件设计单元完成。本发明是一种全数字化、多功能、高精度、智能化的多参数回路测量装置，是变电站、电厂等工程中必须用到的设备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变电站交流电流电压二次回路试验的重要设备，特别用于检验变电站电流、电压二次 回路接线的正确性，规范统一变电站交流电流电压回路的检验方法，属于输（配）电站工程设备技术领域。

背景技术

由于变电站交流二次回路常出现各种潜在故障隐患,造成继电保护等装置误动或者拒动引起的事故仍 然不断发生。根据GB 50171 T-1992《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》、Q/CSG 10008-2004《继电保护及安全自动装置检验条例》等相关规程、规定要求，“二次回路接线按图施工，接 线正确”，特别是“新投入或经更改的电流、电压回路，应直接利用工作电压检查电压二次回路，利用负 荷电流检查电流二次回路接线的正确性。”等条款对交流回路安装接线、试验都要求其正确性和可靠性。

目前，缺乏有关交流电流电压二次回路现场调试工作的标准，现场试验工作也不规范。国内外均无功 能齐全的交流电流电压二次回路检验仪器系统。现场主要利用干电池配合指针式万用表、电缆对线器、钳 形相位表、继电保护测试仪、互感器校验仪和大电流发生器等设备完成回路单个设备的检验，缺乏完整性 和系统性。

由于现场试验没有专用的试验系统，自动智能化水平不高，每次现场试验都要装卸一二次试验设备， 给人力资源带来极大的浪费，不同人员、不同方法下互感器二次回路和二次设备的正确配合问题突出，没 有建立科学、客观、智能的检验系统。变电站工程中存在安全隐患及试验质量不高的问题，也急需研究开 发一套科学客观的交流电流电压二次回路检验系统统一规范现场试验。

变电站交流电流电压二次回路智能检验系统是根据电力行业继电保护相关的检验规程及标准，专门针 对于交流电流电压回路检验的的智能化系统。检测装置可在基本上不改变回路接线、无须反复装卸试验设 备以及针对测试场所分布比较分散的其他情况下,在线测出一次侧和二次侧的电压电流以及相位值并给出 结果。进而判断回路的断路、短路、接触不良、CT极性接反、CT变化或者PT等回路故障,是电力部门得 力的一套变电站自动智能检验系统。

发明内容

本发明的目的在于代替传统的电流电压二次回路校验仪，研制出一种智能化程度高、实用可靠、高精 度、便携式的变电站交流电流电压二次回路智能检验系统，进一步加强电力部门电流电压二次回路的管理 形成统一的作业标准，以及提高电网的安全稳定运行。

本发明是通过如下技术方案来实现的。

一种变电站交流电流电压二次回路智能检验系统，本发明特征是，包括硬件部分和软件部分；硬件部 分以ARM嵌入式控制器为核心分别连接DSP芯片、TFTLCD显示模块、4X4矩阵键盘、数字时钟日历芯片、 PC接口、调压控制模块；其中，DSP芯片与一次回路AD7865连接，一次回路AD芯片又分别与一次回路钳 形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；ARM嵌入式控制器还通过GPRS通信模块与二次回路AD芯片 连接，二次回路AD芯片又分别与二次回路钳形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；调压控制模块 还与DC/DC电源模块连接；DC/DC电源模块又与AC/DC开关电源模块连接；

软件部分包括调压控制PID运算、GPRS通信处理部分以及DSP同步采样算法部分，所述三部分软件均 采用ARM+DSP软件设计单元完成。

本发明DSP软件设计单元经过光耦隔离后，连接电机驱动电路与AD转换电路，从而达到调压器的输 出电压的控制以及AD芯片的启动和转换的目的。

本发明的采样数据的运算处理设置在DSP软件设计单元内；算法采用FFT算法以及硬件同步采样法。

ARM嵌入式控制器与GPRS通信模块进行连接匹配，其中GPRS选用GTM900C无线模块。

本发明AD芯片采用高速芯片AD7865。

本发明的有益效果是，采用“高精度A/D+ARM+DSP+GPRS”的方案，这种方案的优点，在于把二次侧 的测量中的数据的传输通过GPRS来传输到测试终端，满足了室外操作环境，同时调压器具有可编程的电 压输出，调压控制具有自动和手动控制两种方式，充分考虑的适应了现场监测的要求。

下面结合附图及实施例进一步阐述本发明内容。

附图说明

附图1：本发明总体结构示意图；

附图2：系统硬件原理框图；

附图3：外围电路示意图；

附图4：软件工作流程图；

附图5：检定变电站电流电压二次回路接线图；

附图6：系统测试仪接线图。

具体实施方式

本发明属一种电力用电流电压回路自动测试系统，该方法为：

1）通过自动测试系统软件计算一次短路电流、电压值，然后对应操作好变电站一次设备状态，连接好自 动测试系统，手动或自动加入电流、电压，再对潮流经过的所有互感器二次回路，用智能钳型相位表在线 测出幅值及相位值，并将测试数据通过GPRS传回测试终端,与计算值比较是否相等，进而判断出互感器二 次回路和保护极性的正确与否及故障原因。

2）针对测试场所分布比较分散等情况下,使用GPRS系统在线测出一次侧和二次侧的电压电流以及相位值 并给出测试结果,进而判断回路的断路、短路、接触不良、CT极性接反、CT变化或者PT等回路故障；

3）采用微机程控的测试全过程，在不改变测试回路的情况下,检测电流、电压回路及互感器极性的情况， 显示瞬时检测状态下的一次电流、二次电流、电压、互感比，采集的数据通过GPRS远程传输到测试终端；

4）测试终端软件系统会自动根据采集的相关数据以及相关理论公式计算参数，并与计算值比较基本判断 是否相等，液晶显示器自动显示测试结果。

见图1，一种变电站交流电流电压二次回路智能检验系统，本发明特征是：包括硬件部分和软件部分； 硬件部分以ARM嵌入式控制器为核心分别连接DSP芯片、TFT LCD显示模块、4X4矩阵键盘、数字时钟日 历芯片、PC接口、调压控制模块；其中，DSP芯片与一次回路AD7865连接，一次回路AD芯片又分别与一 次回路钳形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；ARM嵌入式控制器还通过GPRS通信模块与二次回路 AD芯片连接，二次回路AD芯片又分别与二次回路钳形互感器电流采样输入和电压采样输入连接；调压控 制模块还与DC/DC电源模块连接；DC/DC电源模块又与AC/DC开关电源模块连接；

软件部分包括调压控制PID运算、GPRS通信处理部分以及DSP同步采样算法部分，所述三部分软件 均采用ARM+DSP软件设计单元完成。

本发明DSP软件设计单元经过光耦隔离后，连接电机驱动电路与AD转换电路，从而达到调压器的输 出电压的控制以及AD芯片的启动和转换的目的。

本发明的采样数据的运算处理设置在DSP软件设计单元内；算法采用FFT算法以及硬件同步采样法。

ARM嵌入式控制器与GPRS通信模块进行连接匹配，其中GPRS选用GTM900C无线模块。

本发明AD芯片采用高速芯片AD7865。

见图2、图3、图4采样信号通过采样电路取得现场实测数据，但是信号包含的大量噪声干扰和高次 谐波会引起频率测量等方面的误差，对于FFT算法如果采样值不能均匀分布在信号周期内，会给测量带来 很大的测量误差，所以对采样数据必须进行处理。电力系统中的各种噪声一般可以认为是随机性白噪声。 这些年，相继有学者提出过许多消除噪声的方法，如小波变换法等。小波变换在时频域同时存在时具有良 好的局部化特性，可根据信号不同频率成分自动调节取样密度，从而实现对信号消噪处理。考虑到自动检 测仪的重点是相位和幅值的检测功能以及DSP硬件对FFT的方便性，本设计依然采用FFT为基本算法来寻 求基于FFT算法的消噪方法。采用FFT算法消噪可以在窗函数上做文章，可以参考使用余弦窗来提高精度 的思路，以及正弦信号自相关函数为同频率的余弦函数，而白噪声函数的自相关函数几乎为零的特性来消 除白噪声。采用加余弦窗函数方法进行修正可以减少信号中的白噪声影响，提高检测系统的测量精度。

见图5，通过软件数学模型公式求出一次短路电流值，然后首先合上一次设备断路器及其相应刀闸， 再合试验电源空开，通过新型可控调压器输出电压，实现一次负荷潮流方向为:调压器输出交流电源→变 电站一次设备→变压器→变电站一次设备→短路点。再对潮流经过的所有电流互感器，用智能钳型相位表 分别在保护装置以及相关的测量、计量屏柜上进行带负荷六角图测试工作，测试数据回传到系统软件进行 数据统计分析、判断等，完毕后断开断路器及其相应刀闸和试验电源。

电压回路检验方法:在以上模拟电流试验工况下，断开试验短路点，即可加量进行电压回路检测试验。

总体设计：

变电站交流电流电压二次回路智能检验系统从功能上分主要由五大部分组成：开关电源，模拟功能部 分、数字部分、GPRS通讯部分和PID控制部分。系统主要由三块电路板组成：模拟功能板、GPRS通讯板 以及驱动板。模拟功能板用嵌入式微处理器DSP+ARM作为主控芯片，主要控制模拟量数据的采集、调压器 马达的驱动，同时负责GPRS通信、LCD显示等功能。系统总体框图如图1所示：

系统从结构上分有硬件部分和软件部分组成，硬件部分由开关电源、模拟功能部分、数字部分和GPRS 通信功能部分构成，软件主要有三部分组成：模拟量数据采集软件设计单元、GPRS通信软件设计单元和调 压器马达PID控制。模拟量数据采集单元主要用来进行数据同步采集，并对采样的数据进行FFT分析计算， 同时还完成通信和显示等人机接口功能。PID单元通过DSP模块编程，通过驱动电路等控制马达，从而控 制调压器的电压输出；GPRS通信完成一二次侧回路的数据交换。程序采用模块化、结构化设计思想，便于 移植，功能模块可以很容易的扩展，具体如图1、图2、图3所示。

硬件部分：

1、开关电源：

系统由两大部分组成：模拟功能部分和GPRS功能部分，两部分的供电都由开关电源提供。电源设计 显得比较重要，这种电源工作在高频状态，损耗比较小，转换率可达80%以上，且目前市场上有成熟产品， 因而在确定电源的需求后，在市场购买就可以。

2、模拟部分：

输入信号根据测量的通道可以分为电压通道和电流通道，以及一次和二次侧。通过两种精密电流互感 器组成的电流信号衰减电路，使其在AD采样的范围内；测量通道特性如下；

电压通道电压量限：电压测量量限为5V～550V

输入阻抗：>500kΩ

分辨率：0.001V

电流通道电流量限：0.1mA～10A

分辨率：0.0001A

设计中采用精密电流型互感器CT，根据最大可测电压有效值可以改变采样电阻的大小；调节滑动变阻 器大小，通过信号滤波、电压抬升、功率放大将待测信号转化为A／D芯片的输入信号；同时采用过零比 较法使Uout与抬升零点比较产生工频方波信号，作为锁相环电路的输入信号，为AD转换提供采样脉冲。

驱动电路设计：

马达驱动主回路采用浮地前置驱动，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使 控制信号分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地），保证了驱动 回路（主回路）与控制回路绝缘，具有很高的安全性和可靠性，

3、数字部分：

数字部分芯片DSP作为数据运算部分,可以充分发挥其对数字信号处理的独特优势。接口控制芯片是 一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微处理器。处理器带有Thumb指令扩展；主频高达72MHz； 片内集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM，PLL加强型矢量中断控制器，10/100M以太网带DMA， USB2.0全速设备接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4个UART接口，1个具有全功能Modem的接 口，3个I2C串行接口，3个SPI/SSP串行接口，一个I2S接口，SD/MMC记忆卡接口，8路10位ADC，1 路10位DAC，4个32位捕获/比较时钟，看门狗时钟，PWM模块支持3相马达控制，RTC实时时钟带可选 后备电池，通用I/O等，关于各种型号芯片的详细资料请参考芯片的技术手册。

DSP的内核模块是整个变电站交流电流电压二次回路智能检验系统数据处理的核心部分，其设计必须 考虑到稳定、高速以及抗干扰等各个方面。

存储器与时钟接口

存储器主要由三星公司的NAND FLASH存储器芯片组成.NAND FLASH是容量为16MB的非易失闪烁存 储器芯片，可用于存放采集来的数据和已备上传的历史数据。

时钟采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。该芯片具有低功耗CMOS实时时钟／日历，而且外围接口简 单，精度和可靠性高，工作稳定。芯片最大总线速度为400kbits／s，每次读写数据后，其内嵌的字地址 寄存器会自动产生增量。PCF8563有16个8位寄存器，并有可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz 的振荡器(带有一个内部集成电容)、分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)、可编程时钟输出、定时器、 报警器、掉电检测器和400kHz的I2C总线接口等；同时具有计秒、分、时、星期、日、月、年以及闰年 补偿功能，可用二进制数码和BCD码表示时间、日历和定闹。安上锂电池以后，断电情况下可以十年不丢 失数据，功能上完全可以满足本装置的需要。

GPRS通信接口设计

本系统中，选用GTM900C来实现GPRS数据传输功能，GPRS模块选用华为GTM900C模块，它是一款三 频段GSM／GPRS无线模块。模块接口简单、使用方便且功能强大。它支持标准的AT命令及增强AT命令。 GTM900C的GPRS数据业务的最高速率可达85.6kbit／GTM900C提供40脚的ZIF接口，主要有电源接口、 UART接口(最大串口速率可达115200bit／s)、标准SIM卡接口和模拟语音接口。

GPRS模块与ARM的连接很简单，由于两者是通过串口接口进行通信的，所以将两者用串口线连接即可。 GPRS的网络功能都已集成在模块中，只需要在主处理器这一端将串口参数设置好，然后发送相应的AT指 令对模块进行操作即可。

模拟接口设计：

在本系统的交流采样系统设计中，对精度的要求非常的高，为此，本系统采用外接A／D的方法，通 过DSP控制外部AD转换器对三相交流电压、电流等电力参数进行交流采样。采用适当的硬件连接，用一 条操作指令同时启动两片AD7865，同时采样对应的三相电压和电流，使得Im，Um为同一时刻的采样值。

AD7865是美国AD公司推出的14位4通道高速A／D转换器。其最快采样速度为每通道2．4μs；具 有4路同步采样输入及4个跟随／保持放大器；可单电源(+5V)工作；具有宽输入范围(最大为±10V)， 低功耗和输入过压保护等功能。根据调理电路设计的具体要求，这里选择AD7865-2型A／D芯片，其输入 的模拟电压范围为0～5V，在本设计中可以考虑更高位数的AD芯片，比如16位的AD转化芯片。

软件部分：

傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是信号处理领域中的重要的分析工具。本发 明基于离散傅立叶变换的基础上，采用硬件同步采样算法，来达到系统精度要求。

由于关于离散傅立叶变换的方法，任何一本《信号与系统》书籍中均有，在这里就不在赘述。

交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非整周期采样法、非同步采样法等几种，系统采用同步 采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期T与采样时间间隔△t及一周内采样 点数N之间满足关系式T=N△t，即采样频率为被测信号频率的N倍。根据提供采样信号方式不同，同步采 样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。本系统采用硬件同步采样。

硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用锁相环频率跟踪原理 实现同步等间隔采样的电路，在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环内加入N 分频器，输入fi为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出fo为采样频率。fo经N分频后与fi 相比较，根据锁相环工作原理，锁定时fo／N＝fi，即fo＝Nfi。由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频 率fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足fo＝Nfi的关系，即采样频率为被测信号频率的整数 (N)倍。用该输出去控制采样／保持器，并启动A／D转换，这样就可以使N个采样点均匀分布在被测电网 信号的一个整周波内，消除了同步误差，实现了无相位差的同步采样。锁相环相位锁定时，压控振荡器VCO 能在一定范围内自动跟踪输入信号的频率变化，在频率有畸变的情况下也能确保数据的同步采样，保证测 量精度。

基本工作原理：DSP分别对一次侧和二次侧的电流电压信号进行采样，SP对一二次侧的数据进行分 析和计算,然后二次侧数据通过GPRS传输给ARM,之后再传输给LCD或者PC电脑，从而进行显示及打印等 功能。数据采集采用硬件同步采样，这样软件算法相对简化，也避免了采用软件计算带来的精度和线性的 损失；同时因减少了转换环节和调整环节增加了稳定性和可靠性。

模拟电路采用高精度的互感器，运放器件构成前置放大环节，保证了对微弱信号的拾取；并选用了高 性能ADC器件AD7865,该ADC器件精度高，可顺利保证对相位、幅值测量的准确度。

如图5、图6所示，测试装置各接线端子所代表的意义：

Ia.Ib.Ic:本接口主要用于二次侧测量0.1mA-1A小电流测量；

IA.IB.IC：本接口主要用于一次侧测量10mA-10A电流测量；

UA.UB.UC.N：三路一次侧电压信号接口；

Ua.Ub.Uc.N：三路二次侧电压信号接口；

S：预留状态输入端口；

COMM：数据传输接口；

POWER：电源供电端口；

其他没有进行显示的还有：

调压控制：电机驱动模块。

通讯口：可将测量结果传送给计算机，供计算机作误差数据处理或者传到液晶显示器上显示结果。

测试仪的具体软件流程图如图4所示，在检定互感器时，电压互感器接线图如图6所示，测量时结果 直接数字显示,并为用户配上RSC232接口,方便地与计算机相联；随时测量被检回路的测试结果。

测试仪的技术参数：

1、参数条件

(a)环境温度：（-10～45）℃<±50ppm

(b)环境湿度：（45～75）%RH

(c)被测载流导线在钳口中的位置：居中

(d)外参比频率电磁场干扰：应避免

(e)频率影响：信号在45Hz~65Hz范围<±0.04%

(e)GPRS信息无障碍传输速率：115200bit/s；

(e)相位测量：0.0-360.0度

(e)整机准确度：0.5级

(e)温度影响：在-10℃～+40℃范围<±50ppm

2、基本误差

额定工作条件下，各被测量的额定工作误差极限不超过相应基本误差极限的两倍。