一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統的製作方法

2023-09-19 09:54:30

專利名稱：一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種變電站交流電流電壓二次迴路試驗的重要設備，特別用於檢驗變電站電流、電壓二次迴路接線的正確性，規範統一變電站交流電流電壓迴路的檢驗方法，屬於輸(配)電站工程設備技術領域。
背景技術：
由於變電站交流二次迴路常出現各種潛在故障隱患，造成繼電保護等裝置誤動或者拒動引起的事故仍然不斷發生。根據GB 50171 T-1992《電氣裝置安裝工程盤、櫃及二次迴路接線施工及驗收規範》、Q/CSG10008-2004《繼電保護及安全自動裝置檢驗條例》等相關規程、規定要求，「二次迴路接線按圖施工，接線正確」，特別是「新投入或經更改的電流、電壓迴路，應直接利用工作電壓檢查電壓二次迴路，利用負荷電流檢查電流二次迴路接線的正確性。」等條款對交流迴路安裝接線、試驗都要求其正確性和可靠性。目前，缺乏有關交流電流電壓二次迴路現場調試工作的標準，現場試驗工作也不規範。國內外均無功能齊全的交流電流電壓二次迴路檢驗儀器系統。現場主要利用乾電池配合指針式萬用表、電纜對線器、鉗形相位表、繼電保護測試儀、互感器校驗儀和大電流發生器等設備完成迴路單個設備的檢驗，缺乏完整性和系統性。由於現場試驗沒有專用的試驗系統，自動智能化水平不高，每次現場試驗都要裝卸一二次試驗設備，給人力資源帶來極大的浪費，不同人員、不同方法下互感器二次迴路和二次設備的正確配合問題突出，沒有建立科學、客觀、智能的檢驗系統。變電站工程中存在安全隱患及試驗質量不高的問題，也急需研究開發一套科學客觀的交流電流電壓二次迴路檢驗系統統一規範現場試驗。變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統是根據電力行業繼電保護相關的檢驗規程及標準，專門針對於交流電流電壓迴路檢驗的的智能化系統。檢測裝置可在基本上不改變迴路接線、無須反覆裝卸試驗設備以及針對測試場所分布比較分散的其他情況下， 在線測出一次側和二次側的電壓電流以及相位值並給出結果。進而判斷迴路的斷路、短路、接觸不良、CT極性接反、CT變化或者PT等迴路故障，是電力部門得力的一套變電站自動智能檢驗系統。

發明內容
本發明的目的在於代替傳統的電流電壓二次迴路校驗儀，研製出一種智能化程度高、實用可靠、高精度、可攜式的變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，進一步加強電力部門電流電壓二次迴路的管理形成統一的作業標準，以及提高電網的安全穩定運行。本發明是通過如下技術方案來實現的。一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，本發明特徵是，包括硬體部分和軟體部分；硬體部分以ARM嵌入式控制器為核心分別連接DSP晶片、TFTIXD顯示模塊、4X4矩陣鍵盤、數字時鐘日曆晶片、PC接口、調壓控制模塊；其中，DSP晶片與一次迴路AD7865連接,一次迴路AD晶片又分別與一次迴路鉗形互感器電流米樣輸入和電壓米樣輸入連接；ARM嵌入式控制器還通過GPRS通信模塊與二次迴路AD晶片連接，二次迴路AD晶片又分別與二次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；調壓控制模塊還與DC/DC電源模塊連接；DC/DC電源模塊又與AC/DC開關電源模塊連接；軟體部分包括調壓控制PID運算、GPRS通信處理部分以及DSP同步採樣算法部分，所述三部分軟體均採用ARM+DSP軟體設計單元完成。本發明DSP軟體設計單元經過光耦隔離後，連接電機驅動電路與AD轉換電路，從而達到調壓器的輸出電壓的控制以及AD晶片的啟動和轉換的目的。本發明的採樣數據的運算處 理設置在DSP軟體設計單元內；算法採用FFT算法以及硬體同步採樣法。ARM嵌入式控制器與GPRS通信模塊進行連接匹配，其中GPRS選用GTM900C無線模塊。本發明AD晶片採用高速晶片AD7865。本發明的有益效果是，採用「高精度A/D+ARM+DSP+GPRS」的方案，這種方案的優點，在於把二次側的測量中的數據的傳輸通過GPRS來傳輸到測試終端，滿足了室外操作環境，同時調壓器具有可編程的電壓輸出，調壓控制具有自動和手動控制兩種方式，充分考慮的適應了現場監測的要求。下面結合附圖及實施例進一步闡述本發明內容。


附圖I :本發明總體結構示意圖；附圖2 :系統硬體原理框圖；附圖3 :外圍電路不意圖；附圖4 :軟體工作流程圖；附圖5 :檢定變電站電流電壓二次迴路接線圖；附圖6 :系統測試儀接線圖。
具體實施例方式本發明屬一種電力用電流電壓迴路自動測試系統，該方法為I)通過自動測試系統軟體計算一次短路電流、電壓值，然後對應操作好變電站一次設備狀態，連接好自動測試系統，手動或自動加入電流、電壓，再對潮流經過的所有互感器二次迴路，用智能鉗型相位表在線測出幅值及相位值，並將測試數據通過GPRS傳回測試終端，與計算值比較是否相等，進而判斷出互感器二次迴路和保護極性的正確與否及故障原因。2)針對測試場所分布比較分散等情況下，使用GPRS系統在線測出一次側和二次側的電壓電流以及相位值並給出測試結果，進而判斷迴路的斷路、短路、接觸不良、CT極性接反、CT變化或者PT等迴路故障；3)採用微機程控的測試全過程，在不改變測試迴路的情況下，檢測電流、電壓迴路及互感器極性的情況，顯示瞬時檢測狀態下的一次電流、二次電流、電壓、互感比，採集的數據通過GPRS遠程傳輸到測試終端；4)測試終端軟體系統會自動根據採集的相關數據以及相關理論公式計算參數，並與計算值比較基本判斷是否相等，液晶顯示器自動顯示測試結果。見圖1，一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，本發明特徵是包括硬體部分和軟體部分；硬體部分以ARM嵌入式控制器為核心分別連接DSP晶片、TFT IXD顯示模塊、4X4矩陣鍵盤、數字時鐘日曆晶片、PC接口、調壓控制模塊；其中，DSP晶片與一次迴路AD7865連接,一次迴路AD晶片又分別與一次迴路鉗形互感器電流米樣輸入和電壓米樣輸入連接；ARM嵌入式控制器還通過GPRS通信模塊與二次迴路AD晶片連接，二次迴路AD晶片又分別與二次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；調壓控制模塊還與DC/DC電源模塊連接；DC/DC電源模塊又與AC/DC開關電源模塊連接；軟體部分包括調壓控制PID運算、GPRS通信處理部分以及DSP同步採樣算法部分，所述三部分軟體均採用ARM+DSP軟體設計單元完成。
本發明DSP軟體設計單元經過光耦隔離後，連接電機驅動電路與AD轉換電路，從而達到調壓器的輸出電壓的控制以及AD晶片的啟動和轉換的目的。本發明的採樣數據的運算處理設置在DSP軟體設計單元內；算法採用FFT算法以及硬體同步採樣法。ARM嵌入式控制器與GPRS通信模塊進行連接匹配，其中GPRS選用GTM900C無線模塊。本發明AD晶片採用高速晶片AD7865。見圖2、圖3、圖4採樣信號通過採樣電路取得現場實測數據，但是信號包含的大量噪聲幹擾和高次諧波會引起頻率測量等方面的誤差，對於FFT算法如果採樣值不能均勻分布在信號周期內，會給測量帶來很大的測量誤差，所以對採樣數據必須進行處理。電力系統中的各種噪聲一般可以認為是隨機性白噪聲。這些年，相繼有學者提出過許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時頻域同時存在時具有良好的局部化特性，可根據信號不同頻率成分自動調節取樣密度，從而實現對信號消噪處理。考慮到自動檢測儀的重點是相位和幅值的檢測功能以及DSP硬體對FFT的方便性，本設計依然採用FFT為基本算法來尋求基於FFT算法的消噪方法。採用FFT算法消噪可以在窗函數上做文章，可以參考使用餘弦窗來提高精度的思路，以及正弦信號自相關函數為同頻率的餘弦函數，而白噪聲函數的自相關函數幾乎為零的特性來消除白噪聲。採用加餘弦窗函數方法進行修正可以減少信號中的白噪聲影響，提高檢測系統的測量精度。見圖5，通過軟體數學模型公式求出一次短路電流值，然後首先合上一次設備斷路器及其相應刀閘，再合試驗電源空開，通過新型可控調壓器輸出電壓，實現一次負荷潮流方向為調壓器輸出交流電源一變電站一次設備一變壓器一變電站一次設備一短路點。再對潮流經過的所有電流互感器，用智能鉗型相位表分別在保護裝置以及相關的測量、計量屏柜上進行帶負荷六角圖測試工作，測試數據回傳到系統軟體進行數據統計分析、判斷等，完畢後斷開斷路器及其相應刀閘和試驗電源。電壓迴路檢驗方法在以上模擬電流試驗工況下，斷開試驗短路點，即可加量進行電壓迴路檢測試驗。總體設計
變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統從功能上分主要由五大部分組成開關電源，模擬功能部分、數字部分、GPRS通訊部分和PID控制部分。系統主要由三塊電路板組成模擬功能板、GPRS通訊板以及驅動板。模擬功能板用嵌入式微處理器DSP+ARM作為主控晶片，主要控制模擬量數據的採集、調壓器馬達的驅動，同時負責GPRS通信、IXD顯示等功能。系統總體框圖如圖I所示 系統從結構上分有硬體部分和軟體部分組成，硬體部分由開關電源、模擬功能部分、數字部分和GPRS通信功能部分構成，軟體主要有三部分組成模擬量數據採集軟體設計單元、GPRS通信軟體設計單元和調壓器馬達PID控制。模擬量數據採集單元主要用來進行數據同步採集，並對採樣的數據進行FFT分析計算，同時還完成通信和顯示等人機接口功能。PID單元通過DSP模塊編程，通過驅動電路等控制馬達，從而控制調壓器的電壓輸出；GPRS通信完成一二次側迴路的數據交換。程序採用模塊化、結構化設計思想，便於移植，功能模塊可以很容易的擴展，具體如圖I、圖2、圖3所示。今硬體部分I、開關電源系統由兩大部分組成模擬功能部分和GPRS功能部分，兩部分的供電都由開關電源提供。電源設計顯得比較重要，這種電源工作在高頻狀態，損耗比較小，轉換率可達80%以上，且目前市場上有成熟產品，因而在確定電源的需求後，在市場購買就可以。2、模擬部分輸入信號根據測量的通道可以分為電壓通道和電流通道，以及一次和二次側。通過兩種精密電流互感器組成的電流信號衰減電路，使其在AD採樣的範圍內；測量通道特性如下；電壓通道電壓量限電壓測量量限為5V 550V輸入阻抗>500kQ解析度0.OOlV電流通道電流量限0. ImA IOA解析度0.0001A設計中採用精密電流型互感器CT，根據最大可測電壓有效值可以改變採樣電阻的大小；調節滑動變阻器大小，通過信號濾波、電壓抬升、功率放大將待測信號轉化為A / D晶片的輸入信號；同時採用過零比較法使Uout與抬升零點比較產生工頻方波信號，作為鎖相環電路的輸入信號，為AD轉換提供採樣脈衝。驅動電路設計馬達驅動主迴路採用浮地前置驅動，並由獨立的電源供電。由於前置驅動電路中採用了光電耦合，使控制信號分別與各自的前置驅動電路電氣絕緣，於是使控制信號對主迴路浮地(或不共地)，保證了驅動迴路(主迴路)與控制迴路絕緣，具有很高的安全性和可靠性，3、數字部分數字部分晶片DSP作為數據運算部分，可以充分發揮其對數位訊號處理的獨特優勢。接口控制晶片是一款基於ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微處理器。處理器帶有Thumb指令擴展；主頻高達72MHz ;片內集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM,PLL加強型矢量中斷控制器，10/100M乙太網帶DMA，USB2. 0全速設備接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4個UART接口，I個具有全功能Modem的接口，3個I2C串行接口，3個SPI/SSP串行接口，一個I2S接口，SD/MMC記憶卡接口，8路10位ADC，I路10位DAC，4個32位捕獲/比較時鐘，看門狗時鐘，PWM模塊支持3相馬達控制，RTC實時時鐘帶可選後備電池，通用I/O等，關於各種型號晶片的詳細資料請參考晶片的技術手冊。DSP的內核模塊是整個變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統數據處理的核心部分，其設計必須考慮到穩定、高速以及抗幹擾等各個方面。>存儲器與時鐘接口
存儲器主要由三星公司的NAND FLASH存儲器晶片組成.NAND FLASH是容量為16MB的非易失閃爍存儲器晶片，可用於存放採集來的數據和已備上傳的歷史數據。時鐘採用PHILIPS公司的PCF8563晶片。該晶片具有低功耗CMOS實時時鐘/日曆，而且外圍接口簡單，精度和可靠性高，工作穩定。晶片最大總線速度為400kbits / s，每次讀寫數據後，其內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。PCF8563有16個8位寄存器，並有可自動增量的地址寄存器、內置32. 768kHz的振蕩器(帶有一個內部集成電容)、分頻器(用於給實時時鐘RTC提供源時鐘)、可編程時鐘輸出、定時器、報警器、掉電檢測器和400kHz的I2C總線接口等；同時具有計秒、分、時、星期、日、月、年以及閏年補償功能，可用二進位數碼和BCD碼表示時間、日曆和定鬧。安上鋰電池以後，斷電情況下可以十年不丟失數據，功能上完全可以滿足本裝置的需要。> GPRS通信接口設計本系統中，選用GTM900C來實現GPRS數據傳輸功能，GPRS模塊選用華為GTM900C模塊，它是一款三頻段GSM / GPRS無線模塊。模塊接口簡單、使用方便且功能強大。它支持標準的AT命令及增強AT命令。GTM900C的GPRS數據業務的最高速率可達85. 6kbit /GTM900C提供40腳的ZIF接口，主要有電源接口、UART接口(最大串口速率可達115200bit / S)、標準SIM卡接口和模擬語音接口。GPRS模塊與ARM的連接很簡單，由於兩者是通過串口接口進行通信的，所以將兩者用串口線連接即可。GPRS的網絡功能都已集成在模塊中，只需要在主處理器這一端將串口參數設置好，然後發送相應的AT指令對模塊進行操作即可。>模擬接口設計在本系統的交流採樣系統設計中，對精度的要求非常的高，為此，本系統採用外接A / D的方法，通過DSP控制外部AD轉換器對三相交流電壓、電流等電力參數進行交流採樣。採用適當的硬體連接，用一條操作指令同時啟動兩片AD7865，同時採樣對應的三相電壓和電流，使得Im, Um為同一時刻的米樣值。AD7865是美國AD公司推出的14位4通道高速A / D轉換器。其最快採樣速度為每通道2. 4US;具有4路同步採樣輸入及4個跟隨/保持放大器；可單電源(+5V)工作；具有寬輸入範圍(最大為±10V)，低功耗和輸入過壓保護等功能。根據調理電路設計的具體要求，這裡選擇AD7865-2型A / D晶片，其輸入的模擬電壓範圍為0 5V，在本設計中可以考慮更高位數的AD晶片，比如16位的AD轉化晶片。 軟體部分傅立葉變換是一種將信號從時域變換到頻域的變換形式，是信號處理領域中的重要的分析工具。本發明基於離散傅立葉變換的基礎上，採用硬體同步採樣算法，來達到系統精度要求。由於關於離散傅立葉變換的方法，任何一本《信號與系統》書籍中均有，在這裡就不在贅述。交流採樣法包括同步採樣法、準同步採樣法、非整周期採樣法、非同步採樣法等幾種，系統採用同步採樣法。同步採樣法就是整周期等間隔均勻採樣，要求被測信號周期T與採樣時間間隔A t及一周內採樣點數N之間滿足關係式T=N A t，即採樣頻率為被測信號頻率的N倍。根據提供採樣信號方式不同，同步採樣法又分為軟體同步採樣法和硬體同步採樣法兩種。本系統採用硬體同步採樣。硬體同步採樣法是由專門的硬體電路產生同步於被測信號的採樣脈衝。一種利用 鎖相環頻率跟蹤原理實現同步等間隔採樣的電路，在相位比較器PD、低通濾波器LP、壓控振蕩器VCO構成的鎖相環內加入N分頻器，輸入fi為被測信號的頻率，作為鎖相環的基準頻率，輸出f0為採樣頻率。fo經N分頻後與fi相比較，根據鎖相環工作原理，鎖定時fo /N = fi,即fo = Nfi0由於鎖相環的實時跟蹤性，當被測信號頻率fi變化時，電路能自動快速跟蹤並鎖定，始終滿足fo = Nfi的關係，即採樣頻率為被測信號頻率的整數(N)倍。用該輸出去控制採樣/保持器，並啟動A / D轉換，這樣就可以使N個採樣點均勻分布在被測電網信號的一個整周波內，消除了同步誤差，實現了無相位差的同步採樣。鎖相環相位鎖定時，壓控振蕩器VCO能在一定範圍內自動跟蹤輸入信號的頻率變化，在頻率有畸變的情況下也能確保數據的同步採樣，保證測量精度。基本工作原理DSP分別對一次側和二次側的電流電壓信號進行米樣，SP對一二次側的數據進行分析和計算，然後二次側數據通過GPRS傳輸給ARM，之後再傳輸給LCD或者PC電腦，從而進行顯示及列印等功能。數據採集採用硬體同步採樣，這樣軟體算法相對簡化，也避免了採用軟體計算帶來的精度和線性的損失；同時因減少了轉換環節和調整環節增加了穩定性和可靠性。模擬電路採用高精度的互感器，運放器件構成前置放大環節，保證了對微弱信號的拾取；並選用了高性能ADC器件AD7865，該ADC器件精度高，可順利保證對相位、幅值測量的準確度。如圖5、圖6所示，測試裝置各接線端子所代表的意義la. Ib. Ic:本接口主要用於二次側測量0. ImA-IA小電流測量；IA. IB. IC :本接口主要用於一次側測量IOmA-IOA電流測量；UA. UB. UC. N :三路一次側電壓信號接口 ；Ua. Ub. Uc. N :三路二次側電壓信號接口 ；S :預留狀態輸入埠；C0MM:數據傳輸接口；POWER 電源供電埠 ；其他沒有進行顯示的還有調壓控制電機驅動模塊。通訊口 可將測量結果傳送給計算機，供計算機作誤差數據處理或者傳到液晶顯示器上顯示結果。
測試儀的具體軟體流程圖如圖4所示，在檢定互感器時，電壓互感器接線圖如圖6所示，測量時結果直接數字顯示，並為用戶配上RSC232接口，方便地與計算機相聯；隨時測量被檢迴路的測試結果。測試儀的技術參數I、參數條件(a)環境溫度(-10 45) V <±50ppm(b)環境溼度(45 75) %RH(c)被測載流導線在鉗口中的位置居中(d)外參比頻率電磁場幹擾應避免(e)頻率影響信號在45Hz 65Hz範圍〈±0. 04%(e)GPRS信息無障礙傳輸速率115200bit/s ；(e)相位測量0. 0-360. 0 度(e)整機準確度0. 5級(e)溫度影響在-10°C +40°C範圍 <±50ppm2、基本誤差
權利要求
1.一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，其特徵是，包括硬體部分和軟體部分；硬體部分以ARM嵌入式控制器為核心分別連接DSP晶片、TFT IXD顯示模塊、4X4矩陣鍵盤、數字時鐘日曆晶片、PC接口、調壓控制模塊；其中，DSP晶片與一次迴路AD7865連接，一次迴路AD晶片又分別與一次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；ARM嵌入式控制器還通過GPRS通信模塊與二次迴路AD晶片連接，二次迴路AD晶片又分別與二次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；調壓控制模塊還與DC/DC電源模塊連接；DC/DC電源模塊又與AC/DC開關電源模塊連接； 軟體部分包括調壓控制PID運算、GPRS通信處理部分以及DSP同步採樣算法部分，所述三部分軟體均採用ARM+DSP軟體設計單元完成。
2.根據權利要求I所述變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，其特徵是，DSP軟體設計單元經過光耦隔離後，連接電機驅動電路與AD轉換電路，從而達到調壓器的輸出電壓的控制以及AD晶片的啟動和轉換。
3.根據權利要求I所述變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，其特徵是，ARM嵌入式控制器與GPRS通信模塊進行連接匹配，其中GPRS選用GTM900C無線模塊。
4.根據權利要求I所述變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，其特徵是，AD晶片採用高速晶片AD7865。
全文摘要
一種變電站交流電流電壓二次迴路智能檢驗系統，本發明硬體部分中DSP晶片與一次迴路AD7865連接，一次迴路AD晶片又分別與一次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；ARM嵌入式控制器還通過GPRS通信模塊與二次迴路AD晶片連接，二次迴路AD晶片又分別與二次迴路鉗形互感器電流採樣輸入和電壓採樣輸入連接；調壓控制模塊還與DC/DC電源模塊連接；DC/DC電源模塊又與AC/DC開關電源模塊連接；軟體部分包括調壓控制PID運算、GPRS通信處理部分以及DSP同步採樣算法部分，所述三部分軟體均採用ARM+DSP軟體設計單元完成。本發明是一種全數位化、多功能、高精度、智能化的多參數迴路測量裝置，是變電站、電廠等工程中必須用到的設備。
文檔編號G01R31/02GK102749549SQ20121020824
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者劉柱揆, 許守東, 陳勇 申請人:雲南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院, 雲南電網公司技術分公司