褚國(guó)偉，歐傳剛，許箴，朱鵬，徐志科

(1.江蘇省電力公司常州供電公司，江蘇 常州 213003;2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

在我國(guó)運(yùn)行的電能計(jì)量裝置中按其所計(jì)量電能量的多少和計(jì)量對(duì)象的重要程度分五類進(jìn)行管理。在實(shí)際運(yùn)行中為了能夠測(cè)量高壓交流回路的電量，需要通過電壓互感器將高壓換成低壓同時(shí)利用互感器的變比來配備對(duì)應(yīng)的儀表進(jìn)行測(cè)量［1］。與此同時(shí)，電壓互感器將供給測(cè)量和繼電保護(hù)用的二次電壓回路，與一次電壓的的高壓系統(tǒng)隔離和按電壓互感器的變比將系統(tǒng)的一次電壓降低為一定的二次電壓。

電壓互感器在更換以及檢修后要進(jìn)行極性判斷，因?yàn)槿魏我粋?cè)的引出端子用錯(cuò)，都會(huì)使二次側(cè)的相位變化180度，既影響繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作，又影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和事故處理，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及設(shè)備及人身安全。因此，正確判斷電壓互感器的極性正確與否是一項(xiàng)十分重要的工作。對(duì)于電壓互感器二次回路極性判斷的方法［2］有:①直流法;②交流法。其中運(yùn)用最為廣泛的是直流法，將干電池接在電壓互感器的一次側(cè)，同時(shí)將指針式電流表接在電壓互感器的二次側(cè)，通過將一次側(cè)的干電池?cái)嚅_，在斷開瞬間若電壓互感器的二次側(cè)指針式電流表的指針向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，再將干電池接上，若在接上的瞬間電壓互感器的二次側(cè)指針式電流表的指針向右偏轉(zhuǎn)，則表明電壓互感器的極性是正確的。這種方法在測(cè)量的過程中需要有這方面專業(yè)知識(shí)的人才能實(shí)施，因?yàn)殡妷夯ジ衅鞯囊淮蝹?cè)與二次側(cè)回路相隔較遠(yuǎn)，所以測(cè)量過程中兩個(gè)人交流會(huì)很繁瑣且工作效率低下。

本文在普通的電壓互感器的基礎(chǔ)上，主要研究在電壓互感器二次側(cè)通過單片機(jī)對(duì)電壓互感器的二次側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過RX232通訊將數(shù)據(jù)傳輸給ARM11處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷極性正確與否。

1 測(cè)量系統(tǒng)分析

圖1 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

在該測(cè)試系統(tǒng)中主要包括脈沖電壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及一個(gè)手持設(shè)備，通過在手持設(shè)備進(jìn)行操作，可以在顯示屏上直接判斷出電壓互感器極性正確與否，見圖 1。當(dāng)脈沖電壓模塊分別對(duì)電壓互感器 A、B、C三相導(dǎo)通，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電壓互感器二次側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過RS232通訊將數(shù)據(jù)傳給手持設(shè)備進(jìn)行處理，判斷電壓互感器極性正確與否。

檢測(cè)人員在檢測(cè)電壓互感器極性的時(shí)候，首先通過以ARM11處理器S3C6410為核心的手持設(shè)備觸摸屏上的按鍵控制數(shù)據(jù)采集上CC1100無線模塊發(fā)射指令給PWM波模塊的CC1100無線模塊對(duì)脈沖電壓模塊進(jìn)行控制，對(duì)電壓互感器一次側(cè)A、B、C三相進(jìn)行分別通占空比為25%，電壓峰峰值為200 V的正向脈沖電壓，然后通過電壓互感器二次側(cè)的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過RS232將采集的數(shù)據(jù)傳輸給手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢測(cè)人員根據(jù)手持設(shè)備上的顯示很直觀的了解到電壓互感器極性接線，這樣省去了人為的去電壓互感器一次側(cè)接線，再在二次側(cè)測(cè)量的麻煩，更加簡(jiǎn)單快捷的判斷出電壓互感器的極性。

2 系統(tǒng)硬件組成與功能實(shí)現(xiàn)

電壓互感器極性智能檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主要由PWM模塊、脈沖電壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ARM11中央處理單元、CC1100無線傳輸模塊以及其他外圍電路組成的，見圖2。

圖2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

2.1 PWM 模塊

PWM模塊主要用來導(dǎo)通脈沖電壓模塊中的A、B、C三相，使得脈沖電壓模塊產(chǎn)生200 V以上的高壓，把高壓輸入到電壓互感器的一次測(cè)，經(jīng)過電壓互感器的降壓，方便在二次側(cè)測(cè)出電壓值，進(jìn)行判斷極性。該P(yáng)WM模塊是基于MSP430F149芯片［3］，利用MSP430F149的定時(shí)器A在普通I/O口產(chǎn)生頻率為100 Hz，占空比為25%的PWM波，根據(jù)手持設(shè)備發(fā)出的指令來選擇導(dǎo)通A、B、C三相PWM波，進(jìn)而來接通相應(yīng)的頻率為100 Hz的脈沖電壓，進(jìn)行在二次側(cè)測(cè)量相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行極性判斷。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊基于MSP430F149芯片，包括運(yùn)算放大電路、限幅電路、A/D數(shù)據(jù)采集［3］、RS232通訊三個(gè)部分，該模塊的A/D部分的采集頻率是1 ms，因?yàn)橐淮蝹?cè)的脈沖頻率是100 Hz，周期T=1/f=10 ms，這樣在二次側(cè)產(chǎn)生的波形頻率為100 Hz，周期為10 ms，所以A/D部分在二次側(cè)波形的一個(gè)周期內(nèi)能采集10個(gè)數(shù)據(jù)，再將采集的10個(gè)數(shù)據(jù)通過RS232通訊將數(shù)據(jù)傳給ARM11中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

MSP430F149芯片的A/D數(shù)據(jù)模塊有8路12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)MSP430F149芯片的A/D數(shù)據(jù)采集模塊一般能測(cè)到0 V～3.3 V之間的數(shù)值，若所測(cè)的數(shù)值小于0 V，默認(rèn)測(cè)到的值就為0 V，大于3.3V的時(shí)候默認(rèn)為3.3 V，這樣不利于我們最后的判斷，同時(shí)如果所測(cè)的數(shù)據(jù)大于3.3 V，這樣會(huì)損壞MSP430F149芯片，所以在數(shù)據(jù)采集模塊之前加一個(gè)運(yùn)算放大路［4］，該運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)的將所測(cè)數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)放大，因?yàn)楫?dāng)二次側(cè)接線接反的時(shí)候，二次側(cè)的數(shù)據(jù)都為小于0 V，通過運(yùn)算放大電路將數(shù)據(jù)放大到可以測(cè)的范圍有利于測(cè)量，進(jìn)行判斷，同時(shí)為了保護(hù)MSP430F149芯片，需要對(duì)所采集的電壓進(jìn)行限制，將電壓限制在MSP430F149芯片的A/D數(shù)據(jù)采集的0 V～3.3 V電壓之間。

2.3 ARM11中央處理器

設(shè)計(jì)中的ARM11中央處理器是設(shè)備的核心，采用的是S3C6410，S3C6410［5］是三星公司生產(chǎn)的微處理器，S3C6410 是一個(gè)16/32位RISC微處理器，旨在提供一個(gè)具有成本效益、功耗低，性能高的應(yīng)用處理器解決方案。文章中的數(shù)據(jù)辨別模塊主要利用在ARM嵌入式的WINCE系統(tǒng)下，開發(fā)觸摸屏界面，界面是在PC機(jī)上visual studio 2008的C++語言下編寫完成的，然后將生成的程序移植到ARM嵌入式系統(tǒng)中使用。ARM嵌入式和數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信主要通過微處理器自身的RS232進(jìn)行雙向通信，在測(cè)試系統(tǒng)中的ARM11中央處理器之前添加運(yùn)放電路，對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，這樣方便數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.4 無線模塊

測(cè)試設(shè)備中的無線收發(fā)模塊主要用來將二次側(cè)通過手持設(shè)備觸摸屏發(fā)送指令通過該無線模塊送個(gè)一次測(cè)的PWM模塊進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，采用的是基于CC1100［6］的無線模塊，CC1100是一種極低功率UHF收發(fā)芯片，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，電路的波段可以設(shè)置為315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)，當(dāng)然也可以設(shè)在其他的波段，該收發(fā)芯片集成了一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，可以支持不同的調(diào)制格式，數(shù)據(jù)傳輸率能夠達(dá)到500 kbps。CC1100是基于0.18 μmCMOS晶體的Chipcon的SmartRF 04技術(shù)，CC1100具有較低的電流消耗，高效的SPI接口，單獨(dú)的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO(先進(jìn)先出堆棧)，能夠在距離50 m進(jìn)行無線通訊，即使中間有障礙物也可以進(jìn)行正常的通訊，這樣能夠很好的滿足我們測(cè)試過程的運(yùn)用。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電壓互感器極性智能檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、指令發(fā)送都是由ARM11中央處理單元S3C6410控制，通過ARM11控制MSP430F149單片機(jī)以及無線模塊，流程圖見圖3。

在測(cè)試過程中，測(cè)試人員將測(cè)試中線接好，只需要通過以ARM11中央處理器為核心的手持設(shè)備觸摸屏上進(jìn)行測(cè)試操作，然后將所測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備的顯示屏上，可以很方便的觀測(cè)到測(cè)試結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)能否正確的檢測(cè)到電壓互感器的極性，現(xiàn)對(duì)10 kV-JDZJ型單相電壓互感器(變比為10 kV/100 V)通入Vp-p為200 V，頻率為100 Hz，占空比為25%的單極脈沖電壓信號(hào)，當(dāng)二次側(cè)極性正確情況下，二次側(cè)電壓波形如圖4所示。該波形是在運(yùn)算放大電路放大之后的電壓。

圖4 二次側(cè)極性正確電壓波形

當(dāng)二次側(cè)極性相反的情況下，二次測(cè)電壓波形如圖5所示。因?yàn)闃O性檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用了運(yùn)算放大電路，所以所測(cè)的電壓被放大到MSP430F149芯片以便于測(cè)量的范圍。

圖5 二次側(cè)極性相反電壓波形

如 圖4、圖 5 所示是用示波器所測(cè)的二次測(cè)電壓波形，在手持設(shè)備上的顯示屏所測(cè)的數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

在20 ms采樣時(shí)間里采集的數(shù)據(jù)，二次側(cè)輸出波形周期為10 ms，一個(gè)周期內(nèi)可以采集10個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)圖6所測(cè)數(shù)據(jù)顯示可以看出，當(dāng)二次側(cè)極性正確時(shí)，在所測(cè)的20個(gè)數(shù)據(jù)中有4個(gè)是高電平，高電平所占比例為20%，跟理論上占空比為25%相差不大，從而判斷出二次側(cè)極性跟一次側(cè)極性是正確的，根據(jù)表圖7所測(cè)數(shù)據(jù)顯示可以看出，當(dāng)極性相反時(shí)，在所測(cè)的20個(gè)數(shù)據(jù)中有4個(gè)是低電平，低電平所占比例為20%，根據(jù)該占空比判斷出極性是相反的。

圖6 極性相同所測(cè)數(shù)據(jù)

在實(shí)際電力系統(tǒng)中一般是將三個(gè)單相互感器按一定的連接方式連接在一起，連接方式如圖8所示。

在測(cè)試過程中通過在手持設(shè)備上的觸摸屏進(jìn)行檢測(cè)操作，分別測(cè)試A、B、C 三相，再分別將所測(cè)的數(shù)據(jù)傳給手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖見圖9，判斷出電壓互感器的二次側(cè)極性是否正確，方便觀測(cè)。

圖7 極性相反所測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 三相四星型電壓互感器一、二次接線

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

5 結(jié)束語

根據(jù)前面分析，通過以ARM11中央處理單元為核心的檢測(cè)系統(tǒng)，只需要在觸摸屏上就可以操作數(shù)據(jù)采集模塊、無線模塊、PWM波發(fā)生模塊，這樣可以更加方便，快捷的檢測(cè)出電壓互感器二次側(cè)的極性是否正確，更加的智能化。

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