丁鵬程，吳澤霖，劉思辰

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局, 廣東 佛山 528000；2. 華中科技大學，武漢 430074)

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基于接地點識別的互感器二次接線校驗儀開發(fā)與應用

丁鵬程1，吳澤霖2，劉思辰2

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局, 廣東 佛山 528000；2. 華中科技大學，武漢 430074)

針對互感器二次回路接線校驗存在的問題，結合南方電網10 kV電能計量裝置典型設計，提出一種基于接地點識別二次回路極性的新方法，該方法通過在互感器的二次側施加高頻正弦波來檢測兩端對地電壓差別來判斷極性，并根據此方法開發(fā)了互感器二次回路接線校驗儀，分析該儀器的主要的硬件電路、軟件工作流程與主要算法。并通過實際應用證明該方法操作便捷、安全可靠，提高了電能計量裝置二次回路現場接線校驗效率和準確度。

電能計量；二次接線；接地點識別

電流互感器和電壓互感器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其二次回路極性是否正確、是否短路或者斷路，一方面關系到電力計量本身的準確性，另一方面會對電網或用戶造成巨大的經濟損失，極端情況下甚至會影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和人身安全[1]。

在10 kV電能計量裝置驗收中的裝表接電環(huán)節(jié)，裝表接電人員裝表前必須確認互感器二次側導線放線是否正確。通常使用直流法來檢驗互感器二次接線[2-3]。相關研究對校驗方法進行了改進，但大多數仍是采用直流法判斷極性[4-5]，也有采用交流法[5-6]或是基于脈沖電壓的測試極性方法[6-8]，以上方法都存在著操作便捷性或者適用范圍方面的問題。該文基于計量回路接地點位置明確的特點，提出一種判斷互感器極性的新方法，并研發(fā)了互感器二次回路接線校驗儀。該設備同時適用于電流互感器、電壓互感器，且可同時判斷二次側接線是否短路、斷路，大大提高了互感器二次回路接線校驗的效率。

1 10 kV電能計量裝置典型設計接線介紹

10 kV電能計量裝置典型設計接線如圖1所示。圖1中，U、V、W為三相母排，U410、U411為U相電流互感器二次出線，W410、W411為W相電流互感器二次出線，U630、V630、W630為互感器二次側U、V、W三相出線。其中，電流互感器側U411、W411端接地，電壓互感器V630端接地。一般情況下，U410、U411、W410、W411、U630、V630、W630這些二次線沿線槽從互感器二次接線端經互感器室到儀表室的電能表前。

圖1 10 kV電能計量裝置典型設計接線

實際接線中，U、V、W三相分別為黃綠紅三色，因為U410與U411以及W410與W411同色，在電能表前端容易錯接造成反極性，電壓互感器因為V/V型接法，U630與V630、V630與W630也有一定的幾率出現錯接。

2 互感器二次接線校驗儀的開發(fā)

2.1 基于接地點識別的二次接線校驗原理

從圖1可知，互感器二次側的U411、W411、V630端是接地的。在互感器一次側不通電的情況下，如果能在互感器的二次側檢測出接地的線端，就能有效驗證接線的正確性，如圖2所示。

(a) 互感器二次側正僅極性接線示意

(b) 極性校驗示意

但根據典型參數設計，電流互感器和電壓互感器直流電阻很小，處于毫歐級別,在工頻情況下二次側阻抗也是很小的值。正因為其阻值太小，那么直接用萬能表的歐姆檔測量A、B點與接地點的電阻是不易判斷那一端為接地點。

互感器二次側正反極性下有兩種不同接法，如圖2(a)所示。為了可靠的判斷出接地點，在互感器的二次繞組側通以高頻正弦波，實時檢側A、B點與接地點間的電位，則與接地端相聯(lián)的點電位一直處于低電位，而非接地點則有一定頻率和幅值正弦波輸出。這樣就可以判斷出那一端為接地點。

如圖2(b)所示，R為串聯(lián)回路的采樣電阻，U為產生高頻交流正弦波的激勵源。忽略互感器的直流電阻，在互感器二次側開路的情況下，對A、B電位進行簡化計算得到如下表達式;

UB=0

(1)

(2)

(3)

由公式(2)可知，為了更好的判斷極性，激勵源正弦波的頻率和幅值越大越好，得到的UA幅值接近于輸入電源電壓，這樣信號更容易檢測，但實際過程輸入頻率不宜過高，幅值也不宜過大。因為在互感器二次側開路的情況下，會在互感器的一次側感應出變比k倍的電壓，對測量人員產生安全隱患。同樣頻率過高，采樣電阻分壓電壓就很小，容易引起線路斷路狀態(tài)的誤判。實際應用中取值應根據實際互感器合理取值?；ジ衅鞫位芈方泳€狀態(tài)判據如表1所示。

表1 互感器二次回路接線狀態(tài)判據

測量量接線狀態(tài)I>0,UA=0,UB=U正極性I>0,UA=U,UB=0反極性I>0,UA=0,UB=0短路I=0,UA=0,UB=0斷路

2.2 硬件設計

基于上述二次回路校驗原理，二次回路校驗儀主要由主控制器、正弦波信號發(fā)生電路、信號采樣電路和人機交互等核心硬件電路組成。本設計中使用DSPTMS320F2812作為主控制芯片。其系統(tǒng)結構示意如圖3所示。

其中正弦波信號發(fā)生電路用于產生正負電壓對稱的高頻正弦波信號提供激勵源。其主要有數模轉換DA電路，用以產生高頻的正弦波，功率放大電路對產生的正弦波信號進行功率放大，使之具備一定的帶載能力。信號采樣電路是對A、B點對地電位和采樣電阻的電壓進行采樣，主控器DSP2812讀取采樣值并進行數據分析(FFT運算)，進而對互感二次回路接線的狀態(tài)進行判斷。人機交互電路則實現按鍵操作處理、LCD顯示等人機交互功能，方便儀器的操作與使用。

圖3 系統(tǒng)結構示意

2.2.1 電源模塊

考慮到二次接線校驗儀為便攜式設備，供電電源由一塊24 V ,2 000 mA鋰電池作為供電源，再將其轉換成系統(tǒng)所需要的電壓類型等級。

2.2.2 信號發(fā)生電路

信號發(fā)生電路由DA電路和功率放大電路組成。DA數模轉換芯片AD7538精度為14位建立時間只有1.5 ms，支持并聯(lián)總線輸入和雙電源輸出，滿足要求。其電路如圖4所示。

圖4 信號發(fā)生器DA電路

由于互感器的二次阻抗比較小，為了提高其帶載能力，需將所產生的正弦波進行功率放大。功率放大芯片選用 TI 公司的 OPA541，可連續(xù)輸出 5A 的大電流，峰值電流可達 10 A，且內部自帶保護電路。功率放大電路如圖5所示[9]。

2.2.3 信號采樣電路

信號采樣電路包括信號調理電路和采樣電路。調理電路中，A、B點的電壓信號經隔直電容后,再通過由運算放大器TL062構成電壓跟隨器送給AD,這樣是為了進一步提供帶載能力。而電流信號經高精度功率電阻轉化成電壓信號，再經過儀用放大器放大接入AD。

設計中采用ADI公司的AD7606-4模數轉換芯片，單電源5 V供電，卻支持±5 V或±10 V雙極性信號采樣。這樣可以大大簡化電源的設計。同時它支持4通道同時采樣，每個通道均能以高達 200KSPS 的速率進行采樣。

圖5 功率放大電路

但因為是對接地點的檢測，必須將采樣模塊的數字地和模擬地完全隔離開來，數字信號隔離由最高支持90 Mbps的數據傳輸速率的四通道雙向數字隔離器ADUM2401和 ADUM2402進行數字信號隔離。同樣需要對AD的供電電源進行隔離，隔離模塊采用5 V轉5 V的隔離模塊。這樣就保證測量的可靠性。其典型電路如圖6所示。

圖6 AD采樣電路

2.2.4 人機交互電路

為了方便測量結果的顯示，測量結果采用液晶顯示屏進行顯示，LCD 模塊選用金鵬OCMJ4X8C 型LCD1284單色液晶，自帶有字庫，操作指令精簡，接口方式靈活。用做人機交互界面大大節(jié)約開發(fā)成本。同時四路獨立按鍵進行輸入，以滿足測試、數據查看等要求。

2.3 軟件設計

軟件部分主要由以下幾個部分構成：初始化程序、正弦波波形發(fā)生程序、AD 數據采樣程序、數據計算及其運算判斷程序和人機交互程序。

2.3.1 正弦波產生

通過DA轉換芯片產生正弦波一般采用查表法。正弦波表是對一個周期的正弦波依次等間隔時間對其采樣而得到的數組。

根據AD7538的數據手冊，制作輸出正負電壓的128位的正弦波表函數如下,其中ceil表示取整函數。

Y=ceil(214/2-1)*sin(0:π·2/128：2·π)+213

(4)

通過DA轉換芯片對正弦表不同的等間隔輸出，就可以得到不同頻率的正弦波。對固定長度N的正弦波表其等間隔時間越短輸出的頻率越大，其值為1/N·Δt。那么用定時器定時通過DA轉換芯片依次輸出，就可以得到正弦波。

2.3.2 信號采樣

由于對正弦波信號進行采樣，需要得到它的幅值與頻率，根據香農采樣定理，采樣的頻率必須大于被采樣的頻率的2倍。為了實現判斷的準確性和快速，采樣的點數取為128個，AD7606的采樣頻率設為30 kHz。同樣AD7606 的采樣頻率由 DSP2812 的時間管理器EVA定時器1控制。AD7606采樣串行SPI通信模式進行通信，這樣需要的通信的信號線較少，只需要2塊隔離芯片即可。2.3.3 數據運算

數據運算程序主要是對AD采樣得到的數據進行處理，主要用到的是快速傅里葉變換算法(fft)?？焖俑道锶~變換算法是一種傅里葉變換的高效算法。從而可以將采樣的時域信號轉換為頻域信號，這樣可以得到采樣正弦波的基波的頻率和幅值。通過采樣的信號的基波的參數就可以判斷二次側互感器的接地情況，進而判斷互感器的極性和接線狀態(tài)。

2.3.4 LCD顯示和按鍵

由于DSP的總線被DA轉換芯片AD7538占用，所以采用DSP2812的I/O口模擬并行總線對LCD進行控制。8根獨立的GPIO口線代替8位并行總線，使能讀寫線也由GPIO口線模擬所要求的時序進行操作[9]。

3 互感器二次回路校驗儀應用情況

基于上述設計方案，研制出了樣機。

樣機為手持式終端，帶有三根出線，在測試時其中一根連接計量柜體的地線，另兩根連接互感器在計量表計前的兩根二次線，點擊測試按鈕，校驗儀輸出10 kHz的電流信號，流過互感器二次線圈，與地面構成回路。通過輸出點采樣電壓的比較，在屏幕上顯示出校驗結果。

佛山供電局計量中心運維班組在專變客戶計量裝置驗收過程中，多次利用該測試儀對安裝的10 kV計量用電流互感器及電壓互感器二次回路接線進行測試。試驗證明該方法能夠正確反映電流互感器，電壓互感器的極性、短路和斷路情況，實現了既定的目標。

4 結束語

通過基于接地點識別新方法的研究，研制了新型電能計量二次回路接線校驗儀。該技術方案改進了傳統(tǒng)電流互感器、電壓互感器二次側校驗的弊端，提高了二次回路校驗的準確性和速度，有效避免因極性錯誤導致電力事故發(fā)生和電量計量不準的情況，提升了現場工作效率。

[1] 黃 偉.電能計量技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 王春生.電路分析及磁路[M].重慶：重慶大學出版社, 1995.

[3] 王裕喜.電流互感器變比和極性的測試方法[J].云南水力發(fā)電,2008，24(06):99-101.

[4] 謝 冰,許 航,肖學權.電流互感器極性測試新方法的研究[J].中國高新技術企業(yè),2013(22):16-17.

[5] 鄭杰文.新型電流互感器極性測試裝置的研制[J].科技傳播,2013(1):49；46.

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

[7] 許 箴,朱 鵬,褚國偉,等.脈沖電壓在電壓互感器極性測試中的應用[J].高壓電器,2014(10):116-120.

[8] 歐傳剛,朱 鵬,褚國偉,等.基于ARM的電壓互感器極性檢測判別系統(tǒng)[J].電器與能效管理技術,2014(17):22-25.

[9] 丁鵬程.脈沖磁體阻抗的精密測量[D].華中科技大學,2012.

本文責任編輯：羅曉曉

Development and Application of Transformer Secondary Circuit Wiring Calibrators Based on Earthing Point Identification Method

Ding Pengchen1, Wu Zelin2, Liu Sichen2

(1. Foshan power supply Bureau of Guagdong Power Grid corporation, Foshan 528000, China； 2. Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China)

To check connection error in transformer secondary circuit, this paper introduces an original polar testing method based on the identifying earthing point theory applying to the typical design of the 10 kV electric energy metering device, which measures the terminal voltages of transformer secondary circuit driven by a high-frequency sinusoid wave. The hardware circuit diagrams, the software design diagrams, and the algorithms are illustrated in detail. Tests in-situ show that the calibrator is of accuracy and feasibility, providing a new solution to improve the efficiency of transformer secondary circuit wiring.

electric energy measurement;secondary circuit wiring;earthing point identification

2016-08-02

丁鵬程(1986-)，男，工程師，主要從事電能計量運維工作。

TM45

B

1001-9898(2016)05-0021-04