戚大為 王成斌 張 強(qiáng) 劉 永 馬永春

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司 2.南京廣創(chuàng)科技有限公司）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，三相電壓的相位是十分重要的，必須要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，如果三相電壓的相位存在較大差異或者進(jìn)行三相并網(wǎng)作業(yè)時(shí)相序不對(duì)應(yīng)，則會(huì)造成嚴(yán)重的電力事故［1-2］。因此在進(jìn)行變電站新建、電力線路改造、電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，必須要進(jìn)行核相，以確定三相電壓的相位和相序。

在實(shí)際的電力作業(yè)中，先進(jìn)行定相，以判定一次側(cè)電氣設(shè)備和二次側(cè)電氣設(shè)備的三相電壓相序是否一致；然后再進(jìn)行核相，以判定一次側(cè)三相電壓相序和二次側(cè)三相電壓相序的一一對(duì)應(yīng)情況［3］。二次核相專門針對(duì)采用PT降壓后的三相電壓或者較低的三相電壓。

1 相位檢測(cè)方法

過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻法檢測(cè)原理如圖1所示，對(duì)兩個(gè)電壓上升沿或者下降沿的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，將提取的過(guò)零時(shí)刻值轉(zhuǎn)化為兩個(gè)電壓的相位差，即：

圖1 過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻法檢測(cè)原理

其中，t1和t2為兩個(gè)電壓信號(hào)的上升沿過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻；T為電壓信號(hào)的周期值。

由于電網(wǎng)本身質(zhì)量并不是很好，并且諧波和噪聲含量較高，這就會(huì)影響相位檢測(cè)的結(jié)果，可以采用濾波器進(jìn)行濾波處理，剔除電壓中的諧波和噪聲，并將正弦波信號(hào)變換成方波信號(hào)，只要計(jì)算出脈沖信號(hào)的時(shí)間差值，便可得到相位信號(hào)的差值，波形變換法檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 波形變換法檢測(cè)原理

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

北斗系統(tǒng)主要包括了三大部分，即空間段、地面段、用戶段。空間段包括了靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星；地面段包括了主控站、監(jiān)控站等；用戶段包括了北斗用戶終端和與北斗系統(tǒng)相兼容的用戶終端。北斗系統(tǒng)能夠提供定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)，通信服務(wù)支持短報(bào)文系統(tǒng)［4-5］。短報(bào)文系統(tǒng)支持用戶通過(guò)手持設(shè)備與地面主站進(jìn)行雙向報(bào)文通信。

3 核相裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分

3.1.1 射頻模塊

射頻模塊分為兩部分，分別配置在高壓檢測(cè)探頭和手持設(shè)備上，高壓檢測(cè)探頭會(huì)將采集到的網(wǎng)壓相位、電池電壓、網(wǎng)壓幅值等數(shù)據(jù)通過(guò)射頻模塊發(fā)送出去，由手持設(shè)備接收［6］。成對(duì)的高壓檢測(cè)探頭工作在相同的頻段，基于不同的地址編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓檢測(cè)探頭傳輸數(shù)據(jù)的區(qū)分，在手持設(shè)備端通過(guò)地址辨識(shí)機(jī)制來(lái)固定地址傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

手持設(shè)備和高壓檢測(cè)探頭的射頻模塊采用美國(guó)TI公司的射頻芯片CC1101，該芯片適用于短距離射頻通信，供電范圍寬、功耗低，通過(guò)寄存器配置進(jìn)行射頻輸出頻率的調(diào)整，通過(guò)SPI接口和內(nèi)部FIFO對(duì)射頻芯片進(jìn)行控制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，先通過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大處理，再進(jìn)行積分、相位變換、降壓等處理后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量；在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)寫入到寄存器，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，最后完成調(diào)制通過(guò)功率放大器發(fā)送［7］。射頻芯片CC1101的引腳定義見(jiàn)下表。

表 射頻芯片CC1101引腳定義

射頻芯片CC1101的外圍部分主要由供電單元、晶體振蕩器、偏置電阻、天線等幾個(gè)部分組成。CC1101芯片的射頻接口由RF＿N和RF＿P組成，屬于平衡型結(jié)構(gòu)，由于布線方面的限制，只能選用單極性方式的天線，可以基于巴倫模型進(jìn)行平衡傳輸?shù)椒瞧胶鈧鬏斈Ｊ降淖儞Q，進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制。巴倫模型的作用是將一對(duì)幅值相同、相位相反的信號(hào)變換為單端信號(hào)，或者將一個(gè)單端信號(hào)變換為一對(duì)幅值相同、相位相反的信號(hào)［8］。

射頻放大器的效率和線性度兩個(gè)指標(biāo)是存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的。效率定義為射頻輸出功率和電源輸入功率的比值。在輸出信號(hào)的功率較低情況下，射頻放大器的增益維持在穩(wěn)定狀態(tài)，能夠保證輸入與輸出之間的比值維持在定值，但是當(dāng)輸出信號(hào)的功率逐漸增大的情況下，射頻放大器的增益會(huì)趨于飽和狀態(tài)，輸入與輸出之間由線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性狀態(tài)，提高輸出信號(hào)功率的代價(jià)是犧牲線性度，這時(shí)需要在射頻信號(hào)的輸出端對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波［9］。

3.1.2 相位檢測(cè)探頭

相位檢測(cè)探頭的核心處理器選擇美國(guó)TI公司的射頻芯片CC430F5137，該芯片供電范圍較寬，具有一種普通工作模式和五種低功耗工作模式，可以根據(jù)實(shí)際需求自行選擇。相位檢測(cè)探頭的任務(wù)是檢測(cè)電網(wǎng)相位，并將電網(wǎng)相位數(shù)據(jù)、電壓幅值數(shù)據(jù)、供電電池電量等通過(guò)射頻模塊發(fā)送到手持設(shè)備。該相位檢測(cè)探頭能夠檢測(cè)的電壓等級(jí)分為12V～10kV和10kV～35kV兩種。

3.1.3 手持設(shè)備

手持設(shè)備由北斗定位模塊、GPRS通信模塊、語(yǔ)音交互模塊、LCD模塊等組成。其主控芯片選用Atmel公司的SAM7X512，該芯片的核心處理器ARM7TDMI的主頻能夠達(dá)到55MHz，基于該主控芯片的最小系統(tǒng)包括了通用數(shù)字量輸入輸出、外部晶體振蕩器、鎖相環(huán)供電電路、濾波器電路、FLASH外部電路、JTAG外部電路等。為了實(shí)現(xiàn)相位核準(zhǔn)功能，北斗定位模塊需要能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星授時(shí)功能，為電網(wǎng)相位的測(cè)量功能提供時(shí)間基準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)備尺寸和功耗要求，選擇UM220-IIIN芯片作為北斗定位授時(shí)芯片，該芯片具備冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式，UM220-IIIN芯片將秒脈沖信號(hào)通過(guò)數(shù)字量接口傳輸至主控芯片進(jìn)行衛(wèi)星授時(shí)操作，其串口與主控芯片的串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［10］。GPRS通信模塊采用華為公司的EM310模塊，該模塊工作電壓范圍寬，能夠工作在GSM900和GSM1800兩個(gè)頻率段。手持設(shè)備還能夠進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，語(yǔ)音交互模塊選用佳強(qiáng)電子的JQ6500模塊，該模塊集成有主控芯片和專門的音頻解碼DSP。為了保證功耗要求，選用深圳科飛研公司的LCD模塊，其型號(hào)為COG240160C，能夠通過(guò)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的灰度進(jìn)行設(shè)置來(lái)顯示文字或者圖片。

3.2 核相方法

當(dāng)兩個(gè)相位檢測(cè)探頭檢測(cè)到起始幀后，內(nèi)部定時(shí)器從接收起始幀到電網(wǎng)電壓第一個(gè)上升沿后觸發(fā)工作。發(fā)送起始幀后200ms再發(fā)送輪詢幀，相位檢測(cè)探頭接收到輪詢幀后再將檢測(cè)到的上升沿時(shí)間通過(guò)返回幀發(fā)送到手持設(shè)備，手持設(shè)備將接收到的兩個(gè)相位檢測(cè)探頭的返回幀的時(shí)間轉(zhuǎn)換為角度，如果一定時(shí)間內(nèi)未接收到返回幀，則認(rèn)定缺項(xiàng)。

4 相位檢測(cè)探頭功能測(cè)試

相位檢測(cè)探頭的功能測(cè)試主要包括如下兩方面：無(wú)線通信穩(wěn)定性測(cè)試、相位檢測(cè)精度測(cè)試［11-12］。

無(wú)線通信穩(wěn)定性測(cè)試：由于相位檢測(cè)探頭處于高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射的環(huán)境中，會(huì)對(duì)射頻通信產(chǎn)生一定程度的干擾，通過(guò)相位檢測(cè)探頭的LED指示燈來(lái)判定無(wú)線通信的穩(wěn)定性，LED1用于顯示電源狀態(tài)（常亮），LED2用于顯示通信狀態(tài)（周期1s閃爍），測(cè)試發(fā)現(xiàn)LED指示燈顯示均正常。

相位檢測(cè)精度測(cè)試：測(cè)試發(fā)現(xiàn)相位差為20°，完全不滿足系統(tǒng)精度要求，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)是濾波電容的精度值較低導(dǎo)致電容值不準(zhǔn)確，在濾波時(shí)導(dǎo)致波形出現(xiàn)了延遲，從而導(dǎo)致相位差較大，因此對(duì)濾波電容精度進(jìn)行調(diào)整。濾波電容的精度由5%調(diào)整為0.1%后相位差為2°，滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)正在大規(guī)模建設(shè)智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)對(duì)于變電站的改造、電網(wǎng)容量的升級(jí)、發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)都提出了更高的要求，電網(wǎng)的相位核準(zhǔn)是一項(xiàng)重要的工作。本文基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的同步時(shí)鐘體系，采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)工頻的正弦波電壓進(jìn)行相位核準(zhǔn)，以判斷輸電線路的實(shí)際相位與基準(zhǔn)相位的偏差，從而采取有效措施進(jìn)行處理。核相裝置在硬件選型上普遍選用了低功耗芯片，具有較低的功率消耗。經(jīng)過(guò)功能測(cè)試，相位檢測(cè)探頭具有較高的測(cè)試精度和較穩(wěn)定的通信效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以進(jìn)行普遍的推廣應(yīng)用。