試論高壓電氣試驗設備及技術改進

朱珂弘

摘 要：高壓電器試驗門類較多，試驗設備較為復雜。選用用于測量冷備用設備狀態的頻率響應的測量設備進行技術改進，通過基于全志A20的雙核ARM7架構SCM的外圍硬件選型設計和內部軟件算法，對這次技術改進的具體細節進行分析。經過此次技術改進的設備，可以大幅度縮短測量時間，排除人工操作對測量結果的影響，實現高精度快速頻響曲線的測定。

關鍵詞：高壓電氣；試驗；設備；技術改進

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0027-02

高壓電氣設備試驗分為兩部分：一部分是安裝前的功能試驗，測試設備的絕緣和其他性能是否適應工程設計和安裝的要求；另一部分是檢修期間的狀態試驗，通過一定的激勵方法，得到設備的接地絕緣、相間絕緣和頻率響應等參數。本文將重點討論基于SCM頻率響應曲線的測定方法。

1 需求分析

高壓設備頻率響應曲線的X軸為頻率單位，表示輸入的激勵信號的頻率；Y軸也是頻率單位，表示系統返回的響應信號的頻率。一般情況下，我們使用頻率發生器對系統置入固定量激勵頻率，然后記錄頻率計測量的系統響應頻率。這個過程由于需要人工讀取相應的數據，所以往往為了獲得較精確的頻響曲線，需要多次測量和多次讀數，才可以進行計算機輔助繪制。而采用諧振頻率計進行測量的過程較長，且測量精度并不理想。

本文希望開發一個外掛系統，該系統通過與頻率發生器控制端連接，控制頻率發生的狀態，同時采用數字化方法，使用兩級電壓比較算法得出相應曲線的頻率。該方法測量較為迅速，往往可以在數秒時間內完成一個設備較為密集的頻響曲線的繪制。

2 硬件設計

首先，DG5102頻率發生器是以往常用的頻率發生器，該發生器可以發生任意波形、任意頻率的脈沖信號，而且支持外部控制線路輸入。本系統仍然采用該設備作為頻率發生設備。

其次，在頻率接收端不再使用全手動測量的UT621諧振式頻率測試儀或功能較為過剩的AT5005頻譜分析儀，而是采用嵌入式設備迅速測定頻率響應曲線。嵌入式設備主要包括信號捕捉電路部分和頻響信號計算部分。本文系統需要的不是固定頻率上的相應頻譜，而是要獲得不同激勵頻率下的等效響應頻率，而等效響應頻率應該在相同的測量方式和等效算法下得出，這樣才具有參考價值。

所以，我們設置了兩個獨立的電壓比較回路，回路使用電壓失調僅2 mV的LM339芯片，形成4個電壓比較等級，通過此比較方式形成一個4位數據，該4位數據經過SN74HC573NSR鎖存后，供中央處理器調用分析。同時，當高位電壓比較H1出現響應時，觸動一個控制事件，以確保CPU有中斷時間讀取該信號。而為了數據測量精度需要，本系統采用運行在800 MHz前端總線上的全志A20雙核ARM7核心板進行測量，該核心板除安卓基本程序外，不安裝其他軟件，所有數據采用AQLite進行管理。

內置1 GBROM、512 MBRAM、4 GBTFCardDRIVER都是通用開發板實現的，系統不再部署其他設備，3.4英寸的觸摸顯示屏及其控制器也使用通用開發板配套設備實現。

3 數據采集算法（DG）

采用簡化小波分析法，可以得到波峰和波谷的位置。因為采樣頻率達到800 MHz，而實際頻響測定曲線測定范圍為10 kHz～35 MHz，所以，如果將前一次信號在寄存器中寄存，在新信號進入后進行比較，往往會出現三種變化狀態：①接收信號=寄存信號（變化狀態E）；②接收信號>寄存信號（變化信號U）；③接收信號<寄存信號（變化信號D）。

當信號不為E時，使用標志變量在通用寄存器中存入狀態變化信號的預存狀態來找到拐點。存在四種拐點狀態：①持續上升信號（拐點狀態LU）；②持續下降信號（拐點狀態LD）；③上升信號起點（拐點狀態GU）；④下降信號起點（拐點狀態GD）。

基于硬件的小波判定算法如下：①規劃EDX和寄存器作為三段使用，因為EDX寄存器有32位的寬度，而本系統只需要一個4位的拐點狀態判定數據、一個4位的變化狀態狀態和一個8位的電壓信號寄存狀態。使用第一個字節（HEHDX）作為變化狀態寄存，第二個字節（HELDX）作為拐點狀態寄存，將8位數據作為整型數據直接寫入LEDX。②受到脈沖信號觸發，CPU讀取鎖存器信號后，將寄存器信號進行分割，再得到3個變量值。③對狀態信號進行一次判斷，對拐點信號進行一次判斷，刷新之前存儲的脈沖電平值。④讀出狀態信號變化時的時間戳，使用C語言中的ADO控件調用SQLite進行存儲。

4 數據分析算法（DD）

數據庫的記錄集結構為：時間戳作為索引變量，二進制的拐點變量使用8位二進制變量存儲。數據庫中僅寫入拐點變量為上升信號起點（拐點狀態GU）和下降信號起點（拐點狀態GD）的時間戳數據。數據分析算法如下：①構建判斷數列[L（i）]。②對數據庫中使用Step1每一個臨近的GU數據進行時間戳相減，得到時間間隔。對時間間隔求方差，存入L（1）。③對數據庫中使用Step2每一個臨近的GU數據進行時間戳相減，得到時間間隔。對時間間隔求方差，存入L（2）。④依照②—③循環，假設共測量M個時間周期，那么可以建立M/3個循環，測試L（i），i∈[0，M/3]個方差數據。⑤使用冒泡算法得到L（i），i∈[0，M/3]中的最小值；使用點兵算法得到該數據在L（i），i∈[0，M/3]中的映射指針Q.⑥根據映射指針Q做一個數列，數列內容為使用StepQ每一個臨近的GU數據進行時間戳相減，得到時間間隔，記為Q（i），i∈[0，M/Q]。對Q（i），i∈[0，M/Q]求算數平均值AVR[Q（i）]，i∈[0，M/Q]，該平均值即為該頻率激勵模式下的返回結果。

在以上算法中，也可以針對GD的時間戳進行同樣的運算，其計算結果應該是一致的，誤差率在0.3‰以下。之所以需要花費較多的CPU周期得到L（i），i∈[0，M/3]中的映射指針Q，是因為大部分頻響曲線都不是標準的正弦曲線，且曲線中帶有較多的雜波干擾，通過以上方式可以得到最穩定的波形周期。

5 其他算法

DG算法和DD算法是本系統的核心算法，但本系統還應該擁有其他的內容：①在完成一個特定頻率的測量后，應自動向頻率發生器索取下一個跳頻點的頻率支持；②本系統的4 GBTFCardDRIVER管理的使用開發板自帶的控件進行管理，管理主動權主要來自于SQLite對4 GBTFCardDRIVER的控制權；③本系統的顯示較為簡單，僅涉及一個進度條和一個軟件類型指示，便可完成整個測量階段的顯示。而結果采用位圖方式直接在屏幕上顯示，且在4 GBTFCardDRIVER的控件支持下在TF卡中存儲。參數設置采用兩種方式，快速設置方式在啟動菜單中體現，而用戶設置可通過腳本文件的方式實現。

6 結束語

本系統可以加快高壓設備電力系統頻率響應曲線試驗的進程，使大部分設備的高密度、高精度頻率響應曲線的測量放棄了手工測量的方式，直接使用高密集、高精度的系統對頻響曲線進行測繪。通過本系統，基本可以在15～20 s內完成超過50個測量點的高精度高壓電力設備頻率響應曲線的測繪。

參考文獻

[1]洪曄.高壓電機及開關電氣試驗自動化測試系統研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[2]趙東野.高壓電氣試驗設備與技術問題研究[J].科技致富向導，2014（12）.

〔編輯：李玨〕

Abstract： The high-voltage electrical test categories are more complicated test equipment. Selection of cold standby equipment used to measure the frequency response of the state of measuring equipment for technical improvements， selection of peripheral hardware-based design and internal software algorithms Gazetteer A20 dual core ARM7 architecture of SCM， on the details of the technical improvements were analyzed. After the technical improvement of equipment， can greatly shorten the measurement time， excluding the impact of manual operation on the measurement results， to achieve high accuracy and fast response measurement curve.

Key words： high voltage electrical； test； equipment； technical improvements