新型變壓器電流相位差測量方法與硬件實現(xiàn)

張可可，孫飛躍

（1.上海華東送變電工程有限公司，上海 201803；2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

變電站投運前，電力變壓器核相工作是監(jiān)測變電站能否投運的關(guān)鍵因素。電力變壓器相位的測量不同于傳統(tǒng)的電壓、電流信號或溫度的測量，首先相位差信號依附于電壓和電流信號中，需要考慮如何剔除電壓、電流以及頻率變化對相位差測量的影響。常用的相位差測量方法包括以下4種，一是用示波器測量，二是將相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔，測量時間間隔后轉(zhuǎn)換回相位差，三是將相位差轉(zhuǎn)換為電壓，先測量電壓后轉(zhuǎn)換回相位差，四是與標(biāo)準(zhǔn)移相器比較（零示法）[1,2]。以上方法雖然能滿足一般設(shè)備中相位差的測量，但是在測控領(lǐng)域某些大型設(shè)備如大型變壓器的相位差測量中會受到設(shè)備體積及環(huán)境布置的影響，導(dǎo)致測量的穩(wěn)定性受到影響，使得測量方式變得煩瑣復(fù)雜。

目前，隨著國內(nèi)外學(xué)者深入研究，已經(jīng)提出了很多相位檢測算法。文獻(xiàn)[3]提出了基于標(biāo)準(zhǔn)頻率下動態(tài)相量模型的泰勒加權(quán)最小二乘法，還提供了相量導(dǎo)數(shù)值，可以提高對電網(wǎng)動態(tài)狀況的監(jiān)測。文獻(xiàn)[4]分析了當(dāng)前相量測量裝置主要采用的基于頻率偏移的DFT修正算法，發(fā)現(xiàn)該算法在系統(tǒng)頻率偏離額定頻率很小的靜態(tài)條件下具有很高的精度，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如低頻振蕩、故障以及失步等動態(tài)變化過程時，算法的精度不夠。給出一種不僅能適應(yīng)于電力系統(tǒng)靜態(tài)條件也能適應(yīng)于動態(tài)變化過程的相量測量的新算法。文獻(xiàn)[5]提出了基于改進(jìn)DFT的同步相量測量方法，利用跟蹤所得頻率將DFT結(jié)果分為整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分，并通過等效替換對分?jǐn)?shù)部分進(jìn)行了修正。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于改進(jìn)擴(kuò)展卡爾曼濾波（Iterative Extended Kalman Filter，IEKF）頻率測量的修正離散傅里葉變換（DiscreteFourier Transform，DFT）相量及功率測量算法，分析了頻率發(fā)生偏移時非同步采樣下DFT的測量誤差，建立了相角、幅值以及頻率偏移量和初相角之間的函數(shù)關(guān)系式。由IEKF得到頻率偏移量，然后對DFT計算結(jié)果進(jìn)行修正即可得到輸入信號的真實相量和功率。文獻(xiàn)[7]針對輸電網(wǎng)中各種相量測量算法在精度、響應(yīng)時間以及實時性上不能有效兼顧的問題，提出一種適用于配電網(wǎng)的相量測量算法。在定間隔高頻采樣條件下，該算法運用動態(tài)校正因子的思想校正傳統(tǒng)DFT算法，解決了傳統(tǒng)算法在電力系統(tǒng)發(fā)生頻偏或動態(tài)條件下測量精度驟降的缺點，保證算法在精度、響應(yīng)時間以及實時性上同時滿足配電網(wǎng)的量測要求。

總體而言，這些電力系統(tǒng)中的相量檢測方法大多是基于同步技術(shù)的分布式測量方法，對通信的要求較高，如何省去通信模塊，開發(fā)出獨立性較強(qiáng)的相位檢測裝置以適應(yīng)電力施工的要求是當(dāng)前的研究熱點。本文面對電力系統(tǒng)中變壓器兩端電壓相位差的測量，提出了針對大型變壓器的基于時間基準(zhǔn)的新型相位差測量系統(tǒng)在以下兩方面具有重要意義。

一方面避免了復(fù)雜的接線，另一方面提升了測量過程中的安全性與可靠性。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的電壓相位差測量儀需要同時連接測量變壓器兩端。通常電力系統(tǒng)中高壓變壓器的高壓端和低壓端具有一定的距離，同時接線不僅操作復(fù)雜，而且還可能引發(fā)安全事故。而本項目中的新型相位差測量儀，通過獨立采集兩端的信號，避免了同時接線，也避免了測量過程中復(fù)雜的接線操作，在安全性上有了很大的提高。

綜上所述，該項目在研究分析電力系統(tǒng)中變壓器運行的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的變壓器電壓相位差測量儀，相對于傳統(tǒng)的相位測量儀，避免了復(fù)雜的接線操作，提高了測量過程中的安全性。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方法

本項目相位檢測儀外觀如圖1所示，硬件框架如圖2所示，共分為STM32主控板、電流有效值計算電路、過零比較電路、電流鉗、電壓互感器、測試夾、工控屏幕以及USB讀寫模塊8個部分。

圖1 相位檢測儀外觀效果圖

圖2 系統(tǒng)框架

其中，電流鉗用以采集電流信號，并將采集到的電流信號輸入到電流有效值計算電路中，由STM32主控板的AD采樣端口對電流有效值電路的輸出信號進(jìn)行采樣得到電流的有效值。測試夾用于測量電壓信號，與電壓互感器相連接。電壓互感器將電壓信號輸入到過零比較電路中，轉(zhuǎn)換為方波信號，由STM32主控板的輸入捕獲端口采集從而獲得相位信息。工控屏幕與STM32通過RS485串行接口相連接，用以顯示測量數(shù)據(jù)和操作變更測量選項。USB讀寫模塊與STM32通過USART同步串行接口相連接，用以保存測量數(shù)據(jù)報告至U盤。

1.1 核心處理器

選用ST公司的STM32F103ZE處理器，主頻高達(dá)168 MHz，內(nèi)部集成192+4 KB的SRAM，包括64-KB的CCM（內(nèi)核耦合存儲器）數(shù)據(jù)RAM。采用24 MHz外部高精度有源晶振為核心提供精準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)。考慮到本系統(tǒng)以時間為基準(zhǔn)需存儲的數(shù)據(jù)變量較大的原因，外部集成了一片IS62WV51216高速SRAM，含有1MB的外部內(nèi)存空間。該處理器3個12位ADC，多達(dá)24通道，A/D測量范圍為（0～3.6） V，用以采樣電壓電流的有效值計算電路電壓信號。此外，該處理器含有多達(dá)17個定時器，12個16位定時器和2個頻率高達(dá)168 MHz的32位定時器，每個定時器都帶有4個輸入捕獲/輸出比較/PWM，為電壓電流信號過零捕獲提供了可靠的實現(xiàn)基礎(chǔ)。同時豐富的通信接口也為人機(jī)交互屏幕和USB讀寫提供了方便。

1.2 電壓有效值檢測電路

當(dāng)今世界上電路集成的研究十分迅速，這幾年呈現(xiàn)各種交變電壓電流真有效值A(chǔ)D轉(zhuǎn)換器，其中AD637轉(zhuǎn)換器在實驗中十分常見。AD637的準(zhǔn)確度、靈敏性、測量速率、頻率特性、電源范圍以及功能消耗都滿足實驗設(shè)計要求，用它來測量正弦波電流的誤差不會超越±1.5%。

通過電壓測試夾夾取P1柜中電壓測試端子的相電壓，經(jīng)過125 kΩ的限流電阻進(jìn)入到ZMPT107電壓互感器，輸出端產(chǎn)生電流信號經(jīng)過500 Ω的采樣電阻產(chǎn)生一個較小的與原始電壓同頻同相的電壓信號，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中，Uin為輸入電壓；Uout為輸出電壓；R為采樣電阻；R′為限流電阻。電壓采樣互感隔離電路的原理如圖3所示。其中限流電阻和采樣電阻均采用0.01%誤差高精度無感電阻。

圖3 電壓采樣互感隔離電路

接著由AD637模塊進(jìn)行電壓有效值的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為：

如圖4所示，最終得到一個穩(wěn)定的直流電壓，由核心處理器AD采樣經(jīng)過換算后即為實際的交流電壓有效值。

圖4 有效值計算電路

1.3 電流過零檢測電路

電流過零比較電路的合理設(shè)計是獲得準(zhǔn)確電流相位差的前提，電流過零比較電路包含互感電路及電流過零比較器兩個部分[8]。其中，互感電路是通過鉗型電流互感器實現(xiàn)，電流互感器的作用是隔離高電壓，將電壓轉(zhuǎn)換到電流過零比較器可以承受的范圍。使用鉗型電流互感器夾取CT柜中的電流測試引線，在互感器二次側(cè)產(chǎn)生一個較小的電流，通過1 kΩ高精度采樣電阻得到的電壓值分別送入電流有效值轉(zhuǎn)換電路和由UA741構(gòu)成的過零比較器，原理如圖5所示。

圖5 有效值計算電路

過零檢測技術(shù)是指利用電路準(zhǔn)確檢測并指示出信號過零點所處的位置。通常將正弦信號與水平軸的交點作為信號的過零點，正弦信號周期內(nèi)有2個過零點，信號從負(fù)值通過零點到達(dá)正值稱為正向過零，對應(yīng)的過零時刻稱為正向過零點，信號從正到負(fù)的過零點稱為負(fù)向過零點，對應(yīng)的過零時刻稱為負(fù)向過零點[9,10]。因此UA741輸出的是與原始電流信號同周期的方波信號，該方波信號由核心處理器的輸入捕獲端口采樣，得到每個上升沿的時間點，用以相位計算。

2 系統(tǒng)軟件算法

過零檢測法測量相位差是通過檢測兩個同頻信號過零點的時刻，并根據(jù)所檢測出的時間差值計算出電壓的相位差。測量變壓器一次側(cè)某相電壓的電壓值，同時將一次側(cè)電壓信號通過過零比較器輸出，得到一次側(cè)電壓脈沖信號。檢測一次側(cè)電壓脈沖信號由低電平到高電平的第一個時間點，作為數(shù)字信號處理器內(nèi)部時鐘的起始計時點，開始計時。

測量變壓器二次側(cè)相同相電壓的電壓值，同時將二次側(cè)電壓信號通過過零比較器輸出，得到二次側(cè)電壓脈沖信號。檢測二次側(cè)電壓脈沖信號由低電平到高電平的第一個時間點，作為數(shù)字信號處理器內(nèi)部時鐘的截止計時點，截止計時。得到兩次測量的時間差，提供電壓的頻率，取T/(1/f)的余數(shù)c，電壓相位差的計算公式為：

式中，φ為變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓相位差。

本系統(tǒng)相位差的測量過程如下，在組態(tài)顯示屏中選取變壓器的接線方式，將測壓的紅色表筆連接電網(wǎng)一次側(cè)的A、B、C三相中的任意一相，黑色表筆連接中線，測量儀顯示屏中顯示一次側(cè)電壓數(shù)值，按下測量儀的保存按鈕保存電壓數(shù)據(jù)。將鉗式電流互感器A、B、C分別鉗住變壓器一次側(cè)的A、B、C三相，按下測量儀的測量按鈕，測試儀顯示屏提示用戶是否開始測量。用戶按下確認(rèn)按鈕后，測量儀顯示屏中顯示一次側(cè)電流有效值，同時主控系統(tǒng)開啟輸入捕獲以及定時器，開始捕獲正弦電流信號的零點，記錄信號的過零點時間，當(dāng)達(dá)到要求的記錄次數(shù)后關(guān)閉輸入捕獲并在顯示屏中提示測量完成，按下測量儀的保存按鈕保存電流數(shù)據(jù)。將測壓的紅色表筆連接電網(wǎng)二次側(cè)的A、B、C三相中的任意一相，黑色表筆連接中線，測量儀顯示屏中顯示二次側(cè)電壓數(shù)值，按下測量儀的保存按鈕保存電壓數(shù)據(jù)。將鉗式電流互感器A、B、C分別鉗住變壓器二次側(cè)的A、B、C三相，按下測量儀的測量按鈕，測試儀顯示屏提示用戶是否開始測量。用戶按下確認(rèn)按鈕后，測量儀顯示屏中顯示二次側(cè)電流有效值，同時主控系統(tǒng)開啟輸入捕獲，開始捕獲正弦電流信號的零點，記錄信號的過零點時間，當(dāng)達(dá)到要求的記錄次數(shù)后關(guān)閉輸入捕獲并在顯示屏中提示測量完成，按下測量儀的保存按鈕保存電流數(shù)據(jù)。用戶按下相位計算按鈕，系統(tǒng)將開始比對一次測二次測電流信號過零點的時間節(jié)點并計算變壓器兩側(cè)的相位差，然后插入U盤，測量儀顯示屏中提示是否生成報告，按下測量儀的確認(rèn)按鈕即可生成測量報告。算法流程如圖6所示。

圖6 算法流程圖

3 實驗驗證

為驗證本文提出方法的有效性，制作了一個相位檢測儀原型樣機(jī)，并通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生不同相位差的正弦信號以進(jìn)行測試。選用0°、±90°以及±180°共5組相位差分別進(jìn)行5組測試，一二次側(cè)測量時間間隔為5 min，測試結(jié)果如表1。

表1 相位檢測結(jié)果

由相位檢測實驗結(jié)果可以看出，本相位檢測儀原型樣機(jī)可以實現(xiàn)以時間為基準(zhǔn)的相位檢測，誤差基本上可以控制到與市面上已有核相儀相當(dāng)?shù)乃健?/p>

再次通過實驗測試了電壓和電流有效值的檢測。電壓有效值的檢測主要通過220 V市電的檢測進(jìn)行，其真實值由萬用表測得，電流有效值的檢測通過220 V市電下接入一個或兩個275 W的燈泡進(jìn)行。測試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 電壓有效值檢測結(jié)果

表3 電流有效值檢測結(jié)果

試驗結(jié)果表明，本相位檢測儀原型樣機(jī)可以實現(xiàn)基本的相位、電壓有效值以及電流有效值的檢測功能，并具有較高的檢測精度。

4 結(jié) 論

本文的研究成果主要適用于電力系統(tǒng)中變壓器兩端電壓相位差的測量，具體表現(xiàn)為在測量電力系統(tǒng)中變壓器兩端的電壓相位差過程中，操作人員只需單獨測量兩端變壓器對應(yīng)相的電流與電壓，通過設(shè)備內(nèi)部的運算，就可以得到一、二次側(cè)的電壓與電流有效值及兩側(cè)電流的相位差。本文的實驗驗證部分證明了所提方法的可行性，隨著該方法的落實與推廣，今后可以為操作人員提供更為簡單便攜的測量設(shè)備，避免復(fù)雜的接線操作，保證操作測量人員的人身安全。此外，在電網(wǎng)升級改造的背景下，本項目與電網(wǎng)安全運行發(fā)展目標(biāo)相一致，其研究成果可應(yīng)用于供配電公司等部門，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、示范效益以及社會效益。