基于低壓核相的臺區并網快速檢測裝置

國網紹興供電公司 傅力帥 陸曉東 章 琦 張毅磊 吳一飛 西安雙英科技股份有限公司 王海濱 高永峰

引 言

所謂低壓臺區并網就是將兩個低壓電力系統發生電氣連接實現功率交換的行為，這樣就可以把負荷高的線路上的一部分負荷調整到負荷低的線路上，使得用戶負荷處于均衡狀態。但在并網前需確認兩路電源系統的相序，確保兩路電源系統相序一致，因為相位或相序不同的電源系統并網后將產生很大的電流，導致電氣設備的損壞等重大的電力安全事故，以確保輸電線路相序與用戶三相負載所需求的極性和相序一致。但由于歷史原因，當時布線時沒考慮全面，用戶末端A、B、C三相相位分不清，開始時電工也是哪相方便接哪相，尤其是老舊小區線路比較亂，使得相位識別困難，進而很難調整，但又必須調整改造，并且國家電網公司為解決低電壓和線損大問題，專門對供電公司的電壓合格率作為一項指標進行考核，這就需要一種能夠識別A、B、C三相相位的儀器協助電工對低壓線路進行改造。

在電力系統中兩路電源基本是一個電源系統（圖1），使用萬用表分別測量電源1的A相與電源2的A、B、C三相線電壓差，若小于額定電壓的5%則為電源1的A相同相，三路依次測量可判斷出兩路電源的相序。上述方法在現場作業中需一人在電源1處一人在電源2處一人監護，共需三人才能完成。需要做3×2=6次測量，若兩處電源距離較遠需給萬用表配很長的延長線，存在一定的安全風險，同時兩人間需來回走動或大聲喊話影響別人工作，中途測量錯誤需要重新測量，相當繁瑣。因此研究一種適用于兩路電源一次性判斷三相電壓的極性和相序的方法就有很高的應用價值和實際意義。

1 基于低壓核相的臺區并網快速檢測研究與實施

1.1 進行前期分析與調研

為確保項目順利開展實施，對整個系統的功能要求、通信方式等進行了分析，提出了使用兩臺儀表分別作為主、從機測量兩路電源的三相電壓和電流的幅值和相位，主、從機相互讀取對方采集的數據，主、從機的CPU對讀取的兩路電源的三相電壓和電流的相位進行核相，可查看兩路電源的負荷情況，同時可根據兩路電源電壓的相位關系分析判斷兩路電源的電壓的相序和極性。為實現上述處理過程,主要對以下問題進行研究：對被測電源的電壓和相位需精確測量，精準、快速；主、從機之間采用RS485通信，穩定、可靠；對采集的兩路電源的三相電壓和電流的相位進行核相。

1.2 設計具體的設備方案

1.2.1 系統的設計及開發

系統采用兩臺儀表分別作為主、從機測量兩路電源的三相電壓和電流幅值和相位，主、從機使用相同的硬件。硬件設計的基本思路是將輸入信號進行取樣放大電路后送入MCU內部ADC進行采樣轉換，MCU對采樣結果加以分析和處理，再將處理好的數據通過TFT屏幕顯示出來，或將結果通過藍牙或USB傳送給其他設備。從圖2可看出整個儀表由兩個MCU同時工作，測量MCU主要負責信號采樣并對結果進行分析和處理，顯示MCU主要負責顯示處理后的結果和界面間的跳轉。主要電路模塊包括取樣放大電路、外部基準電路、充電電路、3.3V電源模塊、電源隔離模塊、脈沖輸入輸出模塊、觸摸電路、外部FLASH模塊、藍牙通信模塊、RS485通信模塊等。其中電源模塊具有自動關機控制電路，使得校驗儀在一段時間后可自動關機。為保證測量的精度，儀表使用了外部電壓基準電路輸出基準電壓供給ADC作為測量的參考電壓，外部FLASH用于存儲測量結果。主、從機間采用帶屏蔽RS485線通信，安全、距離遠、抗干擾能力強，主、從機既可單機工作用于用電檢查，又可雙機連接用于低壓核相。

單機工作下，用于用電檢查時主要有以下功能：主、從機具有6路輸入（3路電壓、3路電流），支持三相四線和三相三線接線方式；3.5寸高分辨率（320×480）真彩色TFT顯示，觸摸屏操作，可實時同屏顯示電壓和電流真有效值、相位、頻率、功率、功率因數等電參數，測量結果以向量圖、幅值、相位、一次等多種方式顯示；可實時顯示三相電壓、電流波形；具有電能質量分析功能，可顯示三相電壓、電流基波幅值、2～50次諧波含有率和柱狀圖；可計算顯示負載產生的諧波功率，計算諧波功率占比；可根據用戶不同負載類型實時進行三相三線制192種和三相四線2304種接線錯誤判定，可直接顯示功率表達式和錯誤接線圖，并進行追補電量計算；具有光電脈沖輸入輸出接口（兩個輸入，一個輸出），具備三相電能表誤差校驗和常數校核功能,支持主副表同時校準；具有RS485接口，可進行電能表抄表，讀取電能表內部測量結果，或用于主、從機RS485通信；具有紅外接口，可進行電能表抄表，讀取電能表內部測量結果；支持4G大容量TF卡存儲，可核相、存儲接線檢查、電表校驗和趨勢圖，數據方便導入Excel；可選配500A、1500A等電流鉗，測量CT變比；支持軟件校準，內部無硬件校準，穩定度好，年變差小；預留藍牙和USB接口，方便以后連接安卓手機，利用聯機APP擴充更多功能。

雙機連接用于低壓臺區核相時，主要功能如下：包括主機和從機，主、從機之間采用RS485通信，安全可靠；主、從機可以向量圖、功率和判別三種不同方式顯示主、從機的三相電壓和電流的幅值、相位和功率等電參數，通過三相電壓相位關系分析判斷主、從機電壓相序和極性。

1.2.2 實現方法和思路

單機工作時，在一個完整的測量周期內，單機對一路電源的三相電壓和電流的幅值、相位進行測量計算，并將三相電壓和電流真有效值、相位、頻率、功率、功率因數等電參數以向量圖、幅值、相位、諧波和波形等多種方式實時同屏顯示到顯示屏上，方便用戶不同的現場需求；雙機連接工作時，在一個完整的測量周期內主、從機分別同步對兩路電源的三相電壓和電流的幅值、相位進行測量計算，主、從機通過RS485通信線讀取對方的測量數據，主、從機的CPU對讀取的兩路電源的三相電壓和電流的相位進行核相，對兩路電源的三相電壓的相位分別進行比較，主機A相電壓作為基準分析判斷主、從機電壓相序。若某相的電壓相位在355°～5°范圍此相為A相電壓，若電壓相位在115°～125°范圍此相為B相電壓，電壓相位在235°～245°范圍此相為C相電壓。若主、從機的電壓相序一致則主、從機電壓同相，否則主、從機電壓不同相，從而可準確判斷兩路電源的三相電壓的相序和極性。同時由于主從機分別帶有電流測量，可對兩路電源的功率進行計算并將這些結果顯示到顯示屏上。

2 試驗與效果分析

2.1 儀表外觀及基本誤差

儀表外觀：充電和USB接口位于儀表頂部，為microUSB（通用安卓接口），可用于儀表充電；充電指示燈外接USB充電接入時會亮，充電時為紅色，充滿后變成綠色；電池電壓低時欠電紅色指示燈會亮；工作指示燈指示主機工作狀態，在測量和信過程中會閃爍；右側電源開關用以開機和復位；TF存儲卡位于儀表底部，不可開機狀態下插拔，應關機后操作；紅外發射器用于發射紅外抄表，紅外接收器用于接收紅外抄表信號；電流鉗切換開關，可用于切換使用的電流鉗（選配500A電流鉗時有）；主表脈沖輸入輸出用于電能校驗的電能脈沖輸入輸出，接主表；副表脈沖輸入輸出用于電能校驗的電能脈沖輸入輸出，接副表；RS485接口用于RS485抄表或用于主、從機RS485通信。

2.2 主要功能

單機模式下用于用電檢查時：在單機模式下以向量圖、幅值、相位、一次、諧波、波形等多種方式實時同屏顯示三相電壓和電流真有效值、相位、頻率、功率、功率因數等電參數，同時也可以對電表進行電能誤差校驗，該表功能強大可以滿足客戶現場的不同需求。

雙機連接用于低壓核相時：主、從機間采用20米長的RS485通信線，在較強的電磁干擾環境中可穩定可靠的通信，滿足兩路電源的測量距離需要。對相序和極性判斷100%正確。穩定、可靠，操作簡單，判別結果響應快速、結論直觀。

圖4中核相界面下有三個小界面，分別為向量圖、功率和判別。測量數據既可在主機查看也可在從機查看，向量圖界面以箭頭的形式分別顯示主、從機三相輸入的電壓、電流和相位角的幅值和相位關系；功率界面以表格方式分別顯示了主、從機三相輸入電壓、電流、相位角和功率等測量結果，可直觀顯示兩路電源現場的負荷情況；判別界面顯示主、從機電壓的相位，分析判斷主、從機電壓相序，在此界面可直觀看出主機電壓相序為A-C—B，從機電壓相序為A-C-B，主、從機電壓相序一致故主、從機電壓同相。

表1 幅值測量誤差

表2 頻率、相位測量誤差

表3 電能計量誤差