新型電力線路電壓相角測試系統的設計與研制

湯旭慧

摘 要： 系統用于對50 Hz交流電從A地經數十千米（甚至數百千米）輸電線路輸送到B地后產生的電壓相角（或相位移）的在線測量。包括兩個功能完全相同的測試裝置：A號機和B號機，兩機在同步時鐘控制下進行數據采集，各記錄5 min左右數據后，分別將數據導入PC機，通過NI/CVI LabVIEW開發平臺進行分析處理、計算并顯示輸出結果實現對電壓相角的及時監控，為電力系統穩定、安全運行提供有力保障。

關鍵字： 電壓相角； 對稱計數； 同步補償； 數據采集

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0132?05

Design and development of voltage phase angle test system for new type power line

TANG Xu?hui

（School of Electronic and Communication Engineering， Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518005， China）

Abstract： The system is suitable for the online measurement of voltage phase （or phase shift） generated by 50Hz AC after tens of kilometers even hundreds of kilometers transmission line. The system includes two identical testing devices of A and B. The two devices collected the data under the control of synchronous clock， and the data is sent to PC after each 5 minutes. The timely monitoring of the voltage phase is realized by analysis and process， computing and display the output result through NI/CVI LabVIEW development platform， which provided a powerful support for the power system stability and safe operation.

Keywords： voltage phase； symmetric count； synchroballistic； data collection

0 引 言

近年來，隨著電力系統規模不斷擴大，大容量、超高壓、遠距離輸電日益增多，系統結構日趨復雜；電力系統穩定性的監控和保障需求日趨迫切。就近些年我國部分地區遭受罕見冰災，導致輸電線路受損、甚至停運的災情來看，有效監控電力系統穩定性的技術研究對突發災情的預防和抗災尤其重要。

從電力系統的穩定性分析與系統控制來看，相角（或相位移）是反映系統穩定性的最主要的狀態量，而其中電壓相角的大小直接反映了電力系統靜態穩定和暫態穩定的狀況。如果相角能夠被準確測量，一方面調度監控系統能通過監控電壓相角變化，及時發出調度命令；另一方面自動調節裝置能根據相角的變化控制發電機的功角，自動安全裝置可以采取緊急控制措施，如切機、甩負荷等，使系統受到的損害最小。這樣，相角這個狀態變量不僅能用于調度中心的集中監控，也能用于分散的就地監控以解決系統的穩定性問題。因此，研究電力系統精確的相角測量技術，為電力系統的穩定控制和保護具有重要意義。

1 相角測量技術的國內外研究概況

由于電壓相角的測量對電力系統具有重要意義，很早人們就開始探索各種測量電壓相角的方法。

早期的方法是將電網上送端的交流電壓波形通過專用通道傳送到受端處，并和受端處的電壓波形相比較、從而得出兩端的電壓相角。由于這種方法在異地通信傳輸上有很大的延時，造成測量精度不能滿足要求。

另一種方法是在電網上對兩點的電壓相位進行同步采樣，將兩個采樣點的相位轉換值分別通過遠程通道送到調度中心，經波形恢復、數據分析比較而求得相角。這種方法要求異地兩個時鐘必須有較高的同步精度。由于電壓相角測量的是相距遙遠的兩端點電壓之間的相位差，兩端采樣所使用的標準時鐘是有一定的誤差的，故測量的同步性以及信息在通信傳輸上（從送、受端某一端傳送到調度控制中心）的不等延時均會引起所測電壓相角的誤差。可以算出：對于50 Hz工頻量而言，1 ms的同步誤差即可產生18°的相位誤差。要保證相位誤差小于1°，就必須要求同步誤差不超過55 μs。所以，相角測量技術的關鍵在于如何實現高精度同步的測量。

隨著全球定位系統（GPS）的迅速出現，為研究電力系統電壓相角的測量技術提供了一種新的手段。對于在電網任意兩點上的采樣裝置而言，GPS系統提供的精確時間作為一個共同時間基準。利用GPS定時進行電壓相角測量的基本思路為：在送端和受端利用各GPS接收機產生的脈沖同步信號（如1 PPS），測出脈沖上升沿和50 Hz發電機電勢及母線電壓波形上升時過零點之間的時間，則電壓相角所對應的實際時間為：

[t3=t2-t1±Δt]

其中，[Δt]為異地兩端的同步誤差；[t1]和[t2]為在異地兩端分別測得的時間。

經編碼與測量時的時間一起，通過通信傳遞到同一個地方，如調度中心進行計算得到電壓相角值。采用“共視法”實現GPS時間信號的傳遞進行電壓相角測量的方案，如圖1所示。

圖1 采用“共視法”實現GPS時間信號的傳遞

進行電壓相角測量的方案

這里所謂的“共視法”是指：在兩個觀測站或多個觀測站各設一臺GPS接收機，并同步觀測同一顆衛星來測定兩用戶時鐘的相對偏差。利用GPS“共視法”進行時間信號的傳遞，常常會受到如下因素的影響而產生誤差：衛星時鐘相對GPS系統時的偏差（簡稱衛星鐘差）、接收機時鐘與系統時的偏差、衛星的軌道誤差、相對論效應、大氣層效應、電離層效應、對流層延遲、接收機跟蹤環誤差、多徑與遮擋效應、衛星與接收機硬件偏差等等。雖然，“共視法”就是利用“對稱”的方法實現了消除衛星鐘差的影響，同時明顯減弱衛星的軌道誤差以及大氣效應折射誤差的影響，但是其他因素的影響仍然存在，理論上所得相對鐘差可達數十個ns。但在實際工程應用中，據業界報道，現今利用上述方案對進行電壓相角測試精度最高雖能達到1°的要求，但由于上述影響測試精度的因素很多，任何環節出現問題都會造成較大的測量誤差而不能滿足預定要求，導致工程成本非?？捎^（達上千萬元）；而且此測試方案只應用于220 kV以上的電網中進行粗密度測量，應用范圍有限。

2 基于“對稱計數與同步補償”思路的電壓相角

測試系統的設計

鑒于上述情況，投入研發新型的電力線路電壓相角測試儀。旨在研究一種經濟、科學、實用的測量方法，實現對電壓相角參數測試技術的補充，著重解決GPS技術存在的不足：如何降低測試成本；嘗試應用于220 kV以下的電網中進行對電壓相角的精密度測量。

這里提出了一種基于“對稱計數與同步補償”的思路，以實現異地高精度同步采樣實現電壓相角的測量。即A、B裝置經在同一地進行同步清零后，分別在A、B地同時進行“對稱計數”，通過鎖定和分析計數歷時時間來確認同步采樣的起始時刻，配合準確測定計數時鐘系統誤差與一致性誤差等因素，實現科學的“同步補償”從而達到高精度同步采樣電壓波形的目的；得到的采集數據利用NI/CVI LabVIEW開發平臺等高技術手段，實現了電壓相角的自動測量、分析、顯示等多種功能。此系統的具體設計思路可闡述如下。

2.1 基于“對稱計數與同步補償”的思路實現異地高精度同步工作

這部分也就是要重點解決的技術關鍵問題和創新點。如圖2所示，具體實現步驟如下：

2.1.1 測定時鐘源的系統誤差和一致性誤差

本系統包括功能相同的兩個測試裝置A號機和B號機，擬定它們均使用同型號同批次的高穩定度、高精度恒溫晶振20 MHz作為時鐘源。通過科學實驗、分析研究影響時鐘穩定度、一致性偏差的因素，建立合理的誤差數學模型，以確保及時對同步時鐘進行誤差補償。

2.1.2 A、B機在同一地進行統一同步清零并啟動“對稱計數”

在同一地同一時刻，使用同一同步脈沖對A、B機統一進行同步清零。注意：這個同步是絕對的同步。從此刻開始，兩機分別對各自的時鐘進行累計計數。假設A機就放置在A站準備進行數據采樣，而B機將長途運送到B站。

2.1.3 “對稱計數”狀態下A、B機進行同步采樣

此時，A機和B機都已經分別在A站和B站準備就緒，只等待采樣命令的發出。當分處異地的兩機上的“采樣開始鍵”按下后，A、B機將“同時”開始進行數據采集。注意：實際上A、B機上的按鍵不可能同時按下。如何解決這個問題？由于A、B機在絕對同步之后一直都處于累計計數的狀態——即“對稱計數”狀態，注意：最長計數時間為12 h，應能滿足實際測量需要。當“采樣開始鍵”按下的瞬間，A、B機將此時的歷時時間計數值鎖存（注意A、B機仍然還處于計數狀態），這樣A、B機就將自絕對同步清零操作開始至“采樣開始鍵”按下止的歷時時間數據記錄下來并送入各自的微處理器，這個數據也就是A、B機各自數據采集開始的準確時間。

圖2 基于“對稱計數與同步補償”的思路

實現異地高精度同步工作過程

2.1.4 “同步補償”實現高精度同步

當A，B機經歷了5 min的數據采集和存儲后，可以將存儲的數據上傳入PC機上的NI/CVI開發平臺進行分析。根據被記錄的歷時時間數據，經過歷時時間分析比較，并配合時鐘源的系統誤差和一致性誤差進行“同步補償”，找到A、B機在絕對同一時間段的有效采樣數據段，然后再進行分析和波形恢復，從而計算出電壓相角參數。

2.2 新型電力線路電壓相角測試系統的具體實現原理

本測試系統由上位機系統和電壓相角測試系統兩部分構成，兩者通過串行通信接口實現數據傳輸。電壓相角測試系統將從兩地采集到的數據分別上傳到上位PC機，通過NI/CVI內置強大的測試分析和顯示功能進行科學地分析、處理，經過有效計算結果實現同一時間段的數據的準確對齊并實現波形恢復，從而計算相角參數。

電壓相角測試系統則主要由如圖3所示的六個模塊構成：CPU處理單元ATMEGA128L、鍵盤輸入控制模塊、液晶顯示模塊、計數單元、高速采樣模塊及存儲單元構成。

其中，系統采用具有12 位精度、內置6通道采樣/保持放大器、雙極性輸入的A/D轉換器——ADS7864，在高精度同步時鐘的控制下，實現采集電力線路的電壓波形數據。

系統采用AT45DB321D 4M FLASH存儲器實現在一個采樣脈沖周期內完成一次數據的采樣和科學存儲，以完成實時性較高的數據存儲任務（注意總采樣時間為5 min左右）。

系統的計數單元由時鐘源、異步二進制計數模塊、歷時時間鎖存模塊及串并轉換模塊構成。此單元確保計算出A、B裝置各自數據采集開始的準確時間、并且輸出采樣脈沖支持高速采樣。計數單元還具有一清零輸入端口，該清零輸入端口可輸入同步脈沖，從而進行同步清零。

圖3 電力線路電壓相角測試裝置設計框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統具體實現原理框圖進行了各個模塊的電路設計制作與調試，具體包含：ATMEGA128單片機開發系統模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調理模塊、A/D轉換模塊、FLASH接口模塊、計數鎖存與上傳系統模塊、計數清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設計調試之后，進行了上位機基于LabVIEW軟件的數據通信、界面顯示與控制、數據分析、波形恢復、同步補償與計算等功能軟件的設計，并進行系統聯調與測試。

3.1 定制晶振的系統誤差測試

采用東莞市大普通信技術有限公司定制生產的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進行測試實驗。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細原理框圖

按照如圖5所示設計方案設計硬件電路，完成制板和硬件調試。在這個實驗平臺下進行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設置每連續5 min、10 min和20 min三種時間段計數后進行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計數一致性誤差。

（2） 設置每連續1 h計數后再進行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數據，測試其誤差累積結果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續計數拷機測試：分別進行每連續計數拷機2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進行一次同步清零的測試。

經過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續計數拷機工作下一致性誤差為0；4～8 h連續計數拷機工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續計數拷機工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項目的應用要求。并將系統誤差用于同步補償中。

3.2 基于本系統的電壓相角測試過程

首先系統上電初始化。主要完成系統主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進行頁擦除工作。

當完成初始化工作后，系統處于待命狀態，這時用戶可以開始進行測試工作。系統提示用戶“請選擇按鍵”。

當用戶按下“開始”鍵后，系統進入數據采集過程：當用戶按下“結束”鍵后，則完成了數據采集過程。系統采集到的數據在數據采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統提示用戶進行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數據上傳到PC機中，則按下“上傳”鍵，系統進入基于串行通信的采樣數據上傳過程，這需要一段時間。

當數據上傳結束后，系統提示用戶。后續則是在VI程序中進行數據分析和處理的過程，最終得出相角差的結論。上位機測試結果如圖6，圖7所示，經多次實踐測試，本系統成本低、工作穩定可靠、測試精度滿足實際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關參數測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結 論

由于該測試系統成本低廉、應用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數測試的發展方向，可廣泛應用于各級供電部門和各個發電廠的電力線路參數測試、維護電網安全穩定，并且可輔助管理者科學地分析供電質量、測試電網污染、掌握設備節能降耗的潛力，從而有效地抗災救災、促進和推動節能降耗工作的開展。對促進繼電保護的運行管理水平和電網的安全穩定運行將具有很大的推動作用，具有深遠的社會效益和經濟效益。

參考文獻

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圖3 電力線路電壓相角測試裝置設計框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統具體實現原理框圖進行了各個模塊的電路設計制作與調試，具體包含：ATMEGA128單片機開發系統模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調理模塊、A/D轉換模塊、FLASH接口模塊、計數鎖存與上傳系統模塊、計數清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設計調試之后，進行了上位機基于LabVIEW軟件的數據通信、界面顯示與控制、數據分析、波形恢復、同步補償與計算等功能軟件的設計，并進行系統聯調與測試。

3.1 定制晶振的系統誤差測試

采用東莞市大普通信技術有限公司定制生產的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進行測試實驗。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細原理框圖

按照如圖5所示設計方案設計硬件電路，完成制板和硬件調試。在這個實驗平臺下進行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設置每連續5 min、10 min和20 min三種時間段計數后進行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計數一致性誤差。

（2） 設置每連續1 h計數后再進行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數據，測試其誤差累積結果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續計數拷機測試：分別進行每連續計數拷機2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進行一次同步清零的測試。

經過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續計數拷機工作下一致性誤差為0；4～8 h連續計數拷機工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續計數拷機工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項目的應用要求。并將系統誤差用于同步補償中。

3.2 基于本系統的電壓相角測試過程

首先系統上電初始化。主要完成系統主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進行頁擦除工作。

當完成初始化工作后，系統處于待命狀態，這時用戶可以開始進行測試工作。系統提示用戶“請選擇按鍵”。

當用戶按下“開始”鍵后，系統進入數據采集過程：當用戶按下“結束”鍵后，則完成了數據采集過程。系統采集到的數據在數據采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統提示用戶進行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數據上傳到PC機中，則按下“上傳”鍵，系統進入基于串行通信的采樣數據上傳過程，這需要一段時間。

當數據上傳結束后，系統提示用戶。后續則是在VI程序中進行數據分析和處理的過程，最終得出相角差的結論。上位機測試結果如圖6，圖7所示，經多次實踐測試，本系統成本低、工作穩定可靠、測試精度滿足實際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關參數測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結 論

由于該測試系統成本低廉、應用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數測試的發展方向，可廣泛應用于各級供電部門和各個發電廠的電力線路參數測試、維護電網安全穩定，并且可輔助管理者科學地分析供電質量、測試電網污染、掌握設備節能降耗的潛力，從而有效地抗災救災、促進和推動節能降耗工作的開展。對促進繼電保護的運行管理水平和電網的安全穩定運行將具有很大的推動作用，具有深遠的社會效益和經濟效益。

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圖3 電力線路電壓相角測試裝置設計框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統具體實現原理框圖進行了各個模塊的電路設計制作與調試，具體包含：ATMEGA128單片機開發系統模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調理模塊、A/D轉換模塊、FLASH接口模塊、計數鎖存與上傳系統模塊、計數清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設計調試之后，進行了上位機基于LabVIEW軟件的數據通信、界面顯示與控制、數據分析、波形恢復、同步補償與計算等功能軟件的設計，并進行系統聯調與測試。

3.1 定制晶振的系統誤差測試

采用東莞市大普通信技術有限公司定制生產的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進行測試實驗。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細原理框圖

按照如圖5所示設計方案設計硬件電路，完成制板和硬件調試。在這個實驗平臺下進行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設置每連續5 min、10 min和20 min三種時間段計數后進行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計數一致性誤差。

（2） 設置每連續1 h計數后再進行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數據，測試其誤差累積結果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續計數拷機測試：分別進行每連續計數拷機2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進行一次同步清零的測試。

經過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續計數拷機工作下一致性誤差為0；4～8 h連續計數拷機工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續計數拷機工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項目的應用要求。并將系統誤差用于同步補償中。

3.2 基于本系統的電壓相角測試過程

首先系統上電初始化。主要完成系統主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進行頁擦除工作。

當完成初始化工作后，系統處于待命狀態，這時用戶可以開始進行測試工作。系統提示用戶“請選擇按鍵”。

當用戶按下“開始”鍵后，系統進入數據采集過程：當用戶按下“結束”鍵后，則完成了數據采集過程。系統采集到的數據在數據采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統提示用戶進行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數據上傳到PC機中，則按下“上傳”鍵，系統進入基于串行通信的采樣數據上傳過程，這需要一段時間。

當數據上傳結束后，系統提示用戶。后續則是在VI程序中進行數據分析和處理的過程，最終得出相角差的結論。上位機測試結果如圖6，圖7所示，經多次實踐測試，本系統成本低、工作穩定可靠、測試精度滿足實際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關參數測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結 論

由于該測試系統成本低廉、應用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數測試的發展方向，可廣泛應用于各級供電部門和各個發電廠的電力線路參數測試、維護電網安全穩定，并且可輔助管理者科學地分析供電質量、測試電網污染、掌握設備節能降耗的潛力，從而有效地抗災救災、促進和推動節能降耗工作的開展。對促進繼電保護的運行管理水平和電網的安全穩定運行將具有很大的推動作用，具有深遠的社會效益和經濟效益。

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