高壓互感器銘牌觀測器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙旭彤 殷昕羽

（1. 國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271000）

互感器銘牌是互感器的信息標(biāo)識(shí)牌，記錄互感器的額定電壓、額定電流、變比、檢定日期等各項(xiàng)互感器運(yùn)行基本信息[1]。通常固定在互感器的表面，在互感器正面或者一側(cè)[2]。按照10kV計(jì)量柜（箱）的設(shè)計(jì)要求，需要將電能表、采集采集終端、計(jì)量用電壓互感器和電流互感器封閉在計(jì)量柜（箱）中，10kV計(jì)量柜（箱）的空間較小。

實(shí)際計(jì)量工作中，有兩種情況需要對(duì)于互感器銘牌進(jìn)行觀測：

1）在送電之前互感器銘牌信息要作詳細(xì)記錄，用于用電量計(jì)量。

2）在運(yùn)行過程中，需要定期觀測互感器銘牌信息進(jìn)行核對(duì)，了解當(dāng)前運(yùn)行互感器情況。

10kV計(jì)量柜或計(jì)量箱中電壓互感器、電流互感器排布情況如下所述。

1）高供高計(jì)計(jì)量柜

高供高計(jì)計(jì)量柜中，三相母排并排排列，A、C相電流互感器串接在 A、C相母排上，并排排列，相互距離為5cm，母排電壓為10kV，電流互感器銘牌設(shè)置在互感器側(cè)面，朝向柜體后側(cè)。互感器投入運(yùn)行后，由于互感器間距較近無法在遠(yuǎn)處直接觀測，近距離觀測銘牌則必須停電，并將身體探入計(jì)量柜才能看清[3]。

電壓互感器安裝在柜體底部，A、C兩相并排排列，相互距離 5cm；銘牌在互感器側(cè)面，朝向柜體后側(cè)，互感器上方為并排排列母排，母排電壓為10kV，投入運(yùn)行后觀測互感器銘牌同樣必須停電，并將身體探入計(jì)量柜中才能看清。

2）高供低計(jì)計(jì)量柜

高供低計(jì)計(jì)量柜中，電能表、采集終端安裝在下方，上方為交錯(cuò)排列的三相母排，母排電壓220V；三相電流互感器套接在三相母排上，交錯(cuò)排列，相互距離為 5cm，近距離觀測有觸電危險(xiǎn)；互感器銘牌設(shè)置在互感器側(cè)面，朝向計(jì)量柜左側(cè)；計(jì)量柜上側(cè)空間小，A相電流互感器靠近柜體左后部，投入運(yùn)行后觀測互感器銘牌通常要求不停電，不貼近互感器無難以看清銘牌內(nèi)容，觀測十分困難和危險(xiǎn)。

3）高供低計(jì)計(jì)量箱

高供低計(jì)計(jì)量箱中，電能表、采集終端安裝在上方，下方為并排排列的三相母排，母排電壓220V；三相電流互感器套接在三相母排上，并排排列，相互距離為 5cm，近距離觀測有觸電危險(xiǎn)；電流互感器銘牌設(shè)置在互感器側(cè)面，朝向柜體左側(cè)；互感器間距離較近難以直接觀測，投入運(yùn)行后檢查觀測互感器銘牌不停電，觀測十分困難和危險(xiǎn)。

通過上述結(jié)論可知：無論對(duì)于高供高計(jì)計(jì)量柜還是高供低計(jì)計(jì)量柜（箱），柜體空間均較小，母排與互感器安裝緊密，電壓與電流互感器距離母排較近，且銘牌設(shè)置在互感器側(cè)面，朝向柜體后側(cè)，無法在遠(yuǎn)處進(jìn)行觀測，銘牌觀測需停電并將身體探入計(jì)量柜（箱）進(jìn)行，靠近周圍其他帶點(diǎn)柜體，觀察困難并且非常危險(xiǎn)，增加了被迫停電進(jìn)行觀測時(shí)增加了停電次數(shù)，降低了供電服務(wù)質(zhì)量，容易引發(fā)電力用戶投訴。

綜上所述，需要研制一種絕緣安全的高壓互感器銘牌輔助觀測工具，確保對(duì)互感器銘牌信息的不停電安全、準(zhǔn)確的觀測，并對(duì)觀測信息進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。

1 高壓互感器銘牌觀測器的原理及硬件設(shè)計(jì)

圖1給出了高壓互感器銘牌觀測器的示意圖，主要由拍攝單元、圖像處理單元、圖像顯示單元、電池單元和絕緣單元等構(gòu)成。具體工作原理為，前端拍攝單元獲取互感器銘牌信息，由圖像處理單元將獲取的圖像信息傳送到手持端的圖像顯示單元進(jìn)行顯示，完成互感器銘牌信息的觀測與記錄。

圖1 高壓互感器銘牌觀測器示意圖

1.1 拍攝單元

拍攝單元采用 CMOS（MT9M001C12STM[4]）攝像頭，其性能優(yōu)異，具有很多有優(yōu)點(diǎn)，不僅能完全滿足數(shù)字圖像處理的需要，還能夠很好地滿足互感器銘牌觀測的要求。

其擁有的優(yōu)點(diǎn)有：

1）在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，處理的圖像均要以灰度圖像的形式進(jìn)入處理程序，而MT9M001C12STM傳回的灰度圖像不需進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行色空間到灰度空間轉(zhuǎn)換，而是將傳回的圖像直接進(jìn)行數(shù)字圖像處理。

2）MT9M001C12STM為用戶提供了VGA，CIF，QCIF等多種輸出格式，以滿足用戶不同需求的選擇。

3）集成了可編程灰度矯正，白平和增益控制。

4）配置了兩線串行接口總線，可以方便的控制MT9M001C12STM的工作模式。

1.2 圖像處理單元

DSP圖像處理器控制電路的設(shè)計(jì)如圖2所示，設(shè)計(jì)控制電路以兩片 DSP處理器芯片為核心處理器，使用FPGA作為協(xié)調(diào)處理器[5]，PCI總線傳輸數(shù)據(jù)的方式，實(shí)現(xiàn)高速圖像處理功能。FPGA連接兩片C6416的64bit/133MHz的EMIFA總線，或通過McBSP口連接。在FPGA的存儲(chǔ)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)上，可連接兩組片外存儲(chǔ)器2MB的快速SBSRAM和32MB的DDR SDRAM，這種雙存儲(chǔ)機(jī)制能夠在增強(qiáng)運(yùn)算的協(xié)調(diào)處理能力及靈活性方面得到一定程度的優(yōu)化。

對(duì)設(shè)計(jì)電路圖像處理效果進(jìn)行測試，使用 TI公司的CCS集成的C/C++開發(fā)環(huán)境，仿真測試通過后經(jīng)PCI總線寫入相應(yīng)存儲(chǔ)器。采用M為2的整數(shù)次冪FFT算法，利用設(shè)計(jì)基于C6416DSP處理器控制電路處理二維FFT和一維FFT，對(duì)計(jì)算速度進(jìn)行測試，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

1.3 圖像顯示單元

UFB液晶屏（Ultra Fine & Bright超精高亮液晶屏）[6]，其采用了特別的光柵設(shè)計(jì)，可以減小像素的間距，以獲得更佳的圖像質(zhì)量。通常 UFB-LCD可顯示 65536種色彩，對(duì)比度是 STN的 2倍，在65536色時(shí)亮度與TFT不相上下，耗電量卻比TFT低，能夠達(dá)到128×160像素的分辨率。

圖2 DSP圖像處理器控制電路設(shè)計(jì)

1.4 電池單元

電池單元選用4節(jié)1.5V干電池串聯(lián)組裝為拍攝單元和圖像處理單元提供電源。考慮到干電池組大量消耗后，可能導(dǎo)致電池組電壓較大的降低，為保障名牌觀測器圖像處理單元供電電壓的穩(wěn)定，分別對(duì)充滿電和電量大量消耗兩種情況進(jìn)行電池組電壓測試，重復(fù)試驗(yàn)50次。新購買干電池組，電壓平均6.02V，50組試驗(yàn)中未出現(xiàn)電壓波動(dòng)范圍大于0.2V的情況，電壓波動(dòng)均在0.2V范圍中，符合6V干電池組電源設(shè)計(jì)要求。

1.5 絕緣單元

為保障設(shè)備靠近高壓母排時(shí)的絕緣性能，確保觀測與拍攝的安全性，根據(jù)《配電安規(guī)》中“配電設(shè)備不停電時(shí)的安全距離”的規(guī)定，10kV及以下設(shè)備不停電安全距離為1m[7]。因此，高壓銘牌觀測器的操縱桿使用 1m長絕緣桿。同時(shí)，為保證觀測器的整體絕緣性能和工作人員使用中的安全，攝像頭采用絕緣罩進(jìn)行包裹，手持端的顯示儀器外觀均采用非金屬絕緣材料，且按鈕突出，便于佩戴絕緣手套進(jìn)行操作。

2 互感器銘牌觀測器測試

2.1 絕緣性能測試

絕緣性能是互感器銘牌觀測器的重要指標(biāo)，關(guān)系到工作人員在設(shè)備使用中的人身、設(shè)備和電網(wǎng)安全。將制作完成的互感器銘牌觀測器送至檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行1min工頻10kV交流耐壓試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備是否符合 10kV耐壓標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)試驗(yàn)測試，該設(shè)備可耐受10kV電壓沖擊且無擊穿，符合高壓銘牌觀測器絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[8]。互感器銘牌觀測器按照安全工具器的管理要求，應(yīng)每年進(jìn)行一次耐壓試驗(yàn)。

2.2 顯示性能測試

通過使用屏幕測試軟件DisplayX，將三星UFBLCD顯示屏經(jīng)串行接口連接電腦，設(shè)置顯示屏測試項(xiàng)目，對(duì)采購顯示屏的對(duì)比度、灰度、會(huì)聚能力、色彩等主要顯示性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表 1。通過表1的測試結(jié)果可知，UFB-LCD顯示屏顯示效果各個(gè)方面符合高壓互感器銘牌觀測器的設(shè)計(jì)要求。由電腦輸出文字圖片到顯示屏幕，調(diào)節(jié)顯示屏幕亮度后進(jìn)行拍照測試，觀測拍照后照片效果與文字的分辨情況可知：當(dāng)屏幕顯示亮度設(shè)置為高亮度時(shí)，拍照效果較好，可以從照片上清晰分辨文字內(nèi)容，屏幕亮度可以滿足量化目標(biāo)要求。

表1 UFB-LCD測試結(jié)果

2.3 攝像性能測試

小組成員到電子城采購CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭，并將攝像頭連接電腦，利用攝像頭測試軟件iSensor軟件進(jìn)行攝像頭調(diào)焦效果測試。測試流程如圖3所示。

圖3 CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭測試流程圖

通過iSensor軟件進(jìn)行文字的變焦距觀測、近距離觀測、拍攝性能的測試，測試結(jié)果見表2。

表2 CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭測試結(jié)果

通過表2測試結(jié)果可知：CMOS（MT9M001C12STM）攝像頭調(diào)焦拍攝效果滿足設(shè)定目標(biāo)值要求，攝像頭符合要求。

3 應(yīng)用實(shí)例及分析

針對(duì)課題提出的功能目標(biāo)，使用高壓互感器銘牌觀測器分別進(jìn)行高供高計(jì)計(jì)量柜、高供低計(jì)計(jì)量柜、高供低計(jì)計(jì)量箱的互感器銘牌觀測與拍攝[9]，現(xiàn)場使用及觀測效果圖如圖4所示。

圖4 高壓互感器銘牌觀測器現(xiàn)場應(yīng)用

該設(shè)備經(jīng)送至濟(jì)南市計(jì)量檢定測試院進(jìn)行測試，10kV工頻耐壓試驗(yàn)合格，互感器銘牌內(nèi)容觀測準(zhǔn)確清晰，拍攝銘牌圖片清晰，可準(zhǔn)確分辨銘牌文字符號(hào)[10]，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過測試可知，高壓互感器銘牌觀測器能夠達(dá)到互感器銘牌觀測要求的以下量化目標(biāo)：

1）高壓互感器銘牌觀測器的操作部位（人體接觸部位）距離計(jì)量柜帶電部分距離＞0.7m的《配電安規(guī)》規(guī)定的安全距離，絕緣安全達(dá)標(biāo)。

2）高壓互感器銘牌觀測器的顯示屏幕分辨率＞200dpi，可清晰顯示互感器銘牌較小文字?jǐn)?shù)字。

3）高壓互感器銘牌觀測器滿足互感器銘牌5cm內(nèi)近距離拍攝要求，且顯示結(jié)果可拍照留存。

4 結(jié)論

本文研究了一種基于數(shù)字?jǐn)z像模塊組合的高壓互感器銘牌觀測器，并開發(fā)了相應(yīng)的觀測器樣品，能夠安全的實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中 10kV互感器銘牌的準(zhǔn)確觀測。通過在實(shí)際工作中使用高壓互感器銘牌觀測器，消除了帶電觀測互感器銘牌的安全隱患，確保了工作人員的人身安全。同時(shí)，觀測器的廣泛使用降低不必要停電次數(shù)，大大縮短了工作時(shí)間，提高了人員工作效率，減少用戶因?yàn)橥ｋ娫斐傻慕?jīng)濟(jì)損失。

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