新型變壓器電流相位差測量方法與硬件實現

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 物聯網工程學院，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測變電站能否投運的關鍵因素。電力變壓器相位的測量不同于傳統的電壓、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，二是將相位差轉換為時間間隔，測量時間間隔后轉換回相位差，三是將相位差轉換為電壓，先測量電壓后轉換回相位差，四是與標準移相器比較（零示法）[1,2]。以上方法雖然能滿足一般設備中相位差的測量，但是在測控領域某些大型設備如大型變壓器的相位差測量中會受到設備體積及環境布置的影響，導致測量的穩定性受到影響，使得測量方式變得煩瑣復雜。

目前，隨著國內外學者深入研究，已經提出了很多相位檢測算法。文獻[3]提出了基于標準頻率下動態相量模型的泰勒加權最小二乘法，還提供了相量導數值，可以提高對電網動態狀況的監測。文獻[4]分析了當前相量測量裝置主要采用的基于頻率偏移的DFT修正算法，發現該算法在系統頻率偏離額定頻率很小的靜態條件下具有很高的精度，當系統發生如低頻振蕩、故障以及失步等動態變化過程時，算法的精度不夠。給出一種不僅能適應于電力系統靜態條件也能適應于動態變化過程的相量測量的新算法。文獻[5]提出了基于改進DFT的同步相量測量方法，利用跟蹤所得頻率將DFT結果分為整數部分和分數部分，并通過等效替換對分數部分進行了修正。文獻[6]提出了一種基于改進擴展卡爾曼濾波（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關系式。由IEKF得到頻率偏移量，然后對DFT計算結果進行修正即可得到輸入信號的真實相量和功率。文獻[7]針對輸電網中各種相量測量算法在精度、響應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，該算法運用動態校正因子的思想校正傳統DFT算法，解決了傳統算法在電力系統發生頻偏或動態條件下測量精度驟降的缺點，保證算法在精度、響應時間以及實時性上同時滿足配電網的量測要求。

總體而言，這些電力系統中的相量檢測方法大多是基于同步技術的分布式測量方法，對通信的要求較高，如何省去通信模塊，開發出獨立性較強的相位檢測裝置以適應電力施工的要求是當前的研究熱點。本文面對電力系統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的新型相位差測量系統在以下兩方面具有重要意義。

一方面避免了復雜的接線，另一方面提升了測量過程中的安全性與可靠性。傳統電力系統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雜，而且還可能引發安全事故。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中變壓器運行的基礎上，提出了一種新型的變壓器電壓相位差測量儀，相對于傳統的相位測量儀，避免了復雜的接線操作，提高了測量過程中的安全性。

1 系統硬件實現方法

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，用以顯示測量數據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，用以保存測量數據報告至U盤。

1.1 核心處理器

選用ST公司的STM32F103ZE處理器，主頻高達168 MHz，內部集成192+4 KB的SRAM，包括64-KB的CCM（內核耦合存儲器）數據RAM。采用24 MHz外部高精度有源晶振為核心提供精準的時間基準。考慮到本系統以時間為基準需存儲的數據變量較大的原因，外部集成了一片IS62WV51216高速SRAM，含有1MB的外部內存空間。該處理器3個12位ADC，多達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17個定時器，12個16位定時器和2個頻率高達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基礎。同時豐富的通信接口也為人機交互屏幕和USB讀寫提供了方便。

1.2 電壓有效值檢測電路

當今世界上電路集成的研究十分迅速，這幾年呈現各種交變電壓電流真有效值AD轉換器，其中AD637轉換器在實驗中十分常見。AD637的準確度、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，經過125 kΩ的限流電阻進入到ZMPT107電壓互感器，輸出端產生電流信號經過500 Ω的采樣電阻產生一個較小的與原始電壓同頻同相的電壓信號，轉換關系為：

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模塊進行電壓有效值的轉換，轉換公式為：

如圖4所示，最終得到一個穩定的直流電壓，由核心處理器AD采樣經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計是獲得準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，電流互感器的作用是隔離高電壓，將電壓轉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，在互感器二次側產生一個較小的電流，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換電路和由UA741構成的過零比較器，原理如圖5所示。

圖5 有效值計算電路

過零檢測技術是指利用電路準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，正弦信號周期內有2個過零點，信號從負值通過零點到達正值稱為正向過零，對應的過零時刻稱為正向過零點，信號從正到負的過零點稱為負向過零點，對應的過零時刻稱為負向過零點[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。測量變壓器一次側某相電壓的電壓值，同時將一次側電壓信號通過過零比較器輸出，得到一次側電壓脈沖信號。檢測一次側電壓脈沖信號由低電平到高電平的第一個時間點，作為數字信號處理器內部時鐘的起始計時點，開始計時。

測量變壓器二次側相同相電壓的電壓值，同時將二次側電壓信號通過過零比較器輸出，得到二次側電壓脈沖信號。檢測二次側電壓脈沖信號由低電平到高電平的第一個時間點，作為數字信號處理器內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c，電壓相位差的計算公式為：

式中，φ為變壓器一次側和二次側電壓相位差。

本系統相位差的測量過程如下，在組態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一次側的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電壓數值，按下測量儀的保存按鈕保存電壓數據。將鉗式電流互感器A、B、C分別鉗住變壓器一次側的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。用戶按下確認按鈕后，測量儀顯示屏中顯示一次側電流有效值，同時主控系統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，當達到要求的記錄次數后關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據。將測壓的紅色表筆連接電網二次側的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電壓數值，按下測量儀的保存按鈕保存電壓數據。將鉗式電流互感器A、B、C分別鉗住變壓器二次側的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。用戶按下確認按鈕后，測量儀顯示屏中顯示二次側電流有效值，同時主控系統開啟輸入捕獲，開始捕獲正弦電流信號的零點，記錄信號的過零點時間，當達到要求的記錄次數后關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據。用戶按下相位計算按鈕，系統將開始比對一次測二次測電流信號過零點的時間節點并計算變壓器兩側的相位差，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，并通過函數發生器產生不同相位差的正弦信號以進行測試。選用0°、±90°以及±180°共5組相位差分別進行5組測試，一二次側測量時間間隔為5 min，測試結果如表1。

表1 相位檢測結果

由相位檢測實驗結果可以看出，本相位檢測儀原型樣機可以實現以時間為基準的相位檢測，誤差基本上可以控制到與市面上已有核相儀相當的水平。

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的燈泡進行。測試結果如表2和表3所示。

表2 電壓有效值檢測結果

表3 電流有效值檢測結果

試驗結果表明，本相位檢測儀原型樣機可以實現基本的相位、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 論

本文的研究成果主要適用于電力系統中變壓器兩端電壓相位差的測量，具體表現為在測量電力系統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相的電流與電壓，通過設備內部的運算，就可以得到一、二次側的電壓與電流有效值及兩側電流的相位差。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備，避免復雜的接線操作，保證操作測量人員的人身安全。此外，在電網升級改造的背景下，本項目與電網安全運行發展目標相一致，其研究成果可應用于供配電公司等部門，具有較好的經濟效益、示范效益以及社會效益。