基于單片機(jī)的高壓開關(guān)柜核相儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙航宇 毛王清

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)的規(guī)模逐步擴(kuò)大，其運(yùn)行方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜，因此對(duì)于電能的供應(yīng)質(zhì)量及其安全性、可靠性、穩(wěn)定性都提出了更高的要求［1－2］。安全屬性是電力系統(tǒng)運(yùn)行的一項(xiàng)最基本屬性，電力系統(tǒng)中的電纜線路必須要經(jīng)過相位核驗(yàn)后，才能夠進(jìn)行并網(wǎng)、合環(huán)、送電等操作［3－4］。

目前，電力系統(tǒng)中普遍采用的常規(guī)核相方法，儀器測(cè)試精準(zhǔn)度低，核相操作步驟復(fù)雜，核相效率低下。因此十分有必要對(duì)核相技術(shù)展開深入研究，采用先進(jìn)的方法，準(zhǔn)確、安全、高效完成核相工作，提高電力系統(tǒng)的供電連續(xù)性［5］。

1 過零點(diǎn)相位檢測(cè)法

過零點(diǎn)相位檢測(cè)法是一種非常簡(jiǎn)單的相位檢測(cè)方法，能夠直接對(duì)電力系統(tǒng)中電壓信號(hào)的相位和頻率進(jìn)行檢測(cè)［6］。過零點(diǎn)相位檢測(cè)法的原理：同時(shí)對(duì)參考端和被測(cè)端兩個(gè)同頻率交流電壓信號(hào)的過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得到兩個(gè)過零點(diǎn)的時(shí)間差，再將時(shí)間差換算成相位差，就得到了兩個(gè)交流電壓信號(hào)的相位差［7－8］，其檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 過零點(diǎn)檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)原理

假設(shè)參考端的電壓為：

假設(shè)被測(cè)端的電壓為：

參考端電壓的過零點(diǎn)時(shí)刻為t1，被測(cè)端電壓的過零點(diǎn)時(shí)刻為t2，電壓信號(hào)的周期為2π／ω，兩個(gè)電壓信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)間差為Δt，則得到相位差值為：

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能需求

該核相儀能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)線路的相位和相序進(jìn)行核驗(yàn)，具備很強(qiáng)的抗干擾能力，適合應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。本文所研究的核相儀需要滿足以下需求。

（1）基本需求

1）安全要求：由于該核相儀應(yīng)用于高壓電力線路，其檢測(cè)對(duì)象具有高電壓的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上必須以安全為出發(fā)點(diǎn)，保證現(xiàn)場(chǎng)人員的安全需求［9］；

2）指示要求：檢測(cè)完畢后，需要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示。

（2）功能需求

1）參考端信號(hào)采集器采集到的電壓信號(hào)應(yīng)當(dāng)與實(shí)際電壓相位保持同步，并且將過零點(diǎn)信號(hào)傳送給控制器［10］；

2）被測(cè)端信號(hào)采集器采集到的電壓信號(hào)應(yīng)當(dāng)與實(shí)際電壓相位保持同步，并且將過零點(diǎn)信號(hào)傳送給控制器［11］；

3）控制器接收參考端采集器和被測(cè)端采集器的電壓過零點(diǎn)信號(hào)，并對(duì)兩個(gè)過零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到最終的相位差。

（3）技術(shù)需求

1）準(zhǔn)確性：核相儀是一種高精度的測(cè)量?jī)x器，對(duì)于檢測(cè)精度要求較高，因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要對(duì)器件的精度重點(diǎn)考慮；

2）抗干擾性：電力線路電壓等級(jí)高、磁場(chǎng)強(qiáng)度高，因此需要核相儀具備較強(qiáng)的抗干擾能力，在強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下也能夠正常工作；

3）低功耗性：由于應(yīng)用場(chǎng)景通常不具備設(shè)備外部供電條件，需要內(nèi)部蓄電池供電，因此需要降低能量消耗，延長(zhǎng)供電時(shí)間；

（4）便攜帶性：由于核相儀的應(yīng)用環(huán)境特殊，在設(shè)計(jì)選型時(shí)需要考慮便攜性。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

核相儀的總體架構(gòu)如圖2所示。核相儀主要包括了三個(gè)部分，即參考端、被測(cè)端、控制器［12］，其中參考端和被測(cè)端的結(jié)構(gòu)完全相同，都包括了信號(hào)采集器和無線發(fā)射器；控制器通過無線接收器接收來自于參考端和被測(cè)端的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最終的結(jié)果。

圖2 核相儀總體架構(gòu)

參考端的信號(hào)采集器采集基準(zhǔn)電力線路電壓信號(hào)瞬時(shí)值的正向過零點(diǎn)，再由無線發(fā)射器向控制器發(fā)送正向過零點(diǎn)信號(hào)，控制器接收秒脈沖信號(hào)，秒脈沖信號(hào)觸發(fā)控制器產(chǎn)生外部中斷開始計(jì)時(shí)并允許接收正向過零點(diǎn)信號(hào)，并將正向過零點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)；被測(cè)端的信號(hào)采集器采集被測(cè)電力線路的電壓信號(hào)瞬時(shí)值的正向過零點(diǎn)，再由無線發(fā)射器向控制器發(fā)送正向過零點(diǎn)信號(hào)，控制器接收秒脈沖信號(hào)，秒脈沖信號(hào)觸發(fā)控制器產(chǎn)生外部中斷開始計(jì)時(shí)并允許接收正向過零點(diǎn)信號(hào)，并將正向過零點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后由控制器對(duì)基準(zhǔn)電力線路電壓信號(hào)的正向過零點(diǎn)和被測(cè)電力線路電壓信號(hào)的正向過零點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算分析，得到最終的核相結(jié)果。

2.3 基于過零點(diǎn)檢測(cè)的系統(tǒng)測(cè)量原理

根據(jù)我國(guó)的供電標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的供電電壓頻率為50Hz。某一隨機(jī)時(shí)刻，電力線路電壓信號(hào)的相位是一個(gè)相對(duì)值，根據(jù)過零點(diǎn)檢測(cè)原理，兩條電力線路電壓信號(hào)相位差值與正向過零點(diǎn)時(shí)間的差值是相互對(duì)應(yīng)的［13］。

由于無法直接測(cè)量電力線路電壓信號(hào)的相位，需要通過傳感器對(duì)電力線路的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，得到與實(shí)際電壓信號(hào)同頻率、同相位的電壓信號(hào)。在t1時(shí)刻，參考端的電壓相位信號(hào)為φ1－t1，在t2時(shí)刻，被測(cè)端的電壓相位信號(hào)為φ2－t2，由于電壓信號(hào)的頻率為固定的50Hz，所以被測(cè)端在t2時(shí)刻的相位信號(hào)φ2－t2，可以變換為在t1時(shí)刻的相位信號(hào)φ2－t1。由此便得到在t1時(shí)刻，參考端電壓信號(hào)與被測(cè)端電壓信號(hào)的相位差，并且可以判斷出參考端電壓信號(hào)與被測(cè)端電壓信號(hào)是否同相，具體的判斷依據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 參考端為U相時(shí)核相判斷依據(jù)

表2 參考端為V相時(shí)核相判斷依據(jù)

表3 參考端為W相時(shí)核相判斷依據(jù)

在進(jìn)行相位分析時(shí)，通過濾波等整定方法將正弦波電壓信號(hào)變換為方波，并采集方波的正向過零點(diǎn)時(shí)刻來計(jì)算相位差，這種處理方法沒有考慮電壓信號(hào)的幅值，幅值并沒有對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此不同電壓等級(jí)的電力線路電壓信號(hào)都可以通過過零點(diǎn)檢測(cè)的方法進(jìn)行核相。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集器

信號(hào)采集器的功能是基于電磁感應(yīng)原理，通過傳感器對(duì)電力線路的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，得到與電力線路電壓信號(hào)同頻率、同相位的正弦電壓信號(hào)，該信號(hào)送入到信號(hào)處理電路中進(jìn)行處理，得到方波信號(hào)，由信號(hào)采集器中的控制芯片采集方波信號(hào)的正向過零點(diǎn)，并將采集到的正向過零點(diǎn)通過無線發(fā)射器發(fā)送出去。參考端與被測(cè)端的信號(hào)采集器結(jié)構(gòu)完全相同，信號(hào)采集器與控制器之間通過無線發(fā)射器和無線接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。信號(hào)采集器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。信號(hào)采集器包括了傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、控制芯片、無線發(fā)射器以及電源五個(gè)部分。

圖3 信號(hào)采集器結(jié)構(gòu)

3.2 控制器

控制器的硬件整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制器整體架構(gòu)

控制器主要包括電源、微處理器、無線接收器、存儲(chǔ)器、鍵盤、GPS模塊和LCD顯示模塊。其主要功能有：判斷GPS模塊與衛(wèi)星是否處于同步狀態(tài)，能否實(shí)現(xiàn)秒脈沖的正確接收，在收到秒脈沖觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將參考端和被測(cè)端的電力線路電壓信號(hào)正向過零點(diǎn)的時(shí)間運(yùn)算，得到時(shí)間差數(shù)據(jù)，再運(yùn)算時(shí)間差數(shù)據(jù)得到與其對(duì)應(yīng)的相位差數(shù)據(jù)，并得出相位核驗(yàn)結(jié)果，判斷參考端與被測(cè)端是否同相位，并最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的顯示與存儲(chǔ)。

3.3 通信模塊

無線發(fā)射器與無線接收器分別安裝在信號(hào)采集器和控制器上。信號(hào)采集器通過無線發(fā)射器將檢測(cè)到的電力線路電壓信號(hào)的正向過零點(diǎn)信息向控制器發(fā)送，控制器通過無線接收器接收檢測(cè)到的電力線路電壓信號(hào)的正向過零點(diǎn)信息。基于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，強(qiáng)化了操作的靈活性及安全性。無線發(fā)射器與無線接收器都選用Nordic公司的nRF24101芯片。

nRF24101芯片采用了20引腳QFN封裝形式，其內(nèi)部包括頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制解調(diào)器以及增強(qiáng)型Schock Burst TM模式控制器［14］。該芯片工作頻率范圍為2.4～2.5GHz，能夠支持多點(diǎn)通信。其主要特點(diǎn)有功耗低，工作電壓范圍寬（1.9～3.6V）；工作在發(fā)射模式下時(shí)，其電流消耗能夠達(dá)到9mA左右，工作在接收模式下時(shí)，其電流消耗能夠達(dá)到12.3mA左右；其工作速率最高能夠達(dá)到2Mbps；在待機(jī)模式和失電模式下，芯片的功耗更低。通過微處理器的SPI接口能夠?qū)RF24101芯片進(jìn)行功能配置。

4 實(shí)例

核相儀設(shè)計(jì)完成后，選取五個(gè)不同型號(hào)的開關(guān)柜，進(jìn)行功能測(cè)試，其結(jié)果如表4所示。

表4 核相儀實(shí)際運(yùn)用測(cè)試結(jié)果

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，MERLIN開關(guān)柜相位偏差較大，深入分析后發(fā)現(xiàn)，測(cè)試位置兩側(cè)柜內(nèi)帶電指示器信號(hào)不一致，引起了信號(hào)相位的偏差，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后與參考電壓相比較，相位信號(hào)出現(xiàn)偏差，但并不會(huì)對(duì)相位的核驗(yàn)造成影響。

5 結(jié)束語

隨著電力用戶需求的不斷升級(jí)，電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)充，為了保證電力系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，安全實(shí)用的核相儀是必備工具，本文所取得的研究成果如下：

1）采用過零點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)相位進(jìn)行核驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級(jí)下的核相；

2）核相儀主要包括了參考端、被測(cè)端、控制器三個(gè)主要部分，參考端與被測(cè)端的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，兩端的信號(hào)采集器采集電壓信號(hào)的正向過零點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射器發(fā)送給控制器，由控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理，得出最終的核相結(jié)果；

3）該核相儀采用濾波等手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行深度處理，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下也能夠正常工作。