輸電線路阻抗角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王凱悅

（國(guó)網(wǎng)合陽(yáng)縣供電公司）

0 引言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化程度的發(fā)展，城市用電量大幅度上升，電力系統(tǒng)的容量越來(lái)越大，電壓等級(jí)越來(lái)越高，伴隨著現(xiàn)代電網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，致使現(xiàn)代電網(wǎng)中輸電線路走廊日趨狹窄［1］。輸電線路是電能輸送的載體，所以輸電線路的參數(shù)測(cè)量至關(guān)重要，無(wú)論是在空間架設(shè)電線還是地下電纜巡回排線，用電負(fù)荷的增大都對(duì)輸電性能的要求極高。在國(guó)內(nèi)，輸電線路阻抗角的測(cè)量研究較少，其中盧明［2］等研究架空輸電線路及電力電纜工頻參數(shù)的測(cè)量，但沒(méi)有對(duì)阻抗角的測(cè)量做具體解釋。劉陽(yáng)［3］等研究輸電線路阻抗參數(shù)預(yù)測(cè)方法，但是對(duì)阻抗角的測(cè)量解釋不全面。曾燕［4］等利用R-L模型對(duì)輸電線路進(jìn)行仿真分析但是沒(méi)有實(shí)物設(shè)計(jì)。科研工作者為了在狹小的空間中更好地利用出線走廊，鋪設(shè)更合理的電網(wǎng)絡(luò)，同桿架設(shè)或變形架設(shè)的雙回及多回輸電線路［5］，本文主要研究輸電線路阻抗角的測(cè)量，輸電線路的測(cè)量誤差對(duì)電能質(zhì)量造成的影響巨大，不容忽視［6］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

測(cè)量輸電線路阻抗角的本質(zhì)是測(cè)量電壓與電流的相位差，因此測(cè)量輸電線路的電壓與電流值至關(guān)重要。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由電壓互感器電路、電流互感器電路、信號(hào)調(diào)理整形電路、微控制器單元電路（Microcontroller unit，MCU）組成，信號(hào)調(diào)理電路主要包括電流電壓轉(zhuǎn)換電路、偏置電路和低通濾波電路。此系統(tǒng)中MCU選擇STM32F103做主控芯片，STM32F1中有3路片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，其中AD轉(zhuǎn)換精度為12位，精度適中，可以勝任輸電線路的電網(wǎng)變換中單相交流電［7］。MCU將采集到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)USB串口與上位機(jī)通信，上位機(jī)顯示有關(guān)的信號(hào)值。最后通過(guò)Matlab軟件利用互相關(guān)算法測(cè)量相位角。總體方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示，其中上位機(jī)顯示界面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要的硬件電路包括互感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、MCU電路。

2.1 互感器電路設(shè)計(jì)

一般情況下，輸電線路的電壓較高，直接測(cè)量電壓值是非常危險(xiǎn)的，所以此設(shè)備需要通過(guò)降壓變壓器來(lái)轉(zhuǎn)換，也就是互感器。本次設(shè)計(jì)的電壓互感器測(cè)量范圍為450V左右的交流電。在阻抗角測(cè)量過(guò)程中，主要使用電壓互感器與電流互感器，互感器可以將高壓變低壓、大電流變小電流，為后續(xù)的測(cè)量電路提供有用信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的小電壓與小電流對(duì)測(cè)量?jī)x器起到保護(hù)作用，既能使結(jié)果測(cè)量準(zhǔn)確，也可以延長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器的使用壽命。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在互感器的前面還添加保險(xiǎn)絲FU，以防線路中沖擊電流過(guò)大，燒壞互感器。如圖2所示為互感器電路簡(jiǎn)易圖。

圖2 互感器電路

2.2 信號(hào)調(diào)理回路

信號(hào)調(diào)理電路主要包括二階有源濾波電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，由于STM32的片內(nèi)ADC輸入范圍為0～3.3V，所以還需要添加偏置電壓，將輸入電壓的范圍調(diào)整為0～3.3V。二階有源濾波電路主要是濾除信號(hào)中的無(wú)用信號(hào)與雜散信號(hào)，保留有用信號(hào)供后續(xù)電路處理。信號(hào)變換電路為帶同相的比例放大有源低通濾波電路，通過(guò)調(diào)整R5和R6的比值，調(diào)整信號(hào)的放大或衰減。圖3為信號(hào)調(diào)理電路示意圖。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

電流信號(hào)和電壓信號(hào)測(cè)量方法相似，唯一不同的是需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，因?yàn)镾TM32的AD轉(zhuǎn)換模塊只能識(shí)別電壓信號(hào)。此系統(tǒng)中MCU可以采集3路模擬信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)互感器處理的信號(hào)可以適用于此MCU。

2.3 微控制器外圍電路設(shè)計(jì)

微控制器外圍電路主要由啟動(dòng)電路、復(fù)位電路、有源晶振電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成。微控制芯片選擇為STM32F103，此MCU為ARM架構(gòu)系列芯片，具有工作頻率高、FLASH內(nèi)存大、通信接口多等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)位電路主要進(jìn)行設(shè)備重啟、初始化，讓電路回復(fù)到最初的狀態(tài)。晶振電路類似于人的脈搏一樣，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。啟動(dòng)電路可以為用戶選擇存儲(chǔ)模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主流程

ARM開(kāi)始工作時(shí)，首先就要初始化，ARM片內(nèi)AD開(kāi)始采集信號(hào)，采集到的模擬量送到AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換就會(huì)把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量在ARM的采集之下，加上其他各個(gè)模塊的綜合處理，電流和電壓的數(shù)字量就會(huì)通過(guò)串口顯示在上位機(jī)。如果顯示值沒(méi)有超過(guò)閾值，程序就會(huì)繼續(xù)循環(huán)，電壓電流值就會(huì)逐次循環(huán)測(cè)量，直至達(dá)到想要的結(jié)果為止。MCU的主流程圖如圖4所示，其中最主要的是系統(tǒng)初始化與中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置。軟件設(shè)置時(shí)可以采用寄存器函數(shù)，也可以采用庫(kù)函數(shù)版本，寄存器函數(shù)需要進(jìn)行相關(guān)的寄存器配置，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)只需調(diào)用函數(shù)庫(kù)即可。

圖4 MCU主流程圖

3.2 T0中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)程序貫穿整個(gè)源程序，子程序部分是MCU運(yùn)行必不可少的服務(wù)程序，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，需要各個(gè)子程序間相互起作用，子程序是主程序嵌套循環(huán)中重要部分，各個(gè)子程序之間的運(yùn)行時(shí)間急促，在代碼較少的情況下，基本是同時(shí)發(fā)生的，比如采樣、按鍵、顯示或報(bào)警電路等。

3.3 AD轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換包括采樣、量化、編碼。輸電線路的電壓電流信號(hào)通過(guò)電壓互感器電流互感器就可以測(cè)得電壓電流模擬量，而這個(gè)模擬量需要AD轉(zhuǎn)換才能得到數(shù)字量，所以必須用AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器的EOC觸發(fā)器復(fù)位之后，即可開(kāi)始轉(zhuǎn)換，緊接著就有延時(shí)過(guò)程，判斷是否轉(zhuǎn)換完成。如果轉(zhuǎn)換完成，就要判斷是否采樣完成，否則都必須循環(huán)。如果電壓電流在允許的范圍內(nèi)，AD就可以正常進(jìn)行，EOC觸發(fā)器重新復(fù)位，然后讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，然后存數(shù)，結(jié)束轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

主要的軟件都做了詳細(xì)介紹，所有的軟件流程都是相互牽制的，如果其中一部分軟件出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)癱瘓。當(dāng)下位機(jī)的采集部分單獨(dú)工作時(shí)，ARM的軟件會(huì)孤立于上位機(jī)獨(dú)自工作，這是部分電路的優(yōu)勢(shì)所在。整個(gè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)，整體效果也比較理想。

4 Matlab計(jì)算阻抗角

采集到電壓信號(hào)和電流信號(hào)后，求其互相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)零時(shí)刻的值與其余時(shí)刻余弦值成正比，通過(guò)正比例的關(guān)系，求出相位差，因此可以獲得阻抗角：

離散化計(jì)算：

通過(guò)調(diào)整采樣點(diǎn)數(shù)k，同時(shí)計(jì)算電壓信號(hào)x與電流信號(hào)y的自相關(guān)與互相關(guān)函數(shù)，可以計(jì)算阻抗角。k值越大，精確度就會(huì)越高，相對(duì)誤差越小。運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 Matlab運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

目前電力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越密集，因此對(duì)輸電線路的基本參數(shù)要求也越來(lái)越多，精度會(huì)越來(lái)越高。通過(guò)以上軟硬件結(jié)合，可以準(zhǔn)確采集到電壓和電流值，再利用Matlab程序計(jì)算兩個(gè)值的互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)，可以求出兩者的阻抗角。隨著技術(shù)的發(fā)展，線路參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目會(huì)更多，以確保電網(wǎng)絡(luò)的安全，所以使用Matlab程序計(jì)算的方法推廣前景良好，應(yīng)用樂(lè)觀。