基于北斗同步時鐘的無線二次核相裝置的設計與實現

戚大為 王成斌 張 強 劉 永 馬永春

（1.國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司 2.南京廣創科技有限公司）

0 引言

在電力系統中，三相電壓的相位是十分重要的，必須要對其進行檢測，如果三相電壓的相位存在較大差異或者進行三相并網作業時相序不對應，則會造成嚴重的電力事故［1-2］。因此在進行變電站新建、電力線路改造、電網并網時，必須要進行核相，以確定三相電壓的相位和相序。

在實際的電力作業中，先進行定相，以判定一次側電氣設備和二次側電氣設備的三相電壓相序是否一致；然后再進行核相，以判定一次側三相電壓相序和二次側三相電壓相序的一一對應情況［3］。二次核相專門針對采用PT降壓后的三相電壓或者較低的三相電壓。

1 相位檢測方法

過零點時刻法檢測原理如圖1所示，對兩個電壓上升沿或者下降沿的過零點時刻進行檢測，將提取的過零時刻值轉化為兩個電壓的相位差，即：

圖1 過零點時刻法檢測原理

其中，t1和t2為兩個電壓信號的上升沿過零點時刻；T為電壓信號的周期值。

由于電網本身質量并不是很好，并且諧波和噪聲含量較高，這就會影響相位檢測的結果，可以采用濾波器進行濾波處理，剔除電壓中的諧波和噪聲，并將正弦波信號變換成方波信號，只要計算出脈沖信號的時間差值，便可得到相位信號的差值，波形變換法檢測原理如圖2所示。

圖2 波形變換法檢測原理

2 遠程數據傳輸技術

北斗系統主要包括了三大部分，即空間段、地面段、用戶段。空間段包括了靜止軌道衛星和非靜止軌道衛星；地面段包括了主控站、監控站等；用戶段包括了北斗用戶終端和與北斗系統相兼容的用戶終端。北斗系統能夠提供定位、測速、授時和通信服務，通信服務支持短報文系統［4-5］。短報文系統支持用戶通過手持設備與地面主站進行雙向報文通信。

3 核相裝置的實現

3.1 硬件部分

3.1.1 射頻模塊

射頻模塊分為兩部分，分別配置在高壓檢測探頭和手持設備上，高壓檢測探頭會將采集到的網壓相位、電池電壓、網壓幅值等數據通過射頻模塊發送出去，由手持設備接收［6］。成對的高壓檢測探頭工作在相同的頻段，基于不同的地址編碼來實現高壓檢測探頭傳輸數據的區分，在手持設備端通過地址辨識機制來固定地址傳輸的數據。

手持設備和高壓檢測探頭的射頻模塊采用美國TI公司的射頻芯片CC1101，該芯片適用于短距離射頻通信，供電范圍寬、功耗低，通過寄存器配置進行射頻輸出頻率的調整，通過SPI接口和內部FIFO對射頻芯片進行控制。在進行數據接收時，先通過低噪聲放大器進行放大處理，再進行積分、相位變換、降壓等處理后得到中頻信號，中頻信號經過模數轉換變為數字量；在進行數據發送時，通過SPI接口將數據寫入到寄存器，然后對數據進行打包處理，最后完成調制通過功率放大器發送［7］。射頻芯片CC1101的引腳定義見下表。

表 射頻芯片CC1101引腳定義

射頻芯片CC1101的外圍部分主要由供電單元、晶體振蕩器、偏置電阻、天線等幾個部分組成。CC1101芯片的射頻接口由RF＿N和RF＿P組成，屬于平衡型結構，由于布線方面的限制，只能選用單極性方式的天線，可以基于巴倫模型進行平衡傳輸到非平衡傳輸模式的變換，進行信號的調制。巴倫模型的作用是將一對幅值相同、相位相反的信號變換為單端信號，或者將一個單端信號變換為一對幅值相同、相位相反的信號［8］。

射頻放大器的效率和線性度兩個指標是存在關聯關系的。效率定義為射頻輸出功率和電源輸入功率的比值。在輸出信號的功率較低情況下，射頻放大器的增益維持在穩定狀態，能夠保證輸入與輸出之間的比值維持在定值，但是當輸出信號的功率逐漸增大的情況下，射頻放大器的增益會趨于飽和狀態，輸入與輸出之間由線性關系轉變為非線性狀態，提高輸出信號功率的代價是犧牲線性度，這時需要在射頻信號的輸出端對輸出信號進行濾波［9］。

3.1.2 相位檢測探頭

相位檢測探頭的核心處理器選擇美國TI公司的射頻芯片CC430F5137，該芯片供電范圍較寬，具有一種普通工作模式和五種低功耗工作模式，可以根據實際需求自行選擇。相位檢測探頭的任務是檢測電網相位，并將電網相位數據、電壓幅值數據、供電電池電量等通過射頻模塊發送到手持設備。該相位檢測探頭能夠檢測的電壓等級分為12V～10kV和10kV～35kV兩種。

3.1.3 手持設備

手持設備由北斗定位模塊、GPRS通信模塊、語音交互模塊、LCD模塊等組成。其主控芯片選用Atmel公司的SAM7X512，該芯片的核心處理器ARM7TDMI的主頻能夠達到55MHz，基于該主控芯片的最小系統包括了通用數字量輸入輸出、外部晶體振蕩器、鎖相環供電電路、濾波器電路、FLASH外部電路、JTAG外部電路等。為了實現相位核準功能，北斗定位模塊需要能夠實現衛星授時功能，為電網相位的測量功能提供時間基準。根據設備尺寸和功耗要求，選擇UM220-IIIN芯片作為北斗定位授時芯片，該芯片具備冷啟動和熱啟動兩種啟動方式，UM220-IIIN芯片將秒脈沖信號通過數字量接口傳輸至主控芯片進行衛星授時操作，其串口與主控芯片的串口連接進行數據傳輸［10］。GPRS通信模塊采用華為公司的EM310模塊，該模塊工作電壓范圍寬，能夠工作在GSM900和GSM1800兩個頻率段。手持設備還能夠進行語音播報，語音交互模塊選用佳強電子的JQ6500模塊，該模塊集成有主控芯片和專門的音頻解碼DSP。為了保證功耗要求，選用深圳科飛研公司的LCD模塊，其型號為COG240160C，能夠通過對每個點的灰度進行設置來顯示文字或者圖片。

3.2 核相方法

當兩個相位檢測探頭檢測到起始幀后，內部定時器從接收起始幀到電網電壓第一個上升沿后觸發工作。發送起始幀后200ms再發送輪詢幀，相位檢測探頭接收到輪詢幀后再將檢測到的上升沿時間通過返回幀發送到手持設備，手持設備將接收到的兩個相位檢測探頭的返回幀的時間轉換為角度，如果一定時間內未接收到返回幀，則認定缺項。

4 相位檢測探頭功能測試

相位檢測探頭的功能測試主要包括如下兩方面：無線通信穩定性測試、相位檢測精度測試［11-12］。

無線通信穩定性測試：由于相位檢測探頭處于高電壓、強磁場、強輻射的環境中，會對射頻通信產生一定程度的干擾，通過相位檢測探頭的LED指示燈來判定無線通信的穩定性，LED1用于顯示電源狀態（常亮），LED2用于顯示通信狀態（周期1s閃爍），測試發現LED指示燈顯示均正常。

相位檢測精度測試：測試發現相位差為20°，完全不滿足系統精度要求，經分析，發現是濾波電容的精度值較低導致電容值不準確，在濾波時導致波形出現了延遲，從而導致相位差較大，因此對濾波電容精度進行調整。濾波電容的精度由5%調整為0.1%后相位差為2°，滿足要求。

5 結束語

目前，我國正在大規模建設智能電網，智能電網對于變電站的改造、電網容量的升級、發電設備的并網都提出了更高的要求，電網的相位核準是一項重要的工作。本文基于北斗導航系統的同步時鐘體系，采用無線通信方式進行數據傳輸，對工頻的正弦波電壓進行相位核準，以判斷輸電線路的實際相位與基準相位的偏差，從而采取有效措施進行處理。核相裝置在硬件選型上普遍選用了低功耗芯片，具有較低的功率消耗。經過功能測試，相位檢測探頭具有較高的測試精度和較穩定的通信效果，具有一定的應用價值，可以進行普遍的推廣應用。