试论高压电气试验设备及技术改进

朱珂弘

摘 要：高压电器试验门类较多，试验设备较为复杂。选用用于测量冷备用设备状态的频率响应的测量设备进行技术改进，通过基于全志A20的双核ARM7架构SCM的外围硬件选型设计和内部软件算法，对这次技术改进的具体细节进行分析。经过此次技术改进的设备，可以大幅度缩短测量时间，排除人工操作对测量结果的影响，实现高精度快速频响曲线的测定。

关键词：高压电气；试验；设备；技术改进

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0027-02

高压电气设备试验分为两部分：一部分是安装前的功能试验，测试设备的绝缘和其他性能是否适应工程设计和安装的要求；另一部分是检修期间的状态试验，通过一定的激励方法，得到设备的接地绝缘、相间绝缘和频率响应等参数。本文将重点讨论基于SCM频率响应曲线的测定方法。

1 需求分析

高压设备频率响应曲线的X轴为频率单位，表示输入的激励信号的频率；Y轴也是频率单位，表示系统返回的响应信号的频率。一般情况下，我们使用频率发生器对系统置入固定量激励频率，然后记录频率计测量的系统响应频率。这个过程由于需要人工读取相应的数据，所以往往为了获得较精确的频响曲线，需要多次测量和多次读数，才可以进行计算机辅助绘制。而采用谐振频率计进行测量的过程较长，且测量精度并不理想。

本文希望开发一个外挂系统，该系统通过与频率发生器控制端连接，控制频率发生的状态，同时采用数字化方法，使用两级电压比较算法得出相应曲线的频率。该方法测量较为迅速，往往可以在数秒时间内完成一个设备较为密集的频响曲线的绘制。

2 硬件设计

首先，DG5102频率发生器是以往常用的频率发生器，该发生器可以发生任意波形、任意频率的脉冲信号，而且支持外部控制线路输入。本系统仍然采用该设备作为频率发生设备。

其次，在频率接收端不再使用全手动测量的UT621谐振式频率测试仪或功能较为过剩的AT5005频谱分析仪，而是采用嵌入式设备迅速测定频率响应曲线。嵌入式设备主要包括信号捕捉电路部分和频响信号计算部分。本文系统需要的不是固定频率上的相应频谱，而是要获得不同激励频率下的等效响应频率，而等效响应频率应该在相同的测量方式和等效算法下得出，这样才具有参考价值。

所以，我们设置了两个独立的电压比较回路，回路使用电压失调仅2 mV的LM339芯片，形成4个电压比较等级，通过此比较方式形成一个4位数据，该4位数据经过SN74HC573NSR锁存后，供中央处理器调用分析。同时，当高位电压比较H1出现响应时，触动一个控制事件，以确保CPU有中断时间读取该信号。而为了数据测量精度需要，本系统采用运行在800 MHz前端总线上的全志A20双核ARM7核心板进行测量，该核心板除安卓基本程序外，不安装其他软件，所有数据采用AQLite进行管理。

内置1 GBROM、512 MBRAM、4 GBTFCardDRIVER都是通用开发板实现的，系统不再部署其他设备，3.4英寸的触摸显示屏及其控制器也使用通用开发板配套设备实现。

3 数据采集算法（DG）

采用简化小波分析法，可以得到波峰和波谷的位置。因为采样频率达到800 MHz，而实际频响测定曲线测定范围为10 kHz～35 MHz，所以，如果将前一次信号在寄存器中寄存，在新信号进入后进行比较，往往会出现三种变化状态：①接收信号=寄存信号（变化状态E）；②接收信号>寄存信号（变化信号U）；③接收信号<寄存信号（变化信号D）。

当信号不为E时，使用标志变量在通用寄存器中存入状态变化信号的预存状态来找到拐点。存在四种拐点状态：①持续上升信号（拐点状态LU）；②持续下降信号（拐点状态LD）；③上升信号起点（拐点状态GU）；④下降信号起点（拐点状态GD）。

基于硬件的小波判定算法如下：①规划EDX和寄存器作为三段使用，因为EDX寄存器有32位的宽度，而本系统只需要一个4位的拐点状态判定数据、一个4位的变化状态状态和一个8位的电压信号寄存状态。使用第一个字节（HEHDX）作为变化状态寄存，第二个字节（HELDX）作为拐点状态寄存，将8位数据作为整型数据直接写入LEDX。②受到脉冲信号触发，CPU读取锁存器信号后，将寄存器信号进行分割，再得到3个变量值。③对状态信号进行一次判断，对拐点信号进行一次判断，刷新之前存储的脉冲电平值。④读出状态信号变化时的时间戳，使用C语言中的ADO控件调用SQLite进行存储。

4 数据分析算法（DD）

数据库的记录集结构为：时间戳作为索引变量，二进制的拐点变量使用8位二进制变量存储。数据库中仅写入拐点变量为上升信号起点（拐点状态GU）和下降信号起点（拐点状态GD）的时间戳数据。数据分析算法如下：①构建判断数列[L（i）]。②对数据库中使用Step1每一个临近的GU数据进行时间戳相减，得到时间间隔。对时间间隔求方差，存入L（1）。③对数据库中使用Step2每一个临近的GU数据进行时间戳相减，得到时间间隔。对时间间隔求方差，存入L（2）。④依照②—③循环，假设共测量M个时间周期，那么可以建立M/3个循环，测试L（i），i∈[0，M/3]个方差数据。⑤使用冒泡算法得到L（i），i∈[0，M/3]中的最小值；使用点兵算法得到该数据在L（i），i∈[0，M/3]中的映射指针Q.⑥根据映射指针Q做一个数列，数列内容为使用StepQ每一个临近的GU数据进行时间戳相减，得到时间间隔，记为Q（i），i∈[0，M/Q]。对Q（i），i∈[0，M/Q]求算数平均值AVR[Q（i）]，i∈[0，M/Q]，该平均值即为该频率激励模式下的返回结果。

在以上算法中，也可以针对GD的时间戳进行同样的运算，其计算结果应该是一致的，误差率在0.3‰以下。之所以需要花费较多的CPU周期得到L（i），i∈[0，M/3]中的映射指针Q，是因为大部分频响曲线都不是标准的正弦曲线，且曲线中带有较多的杂波干扰，通过以上方式可以得到最稳定的波形周期。

5 其他算法

DG算法和DD算法是本系统的核心算法，但本系统还应该拥有其他的内容：①在完成一个特定频率的测量后，应自动向频率发生器索取下一个跳频点的频率支持；②本系统的4 GBTFCardDRIVER管理的使用开发板自带的控件进行管理，管理主动权主要来自于SQLite对4 GBTFCardDRIVER的控制权；③本系统的显示较为简单，仅涉及一个进度条和一个软件类型指示，便可完成整个测量阶段的显示。而结果采用位图方式直接在屏幕上显示，且在4 GBTFCardDRIVER的控件支持下在TF卡中存储。参数设置采用两种方式，快速设置方式在启动菜单中体现，而用户设置可通过脚本文件的方式实现。

6 结束语

本系统可以加快高压设备电力系统频率响应曲线试验的进程，使大部分设备的高密度、高精度频率响应曲线的测量放弃了手工测量的方式，直接使用高密集、高精度的系统对频响曲线进行测绘。通过本系统，基本可以在15～20 s内完成超过50个测量点的高精度高压电力设备频率响应曲线的测绘。

参考文献

[1]洪晔.高压电机及开关电气试验自动化测试系统研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[2]赵东野.高压电气试验设备与技术问题研究[J].科技致富向导，2014（12）.

〔编辑：李珏〕

Abstract： The high-voltage electrical test categories are more complicated test equipment. Selection of cold standby equipment used to measure the frequency response of the state of measuring equipment for technical improvements， selection of peripheral hardware-based design and internal software algorithms Gazetteer A20 dual core ARM7 architecture of SCM， on the details of the technical improvements were analyzed. After the technical improvement of equipment， can greatly shorten the measurement time， excluding the impact of manual operation on the measurement results， to achieve high accuracy and fast response measurement curve.

Key words： high voltage electrical； test； equipment； technical improvements