基于单片机和ARM的变电站互感器极性智能检测系统分析

张强，欧传刚

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

基于单片机和ARM的变电站互感器极性智能检测系统分析

张强，欧传刚

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

研制了一种针对全站互感器极性检测的系统，针对现有传统变电站特点，在主变前和主变后分别放置激励源，在配电室和继电室进行二次侧数据采集，通过将一次侧信号与二次侧信号比较得出互感器极性情况。介绍了检测方法的基本原理和一二次侧硬件、软件组成，试验结果表明，可以智能检测出互感器极性的正确性，提高工作效率。

电力互感器;极性检测;无线传输;时间同步;自适应频率跟踪

0 引 言

在传统变电站中，电流、电压互感器占有重要作用，作为测控、计量设备的信号源，电压、电流互感器二次侧向测控、计量设备提供电流和电压信号，实现对电力系统的实时监控，所以，电流、电压互感器二次侧接线的正确与否尤为重要，关系到电力系统的可靠运行。

现有的电力互感器的检测工作主要包括三个阶段[1]，第一阶段主要是生产厂家进行出厂验证，第二阶段集成厂家对电力系统二次侧系统进行互联、互通一致性进行检测，第三阶段国家电网公司对新建变电站进行综合检测。第三阶段中电网公司进行检测时，主要采用[2]：①、直流法，②、交流法。使用较为广泛的是直流法，即使用在互感器一次侧使用干电池，进行导通，在互感器二次侧采用指针式万用表，观察干电池接上的瞬间万用表的指针偏转情况来判断。该方法在实施过程中非常的繁琐，一旦沟通出现问题检测就会失败，同时，在变电站中电力互感器，种类很多，采用该方法工作效率很低，也可能会出现漏检的情况。

在此基础上提出了针对变电站内互感器极性智能检测系统，主要包括电源激励系统和数据采集和处理系统。

1 检测方法基本思想

针对目前传统变电站内互感器类型多、种类杂、数量多的特点，本检测方法以变电站内间隔为单位，将每个间隔内所有互感器类型和型号编写出来，将方案导入到测试终端进行测试，做到不漏检、不重复检测的目的。测试方法完成激励信号发生、一二次信号对比、检测结果显示、整改方案等功能。

因为变电站内主变在变压和传递功率的过程中，其自身会产生有功损耗和无功损耗，考虑到测试装置大小以及重量，本装置提供2 kW的测试功率，因此本装置的功率在通过主变之后功率基本上被主变消耗，这样会造成无法对主变之后的互感器进行检测，鉴于以上考虑，本检测方法通过改变激励电源位置避开主变，依次将激励电源放在主变之前对主变之前互感器进行检测，接着将激励电源放在主变之后对主变之后互感器进行检测。

2 测试系统研究

根据基本思想的分析可以形成整个测试系统，该测试系统主要包括一次侧激励电源系统和二次数据采集处理系统，图1所示是整个检测系统的原理图。

实验过程中通过对一次侧和二次侧数据的幅值，相位进行比较得出互感器的极性情况，以下对电压、电流互感器的判断依据进行分析。

图1 测试原理图

电压互感器以三相五柱式电压互感器完全星形接线为例，接线图如图2所示。

图2 三相五柱式电压互感器接线图

该接线方式正常情况下开口三角形上电压为0，当开口三角形出现极性问题时，电压不为0，但是哪相极性错误不能知道，因此对于该接线方式需要进行两次测量，第一次对完全星型部分进行检测，在互感器一次侧通入三相对称电压，极性问题以a相极性错误，a、b相序错误，a、b极性错误，判据如表1所示。

表1 星型接线典型极性错误判据

根据上表的判断依据，可以直接分析出互感器二次侧极性情况。

电流互感器以Yd11为例，接线图如图3所示。

图3 三角形接法Yd11电流互感器

在电流互感器一次侧通入三相对称电流，以a相极性错误，a、b相极性错误，a、b相序错误为例，具体判断依据如表3所示。

表2 开口三角形错误极性判据

表3 三角形Yd11电流互感器典型极性错误判据

测试过程中首先将激励电源安装在进线出对主变前互感器进行检测，接着将电源移至主变低压侧对主变之后互感器进行检测，整个测试过程，检修人员只需要根据手持终端提示进行操作即可，最终的测试结果显示在显示屏上并且保存到SD中以便复查。

3 激励电源系统研究

单个激励电源基于TMS320F2808[3]的DSP芯片设计，主要包括继电器模块、升压升流模块、数据采集以及无线模块等组成，具体原理图如图4所示。

图4 激励电源原理图

激励电源输入为220 V的工频电源，测试过程中无线模块接收来自一次侧测试指令，当进行电压互感器测试时，DSP驱动继电器导通升压器，将电压通过升压器进行升高，具体升高的数值根据系统设定值，当进行电流互感器极性检测时，通过继电器导通升流器将电流升高到设定数值，其中升流器采用降压变压器原理实现电流升高。同时通过A/D采样将产生的激励电源信号进行采集通过无线模块将信号发送到二次终端上与二次侧信号进行比对，得出极性正确情况，因为变电站信号干扰较大，为了去除现场干扰，电源模块中采用了OPA2277的A/D采样芯片，该芯片中内置了模拟抗混叠滤波器(二阶巴特沃兹滤波器)，可以对信号有很好的滤波效果，在实际使用中需要三相输入，因此需要将上述激励电源通过Y型连接在一起给系统输入，激励电源实物图如图5所示。

图5 激励电源实物图

从图5可以看出，激励电源包括两层，上层是基于DSP的控制模块，下层是升压升流器，主要的重量集中在升压升流器上。

4 二次手持终端研究

二次手持设备主要基于STM32F103[4]进行设计，用来采集互感器二次侧信号，将采集信号送入STM32F103芯片中进行处理，最终在显示屏上显示检测结果，主要由SD存储、无线传输、同步数据采集、测试方案导入功能等组成，原理图如图6所示。

图6 二次侧手持终端原理图

本检测方法通过比对一次侧和二次侧信号幅值和相位得出极性的情况，因此必须保证采集的一、二次侧信号的同步，这样才能通过相位比较得出极性，无线传输数据中的不同步主要因为[5-6](1)、各自计时器的晶振存在频率差异和不稳定；(2)、WSN报文传输过程中的延迟，针对不同步情况本方法采用DMTS算法进行控制，计算出一次侧信号发送时间T1和接收时间T2之间的时间差t，将接收到的信号时间减去时间差即T2-t，可以将一次侧的信号采集时间和二次侧信号采集时间达到同步。

鉴于变电站内互感器种类多、数量大等特点，本方法以间隔为单位列举出了所有互感器型号、接线方式、测量方法、电压等级、注意事项，将上述内容制成excel表保存到SD中。

测试过程中自动导入到手持中终端上，检修人员在检修过程中只需要根据终端设备屏幕显示进行相关操作即可完成整个测量，不会出现漏检和重复检修的情况。

5 试验验证

为了验证本检测系统的正确性，对(600/5)A和UN/57.7的互感器进行测试实验，将三台电流互感器以及三台电压互感器按照现场互感器类型进行接线，模拟现场接线错误情况，使用本设备进行测试，现场实验图如图7所示。

图7 现场实验图

实验过程中将激励源放在互感器一次侧，检修人员在二次侧用手持终端根据屏幕显示进行检修，每组互感器检修完毕后，检测结果显示在屏幕上，提示检修人员该组互感器是否存在问题，以及该互感器的基本信息，以三相星型电流互感器a相极性错为例二次侧手持终端显示情况如图8所示。

图8 结果显示图

在图8中可以很直观的看出来被检测的互感器基本信息以及最终的检测结果，最终显示出“电流互感器三相星型测试完成，A相极性错误”，可以方便检修人员进行修改。

6 结束语

综上所述，本测试系统具有很多优越性，在结构上采用激励电源和二次侧终端分离，使用中不受位置限制，使用测试方案导入技术，相较于传统检测技术，本系统提高测试效率、减少人员参与，不会出现漏检和重复检测的情况，检测结果直接显示在屏幕上，正确性很高。但是本检测系统也存在不足之处，主要是在检测电流互感器时，需要人为接线形成回路，这也是本系统在今后需要进行进一步研究达到不需要人为干预即可完成电流互感器回路形成，进行测试。

[1] 井实.智能变电站二次系统测试方法及其关键技术研究[D].成都:电子科技大学，2013.

[2] 叶启明．判断电压电流互感器极性的新方法[J].大众用电,2005,21(8):30-31．

[3] 张卫宁.TMS320C28系列DSP的CPU与外设(下)[M].北京:清华大学出社,2005.

[4] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010,31(10)：59-63.

[5] 徐焕良，刘佼佼，王浩云，等.WSN/WSAN中的时间同步算法研究[J].计算机工程与应用，2012，48(31)：56-60.

[6] 郑顾平，马粤.基于高斯模型的DMTS时间同步算法研究[J].科协论坛，2013,28(9)：125-127.

[7] 尹继亮.积分方程快速傅里叶变换方法的研究及应用[D].成都：电子科技大学电磁场与微波技术,2010.

Analysis of MCU & ARM-based Intelligent Detection System for Substation Transformer Polarity

Zhang Qiang， Ou Chuangang

(NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

A system for whole substation transformer polarity detection is developed. Aiming at existing conventional substation characteristics, the system provides the excitation sources in front side and back side of the main transformer for dual-side data acquisition in the distribution chamber and relay chamber and then, compare the primary side signal with the secondary side signal to educe the transformer polarity. This paper presents an introduction on basic principle of the detection method and the composition of primary-side and secondary-side hardware and software. Experimental validation proves that the system can intelligently detect the correct polarity in the transformer and improve the work efficiency.

power transformer; arity detection; wireless transmission; time synchronization; adaptive frequency tracking

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.033

TM74

A

1000-3886(2016)05-0105-04

张强(1978-)，男，河南信阳人，博士，研究方向为新能源与电能质量治理。

欧传刚(1990-)，男，江苏南京人，硕士，研究方法为电力电子。

定稿日期: 2016-04-06