一种电压波形记录核相仪的设计与研究

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(国网湖南省电力公司株洲供电分公司，湖南 株洲 412000)

一种电压波形记录核相仪的设计与研究

刘维波，安祖辉，张晨龙

(国网湖南省电力公司株洲供电分公司，湖南 株洲 412000)

介绍了现有核相仪的工作原理，提出了一种基于电网电压波形记录原理的新型核相仪。该核相仪通过记录一个待核相点的电压波形，并将其动态保留在系统的存储器中，再检测另一个待测点的电压波形，将其与所保留的动态波形进行对比，如果相位差在误差范围内则判定为同相，若相位差较大则判定为非同相。通过分析可知，该核相仪有效提高了核相效率。

波形记录；核相；电力线路；相位检测

1 引言

架空线路或者电力电缆线路在传输假设过程中由于换相或者线路检修，在到达线路终端时可能造成相序不一致的情况，因此在电力系统环网和双电源电力网建设或检修中，对于闭环点断路器两侧电源进行相位核对是一项非常重要的试验项目，如果核相不正确可能发生相间短路甚至三相短路故障，后果不堪设想。因此对于新建成的变电站、输电线路改造、电网并网的过程中,为了保证相序和相位的正确需要执行定相和核相的工作[1-2]。对于以下情况必须要进行核相的操作[1]:

(1)新増加或者变动的输变电线路;

(2)对于输变电站进行倒巧操作时;

(3)新发电站准备并网发电之前;

(4)输变电站工程改造或者扩建后。

2 现有核相技术介绍

2.1 有线核相技术

就地有线核相如图1所示，采用该核相仪一般需要3个工作人员进行相互配合操作。其中两人穿戴绝缘设备各自手持绝缘杆将绝缘杆上的高压引线与待核相的高压线接触,将高压信号引到手持设备上，第三位操作员需要操作手持设备进行电压相位读数并记录手持设备的数据[1]。

图1 有线核相仪工作原理

2.2 无线核相技术

本地无钱核相方式如图2所示，不需要将线缩引到手持设备上,因此比较安全，需要三人操作，其中两人穿戴绝缘设备各自手持绝缘杆将绝缘杆上的高压引线与待核相的高压线接触,第三人读取数据。但是相比于有线相位检测头,无线相位检测头需要增加无线模块来实现无线数据的传输。其主要技术难点在于高电压和高电磁福射的环境下要保证无线通信的稳定性[1]。

图2 无线核相仪工作原理

3 波形记录核相仪的设计

3.1 基本原理

我国电力系统中电压波形是频率为50Hz的正弦波，同相的两条线路其相位应该时刻相同(或者相位差很小)。本文设计的波形记录核相仪其工作过程为：第一步：通过采样线路上某点的电压正弦波信号后将其记录保存，该波形以采样时的相位为基准，按照50Hz的频率时刻变化，该波形便与所检测线路的电压波形保持同步；第二步：再采样记录另外一条线路的电压波形；第三步：系统自动比较这两个波形的相位差，如果相位差在误差范围内，说明这两条线路同相，若超过误差范围，则说明这两条线路不同相，或者不能合环[3]。

3.2 设计思路

本核相仪系统分为四个步骤实现：

步骤一：测试芯片的A/D转换速率，以STM32为例，定义一个long int型的变量Number，初始化为0，Number预估值为20000。芯片在0.02s内采集正弦波数据，每采集到一次，Number +1；最后读取Number的值。

步骤二：假设一个数据采样点A点，建立一个a[50][20]的二维数组。每0.02s采样一次，每一次从采集到的20000个数据中按照时间分布，取20个数据存入数组，采样50次后停止检测，计算时间，计算过了周期数。

步骤三：波形信号的模拟。采样结束后，STM32计时器开始计时，等待核相仪再次进入采集状态。若进入采集状态，计时停止，提取计时器数据，计算周期数，模拟出波形，并按照原相位和频率保存波形。

步骤四：采集比较点(假设为B点)的数据，按照A中数据的存储方式存放在数组。将两个数组中对应的数据做商，如果所有结果都保证在+1.05～-1.05之间，确定A、B两点的波形相同，同相指示灯亮。

图3 设计思路图

3.3 功能模块设计

(1)波形采集模式

添加一个触点开关SB1，按下为波形采集模式，从按下起，采集到的第一个非零数据开始，STM32开始按照0.1μs一次的速度采集波形信号。每0.02s，提取出20个数据，存入数组，循环往复，提取50次。指示灯亮起，表示波形数据采集完毕。再次按下触点开关SB1，退出波形采集模式。

(2)波形模拟模式

当50次数据采集完毕，系统自动进入波形模拟模式，STM32中的计时器开始计数。

(3)波形对比模式

添加一个触点SB2，按下为波形采集模式，从按下起，开始采集到的第一个非零数据开始，STM32开始按照0.1μs一次的数度采集波形信号。每0.02s提取出20个数据，存入数组，循环往复，提取50次。开始进行波形比对，对两个数组中对应的元素进行求商，判断商的值能否保持在一定范围内，如果处于一定范围，同相指示灯点亮，系统结束。

图4 波形对比示意图

4 硬件系统设计

4.1 控制器选择

本核相仪采用STM32作为控制器，其具有如下特点：

(1)拥有32MHz的晶振;

(2)内置2个12位的AD且拥有高达1M的采样速率；

(3)可检测PWM脉宽和频率；

(4)优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，硬件完成现场保护与恢复，中断嵌套时，只需保护和恢复一次现场，即使在恢复现场的时候再次中断也不需要再次保护现场，只需6个clk的调整时间。

因此STM32满足系统功能要求，其引脚配置图以及最小系统图如图5、图6所示。

4.2 A/D转换模块

STM32内置2个12位的AD转换通道，且具有1M的转换速率。因此在AD转换方面并不需要其他的芯片。

12位AD转换，采集100V电压的最小采集电压为：

100/(212)=0.02441V

因此系统对比的最大误差为0.04882V。

1M的采样速率，一秒钟采集数据的次数为 1/0.000001=1000000

图5 STM32引脚配置图

图6 STM32最小系统图

其工作流程如图7所示。

图7 A/D转换模块工作流程

5 软件设计

A点波形的采样：首先将第一个0.02s采集到的20000个数据存放在一个数组里，通过for循环将其中为第1、100、200、300 ………的20个数据提取出来存入采样数组a[0][ ]中。将第二0.02s中提取出来的20个数据存入采样数组a[1][ ]中，如此50次。采样数组a[50][20]被填满，采样结束。

其波形信号的模拟，采样结束后。STM32计时器开始计时，等待核相仪再次进入采集状态。若进入采集状态，计时停止。提取计时器数据，计算经过多少周期，模拟出波形的相位。

B点波形的数据，按照A中数据的存储方式存放在数组。

数据对比：将两个数组中对应的数据做商，若所有结果都保证在 +1.0005～-1.0005 之间(这个精读可自行设定)，则确定A、B两点的波形相同，同相指示灯亮。反之提示波形不同。

6 结语

采用传统核相仪核相时至少需要三人进行工作，其中两人将绝缘杆上的高压引线与待核相的高压线接触,将高压信号引到手持设备上。而采用波形记录核相仪时只需要一人首先将绝缘杆上的高压引线先与A点待核相的高压线接触，待A点电压波形保留后再与B点待核相的高压线接触，从而准确核相，因此工作工程只需一名工作人员，与传统核相仪相比减少一人，有效地提高了核相效率。

[1] 冯悠扬.基于北斗授时系统的智能高压无线核相仪的研究和实现[D].南京：东南大学，2015.

[2] 张金波,王俊,范梅荣,等.实用高压电力线路无线核相仪的设计[J].电力自动化设备，2005(25)：65-66.

[3] 刘公致,郭裕顺.一种较精确的相位测量方法[J].杭州电子工业学院学报,1999,19(1):44-50.

DesignandResearchonaKindofVoltageWaveformRecordNuclearInstrument

LIUWei-bo,ANZu-hui,ZHANGChen-long

(Zhuzhou Power Cupply Brench Company,Hunan Power Company,Zhuzhou 412000,China)

The paper presents the operation principle of the nuclear instrument now available.Put forward a new type nuclear instrument based on the record principle of the electric network voltage waveform.The instrument records the voltage waveform of a nuclear point retaining its dynamic state in the system storage.Check the voltage waveform of another control point to be awaited. Compane it with the dynamic stafe waveform.If the phase difference is in the scope of the error,the judge is the same.If the phase difference is higher difference, the judge is not the same.By analyzing,the nuclear-mstrument increases the nuclear instoument efficiency.

waveform record;nuclear instrument;power line;phase check

1004-289X(2017)02-0079-04

TM24

B

2016-10-23