專利名稱：輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，線路參數(shù)需要在線路建成初期測(cè)定。而且這些物理參數(shù)雖然在相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)變化，但由于長(zhǎng)期投運(yùn)后導(dǎo)線的老化、土壤電阻率變化，或者氣候、環(huán)境及地理等因素的影響都可能會(huì)使線路參數(shù)發(fā)生變化。因此電力調(diào)度部門要求實(shí)測(cè)輸電線路的工頻參數(shù)。工頻參數(shù)一般包括直流電阻、正序阻抗、相間電容、正序電容、零序電容以及多回平行輸電線路間的耦合電容和互感阻抗，這些參數(shù)均是在進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、繼電保護(hù)整定計(jì)算和選擇電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等工作之前須建立電力系統(tǒng)數(shù)字模型的必備參數(shù)，這些參數(shù)的計(jì)算往往比較復(fù)雜且難以準(zhǔn)確計(jì)算架設(shè)線路環(huán)境對(duì)線路參數(shù)的影響。
值得注意的是，在測(cè)量輸電線路的工頻參數(shù)時(shí)，來自臨近線路的系統(tǒng)干擾電壓會(huì)非常大。此時(shí)，如果采用常規(guī)工頻參數(shù)測(cè)量方法，即采用工頻電源作為測(cè)量用信號(hào)源，由于干擾波形會(huì)嚴(yán)重畸變，而且信號(hào)不穩(wěn)定，信噪比會(huì)非常低。這必然會(huì)引起相當(dāng)大的測(cè)量誤差，甚至根本得不到準(zhǔn)確數(shù)值。雖然通過提高工作電壓和采取電源倒相法、移相法，可以在一定程度上減小干擾，提高信噪比，但通過升高測(cè)量電壓由于受到電源功率、重量，移相器功率、體積等的影響，使測(cè)量工作十分困難，并且測(cè)量結(jié)果不能信服。因此，研究新的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方案十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有工頻參數(shù)測(cè)量方法的原理缺陷和技術(shù)含量不足，提供一種能克服臨近線路干擾的智能高效新式輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方案。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法在100～2000HZ中頻范圍內(nèi)掃頻測(cè)量輸電線路，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的信噪比設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的頻率，根據(jù)輸電線路長(zhǎng)度設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的電壓，采集輸電線路的基本電路參數(shù)后計(jì)算得到輸電線路工頻等效參數(shù)。
而且，采用變頻單相或三相交流電源實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源，根據(jù)輸電線路的長(zhǎng)度選定測(cè)量用信號(hào)源的輸出電壓，輸出電壓值范圍為20～500V。
而且，將測(cè)量用信號(hào)源施加到輸電線路時(shí)，采用高于電力系統(tǒng)工頻以上2～40倍頻率的數(shù)控單相或三相隔離變壓器隔離測(cè)量用信號(hào)源和輸電線路。
而且，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源的頻率和電壓的自動(dòng)設(shè)定，步驟如下，(1)啟動(dòng)電源產(chǎn)生最小幅度測(cè)量信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)加載到輸出端，信號(hào)頻率于100～2000HZ中頻范圍內(nèi)連續(xù)變換，并同時(shí)檢測(cè)輸出電流大??；(2)根據(jù)輸出電流大小計(jì)算信噪比，確定出信噪比高的測(cè)量用信號(hào)源的頻率；(3)由小到大調(diào)節(jié)電源電壓，調(diào)節(jié)同時(shí)檢測(cè)輸出電流大小，直到輸出電流信號(hào)大小滿足輸電線路長(zhǎng)度測(cè)量要求時(shí)確定為測(cè)量用信號(hào)源的電壓。
而且，所述基本電路參數(shù)包括給定頻率下電壓、電流和相位，通過計(jì)算和分析得出給定頻率下的線路參數(shù)電容、電感、電阻值，然后經(jīng)過計(jì)算和分析得出對(duì)應(yīng)要求的工頻時(shí)的工頻等效參數(shù)，包括直流電阻、正序阻抗、相間電容、正序電容、零序電容以及多回平行輸電線路間的耦合電容和互感阻抗。
本發(fā)明還提供了上述輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法所用的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，包括以單片機(jī)為控制核心的分析和控制系統(tǒng)，及受單片機(jī)控制的智能數(shù)控變頻變壓電源、電壓電流檢測(cè)電路、數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，智能數(shù)控變頻變壓電源向輸電線路提供測(cè)量用信號(hào)源，輸出電壓電流檢測(cè)電路由輸電線路檢測(cè)電路信號(hào)后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本電路參數(shù)送入單片機(jī)。
而且，所述智能數(shù)控變頻變壓電源采用基于SPWM技術(shù)的數(shù)字變頻電源方案實(shí)現(xiàn)，包括SPWM波形發(fā)生器和功率輸出器件，SPWM波形發(fā)生器在單片機(jī)控制下產(chǎn)生的SPWM脈沖信號(hào)控制功率輸出器件。
而且，單片機(jī)輸出信號(hào)與SPWM波形發(fā)生器之間設(shè)置了光電隔離器，電源輸出到輸電線路之間設(shè)置了隔離變壓器，電壓電流檢測(cè)電路采用隔離電壓變送器和隔離電流變送器。
而且，所述數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路包括中心頻率與電源隔離變壓器相應(yīng)的帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器，隔離電壓變送器和隔離電流變送器接入帶通濾波器，帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器順次連接，單通路A/D轉(zhuǎn)換器的輸出接入單片機(jī)。
本發(fā)明利用電力線路的等效參數(shù)實(shí)質(zhì)上是等效電阻、等效電容、等效電感的特點(diǎn)，是輸電線路的固有特性，在一定的頻率范圍，不受測(cè)量信號(hào)頻率的影響，通過施加高于工頻(50Hz左右)2倍～40倍的中頻頻率(100～2000HZ)進(jìn)行測(cè)量，避開了信噪比較差的頻帶，求取工頻等效參數(shù)，解決了直接進(jìn)行工頻測(cè)量因干擾巨大而無法獲得正確測(cè)量值的問題。本發(fā)明提供的輸電線路參數(shù)測(cè)量方法比傳統(tǒng)測(cè)量方法能更有效的消除系統(tǒng)工頻干擾帶來的測(cè)量值誤差，提高信噪比，得到更理想、更準(zhǔn)確的測(cè)量參數(shù)值。同時(shí)，可避免為了提高信噪比、減小誤差，而大幅的提升測(cè)量電壓、電流的問題，從而也可以避免因?yàn)橐笳{(diào)壓器等試驗(yàn)電源的容量增加，給現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)造成的不便和困難。實(shí)現(xiàn)了電力線路工頻參數(shù)的高精度測(cè)量。本發(fā)明還提供了上述方法所用的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，集成設(shè)置了智能數(shù)字變頻變壓電源輸出和快速采集處理線路參數(shù)功能，只需通過單片機(jī)軟件設(shè)置，即可提供掃頻輸出，完整提供了本發(fā)明輸電線路參數(shù)測(cè)量方法的高效智能實(shí)現(xiàn)手段。本發(fā)明解決了電力系統(tǒng)目前的難題，對(duì)于解決電力系統(tǒng)諸如網(wǎng)損計(jì)算、保護(hù)整定、線路工況的判斷和狀態(tài)診斷均有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)為解決電力系統(tǒng)高電壓帶電在線監(jiān)測(cè)提供了高效的技術(shù)手段。


圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一智能數(shù)控變頻變壓電源工作原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例二濾波與信號(hào)采集電路工作原理圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例裝置工作流程圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量正序阻抗接線原理圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量零序阻抗接線原理圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量互感阻抗接線原理圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量正序電容接線原理圖；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量零序電容接線原理圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量耦合電容接線原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的輸電線路參數(shù)測(cè)量方法將測(cè)量用信號(hào)源施加到輸電線路，然后采集輸電線路的基本電路參數(shù)，與現(xiàn)有輸電線路參數(shù)測(cè)量方法區(qū)別在于在100～2000HZ中頻范圍內(nèi)掃頻測(cè)量輸電線路，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的信噪比設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的頻率，根據(jù)輸電線路長(zhǎng)度設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的電壓，采集輸電線路的基本電路參數(shù)后計(jì)算得到輸電線路工頻等效參數(shù)。由于測(cè)量線路上主要干擾源來自鄰近線路產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓，而電網(wǎng)頻率相對(duì)固定(49.5-50.5Hz)，因此施加測(cè)量電壓到待測(cè)輸電線路，測(cè)量電壓的頻率避開干擾幅值最大的頻率，即可達(dá)到抗干擾效果。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量輸電線路工頻參數(shù)普遍采用系統(tǒng)50Hz電源作為測(cè)量用信號(hào)源，與干擾源吻合，因此雖然可以用采集得到的輸電線路的基本電路參數(shù)直接計(jì)算得到工頻參數(shù)，但受干擾影響大，精確度極低。本發(fā)明人注意到這種矛盾，創(chuàng)新提出改變激勵(lì)電源的頻率來避開干擾，施加測(cè)量電壓時(shí)采用2～40倍于工頻頻率的變頻單相或三相交流電源作為激勵(lì)電源，根據(jù)線路干擾智能確定測(cè)量用信號(hào)源的輸出頻率。雖然在理論上只要能避開干擾頻率就可以了，因此可以設(shè)定不同于工頻的任何頻率，但由于濾波器的性能不可能做到很高的Q值，-3db帶寬不能做到很窄，測(cè)試頻率應(yīng)盡可能離工頻信號(hào)遠(yuǎn)一些，這樣會(huì)大大提高信噪比，有利于測(cè)試性能的提高。而過分的提高測(cè)試頻率又會(huì)導(dǎo)致感抗的增加，降低測(cè)試電流，影響系統(tǒng)的測(cè)試性能。因此本發(fā)明提出通過在中頻段掃頻測(cè)量，根據(jù)信噪比來決定測(cè)試信號(hào)源采用的頻率，控制變頻電源輸出信號(hào)的頻率在100～2000Hz范圍，利用電力線路的等效參數(shù)原理(等效電阻、等效電容、等效電感的特點(diǎn)，是輸電線路的固有特性，在一定的頻率范圍，不受測(cè)量信號(hào)頻率的影響)，采集輸電線路的基本電路參數(shù)后計(jì)算得到輸電線路工頻等效參數(shù)，即可滿足線路參數(shù)測(cè)量實(shí)際需要。
具體實(shí)施時(shí)測(cè)量基本過程可為針對(duì)不同測(cè)量線路，在軟件自動(dòng)化測(cè)控下，在避開工頻的中頻段100～2000Hz自動(dòng)掃頻測(cè)量所測(cè)輸電線路，檢測(cè)測(cè)量信號(hào)的信號(hào)噪聲比，分析出最佳測(cè)量用信號(hào)源頻率和電壓，電壓值處于20～500V。然后，發(fā)出選定頻率、電壓的測(cè)量用信號(hào)源到輸電線路。然后由相應(yīng)的電壓電流檢測(cè)電路測(cè)量得到輸電線路的單相或三相的電壓、電流、相位等基本電路參數(shù)。因?yàn)闇y(cè)量頻率與工頻有差別，可通過數(shù)學(xué)算法，將測(cè)量頻率的測(cè)量參數(shù)，通過數(shù)學(xué)分析模型，計(jì)算出輸電線路的工頻等效參數(shù)如直流電阻、正序阻抗、相間電容、正序電容、零序電容以及多回平行輸電線路間的耦合電容和互感阻抗。具體實(shí)施時(shí)可將數(shù)學(xué)計(jì)算過程通過軟件手段集成到線路檢測(cè)裝置中。
本發(fā)明中測(cè)量用信號(hào)源非常關(guān)鍵，需要有針對(duì)不同線路干擾信號(hào)的頻率特性，通過掃頻避開干擾信號(hào)并確定測(cè)量信號(hào)源輸出的頻率的技術(shù)，并且需要根據(jù)輸電線路的長(zhǎng)度選定測(cè)量用信號(hào)源的輸出電壓。根據(jù)分析，測(cè)量用信號(hào)源的輸出電壓范圍為100～2000Hz頻段，輸出電壓值范圍為20～500V，實(shí)施時(shí)可采用單相或三相交流電源實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源。將測(cè)量用信號(hào)源施加到輸電線路時(shí)，為了保護(hù)輸電線路，可采用高于電力系統(tǒng)工頻以上2～40倍頻率的數(shù)控單相或三相隔離變壓器隔離測(cè)量用信號(hào)源和輸電線路。
測(cè)量用信號(hào)源施加在輸電線路上后，由輸電線路測(cè)得的電壓、電流、相位等基本線路參數(shù)是取得等效工頻參數(shù)的基礎(chǔ)，由輸電線路采樣電壓值和電流值的設(shè)備一般被稱為信號(hào)處理檢測(cè)板，通常包括電壓電流檢測(cè)電路和數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，電壓電流檢測(cè)電路取得輸電線路信號(hào)后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本電路參數(shù)送入單片機(jī)。參見圖5～10，本發(fā)明提供了由基本電路參數(shù)計(jì)算得到等效工頻參數(shù)的詳細(xì)過程三相電流標(biāo)記為Ia、Ib、Ic，三相電流標(biāo)記為Ua、Ub、Uc，工頻參數(shù)分為六類。
(1)測(cè)量正序阻抗時(shí)按照?qǐng)D5接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，線路長(zhǎng)L；三相相電壓有效值Ua，Ub和Uc；相電流有效值Ia，Ib和Ic；及其對(duì)應(yīng)相的相位差θa，θb，θc，然后計(jì)算如下三相功率P＝Ua*Ia*cosθa+Ub*Ib*cosθb+Uc*Ic*cosθc；相電壓平均值U＝(Ua+Ub+Uc)/3；相電流平均值I＝(1a+Ib+Ic)/3；單位長(zhǎng)度正序阻抗Z1＝(U/I)/L；單位長(zhǎng)度正序電阻R1＝(P/3I2)/L；單位長(zhǎng)度正序電抗X1Z12-R12;]]>單位長(zhǎng)度正序電感L1＝X1/2*3.14*f (f為測(cè)試信號(hào)的頻率)(2)測(cè)量零序阻抗時(shí)按圖6接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，軟件處理用到線路長(zhǎng)L；相電壓有效值U，相電流有效值I；及其對(duì)應(yīng)的相位差θ，計(jì)算如下功率P＝Ua*Ia*cosθa；單位長(zhǎng)度零序阻抗Z0＝(3U/I)/L；單位長(zhǎng)度正序電阻R0＝(P/3I2)/L；單位長(zhǎng)度正序電抗X0=Z02-R02;]]>
單位長(zhǎng)度正序電感L0＝X0/2*3.14*f(f為測(cè)試信號(hào)的頻率)(3)測(cè)量互感阻抗時(shí)按圖7接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，以及輸電線路2的相電壓有效值Uml，和輸電線路1上施加的電流有效值Imo，然后計(jì)算如下輸電線路1與輸電線路2的互阻抗Zm＝Uml/Imo；輸電線路1與輸電線路2的互感M＝Zm/2*3.14*f； (f為測(cè)試信號(hào)的頻率)(4)測(cè)量正序電容時(shí)按圖8接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，線路長(zhǎng)L；三相相電壓有效值Ua，Ub和Uc；相電流有效值Ia，Ib和Ic；然后計(jì)算如下相電壓平均值U＝(Ua+Ub+Uc)/3；相電流平均值I＝(1a+Ib+Ic)/3；單位長(zhǎng)度正序容抗Z1＝(U/I)/L；單位長(zhǎng)度正序電容C1＝(I/2*3.14*U*f)/L；(f為測(cè)試信號(hào)的頻率)(5)測(cè)量零序電容時(shí)按照?qǐng)D9接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，線路長(zhǎng)L相電壓有效值U，相電流有效值I；然后計(jì)算如下單位長(zhǎng)度零序容抗Z1＝(3*U/I)/L；單位長(zhǎng)度零序電容C1＝(I/2*3.14*U*3*f)/L；(f為測(cè)試信號(hào)的頻率)(6)測(cè)量耦合電容時(shí)如圖10接線。每次測(cè)量后，根據(jù)硬件濾波處理后得到的主頻信號(hào)和波形，軟件處理得到輸電線路1的相電壓有效值Uml，和輸電線路2上感應(yīng)出來的電流有效值Imo，然后計(jì)算藕合電容Cm(μF)如下輸電線路1與輸電線路2的藕合電容Cm＝Imo/2*3.14*f*Uml；
數(shù)據(jù)采樣過程中，對(duì)待測(cè)試品電壓及電流采用整周期采樣，以保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因周期性交流電壓有效值Urms=1T∫0Tv2dt.]]>離散化處理后可得N點(diǎn)采樣周期性交流信號(hào)的計(jì)算公式周期性交流電壓有效值Urms1NΣn=0N-1v(n)2,]]>n＝0，1，……N-1；周期性交流電流有效值Irms=1NΣn=0N-1i(n)2,]]>n＝0，1，……N-1；功率P=1NΣn=0N-1v(n)i(n),]]>n＝0，1，……N-1。
通過設(shè)置合理的控制程序，可以減少使用者的操作，本發(fā)明提供通過軟件控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源的頻率和電壓的自動(dòng)設(shè)定方案，步驟如下，啟動(dòng)電源產(chǎn)生最小幅度測(cè)量信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)加載到輸出端，信號(hào)頻率于100～2000HZ中頻范圍內(nèi)連續(xù)變換，并同時(shí)檢測(cè)輸出電流大?。桓鶕?jù)輸出電流大小計(jì)算信噪比，確定出信噪比高的測(cè)量用信號(hào)源的頻率；由小到大調(diào)節(jié)電源電壓，調(diào)節(jié)同時(shí)檢測(cè)輸出電流大小，直到輸出電流信號(hào)大小滿足輸電線路長(zhǎng)度測(cè)量要求時(shí)確定為測(cè)量用信號(hào)源的電壓。
參見圖4，本發(fā)明提供了具體實(shí)施例的控制系統(tǒng)工作流程首先系統(tǒng)上電復(fù)位；初始化各功能模塊，確保系統(tǒng)處于最佳，安全工作狀態(tài)；進(jìn)入主菜單功能界面，等待用戶選擇功能操作。功能包括兩種，一種是本機(jī)模式，直接選擇進(jìn)入檢測(cè)處理，包括正序阻抗、零序阻抗、正序電容、零序電容、互感阻抗、相間電容，這些功能項(xiàng)流程相似，例如進(jìn)入正序阻抗功能項(xiàng)，首先干擾電壓大則需輸出自動(dòng)保護(hù)，返回進(jìn)行功能選擇，否則判斷待檢測(cè)線路感應(yīng)電壓，干擾電壓小則繼續(xù)進(jìn)行下面的操作流程等待輸入相關(guān)參數(shù)，最小幅度啟動(dòng)電源，在單片機(jī)控制下電源產(chǎn)生的信號(hào)源信號(hào)加載到輸出端，濾波檢測(cè)輸出電壓電流，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率和電壓，然后檢測(cè)輸出電流大小(電流沒有達(dá)到測(cè)試要求需要調(diào)節(jié)電源電壓，由于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)是由小到大調(diào)節(jié)電源電壓，說明電流小需要加大電源電壓)，電流滿足測(cè)試要求則計(jì)算相應(yīng)頻率下正序阻抗，然后可以改變測(cè)試頻率再次調(diào)試，最好比較各頻率下的參數(shù)值，選擇最佳測(cè)量值。最后測(cè)試完畢關(guān)閉輸出或者返出該功能項(xiàng)返回主菜單進(jìn)行其他功能測(cè)量，結(jié)果可以上傳給PC機(jī)。
另一種功能提供通過上位機(jī)遠(yuǎn)程檢測(cè)的上位機(jī)模式，稱為PC機(jī)測(cè)量。首先需要初始化通信接口USB，等待上位機(jī)發(fā)送測(cè)試類型命令，此時(shí)檢測(cè)人員可通過鍵盤操作按退出鍵選擇退出，若系統(tǒng)檢測(cè)到退出鍵，則返回等待功能選擇，若無退出邀請(qǐng)，同樣選擇正序阻抗、零序阻抗、正序電容、零序電容、互感阻抗、相間電容之一。例如進(jìn)入正序阻抗，檢測(cè)線路感應(yīng)電壓，干擾電壓大則向上位機(jī)返回退出測(cè)試的命令，干擾電壓小則向上位機(jī)返回開始測(cè)試的命令，等待上位機(jī)傳送相關(guān)參數(shù)，之后的處理與本機(jī)模式基本相同，反復(fù)測(cè)試電流調(diào)節(jié)電壓以得到適合的測(cè)量用信號(hào)源輸出，直到測(cè)試完畢關(guān)閉電源后向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，退出PC機(jī)測(cè)量模式。
為了便于實(shí)施，本發(fā)明配合方法設(shè)計(jì)了專用的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，包括以單片機(jī)為控制核心的分析和控制系統(tǒng)，及受單片機(jī)控制的智能數(shù)控變頻變壓電源、電壓電流檢測(cè)電路、數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，智能數(shù)控變頻變壓電源向輸電線路提供測(cè)量用信號(hào)源，輸出電壓電流檢測(cè)電路由輸電線路檢測(cè)電路信號(hào)后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本電路參數(shù)送入單片機(jī)。
參見圖1，單片機(jī)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，例如采用51系列芯片實(shí)現(xiàn)高速單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)可設(shè)置控制軟件及數(shù)學(xué)分析模型，外圍擴(kuò)展設(shè)置的基本電路包括用于人機(jī)交互的顯示屏和鍵盤，具體實(shí)施時(shí)可采用LCD顯示器作為顯示屏，采用行列式掃描鍵盤，可以采用常用的I/O口擴(kuò)展芯片8255實(shí)現(xiàn)鍵盤與單片機(jī)間的連接；用于保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)鐘與存儲(chǔ)部分，具體實(shí)施時(shí)可采用EEPROM，NVRAM，F(xiàn)RAM等三種不同類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(例如FRAM系列并行接口FM1808)，在大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)字時(shí)鐘都是采用集成芯片，本發(fā)明實(shí)施時(shí)可采用國(guó)產(chǎn)高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘SD2300；用于上位機(jī)控制的上下機(jī)通信部分，具體實(shí)施時(shí)可采用RS-485和USB通信接口。檢測(cè)時(shí)，輸電線路作為負(fù)載，智能數(shù)控變頻變壓電源根據(jù)單片機(jī)信號(hào)選擇頻率向輸電線路提供激勵(lì)信號(hào)，電壓電流檢測(cè)電路檢測(cè)輸電線路的電壓電流等信息后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的受激電路參數(shù)送入單片機(jī)，供單片機(jī)進(jìn)行處理，或在單片機(jī)控制下發(fā)送到上位機(jī)后處理。
本發(fā)明提供的裝置具體電路結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，例如單片機(jī)及外圍電路，屬于成熟技術(shù)，實(shí)施時(shí)選用適當(dāng)單片機(jī)芯片后參照芯片使用手冊(cè)即可。為了便于實(shí)施，本發(fā)明提供了為實(shí)現(xiàn)變頻輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法而特別設(shè)計(jì)的智能數(shù)字變頻變壓電源和動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波器與信號(hào)采集電路。
本發(fā)明所述智能數(shù)控變頻變壓電源采用基于SPWM技術(shù)的數(shù)字變頻電源方案實(shí)現(xiàn)，包括SPWM波形發(fā)生器和功率輸出器件，SPWM波形發(fā)生器在單片機(jī)控制下產(chǎn)生的SPWM脈沖信號(hào)控制功率輸出器件。功率輸出器件輸出的是三相SPWM脈沖信號(hào)，該信號(hào)中含有高頻載波成分，如果該信號(hào)直接接到一個(gè)純電阻負(fù)載上，就不可能除掉高頻載波信號(hào)，無法進(jìn)行測(cè)試，因此這樣的信號(hào)只能帶感性負(fù)載(如三相電動(dòng)機(jī)等)。為了使電源輸出的信號(hào)是一個(gè)可以帶任意類型負(fù)載的電源，因此本發(fā)明功率輸出器件采用IPM模塊(智能功率輸出模塊)，設(shè)置電源隔離變壓器，大功率IPM模塊的信號(hào)輸出經(jīng)電源隔離變壓器后施加到負(fù)載。本發(fā)明實(shí)施電源隔離變壓器采用寬頻三角/星形結(jié)構(gòu)隔離變壓器，將三相SPWM脈沖信號(hào)作用到三角/星形結(jié)構(gòu)隔離變壓器上，同時(shí)為了消除輸出濾波電感的噪音，可將變壓器和電感集成在一起，利用變壓器的漏感與電容組成LC低通濾波器，不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪音，而且簡(jiǎn)化了主電路設(shè)計(jì)。這樣只要在變壓器的輸出端加濾波電容就可以得到波形較好的三相正弦信號(hào)。此時(shí)的三相正弦電源就可以帶任意類型的負(fù)載了，并且可以帶單相或三相平衡及不平衡負(fù)載。由于變壓器的輸入輸出具有很好的隔離作用，因此可以有效避免因外界干擾對(duì)IPM輸出造成的沖擊，有力的提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了提高測(cè)試系統(tǒng)工作的安全性，系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以設(shè)置輸出保護(hù)，具體實(shí)施時(shí)，可以結(jié)合軟件和隔離變壓器實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制系統(tǒng)在未上電或上電啟動(dòng)測(cè)試后，系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)的輸出端口自動(dòng)與外部待測(cè)輸電線路處于斷開狀態(tài)；系統(tǒng)上電后首先對(duì)待測(cè)輸電線路上的實(shí)際感應(yīng)電壓進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)通過對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果測(cè)試的數(shù)據(jù)確認(rèn)線路感應(yīng)電壓安全后，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)將輸出端連接到被測(cè)線路上進(jìn)行正常功能測(cè)試，即接通電源隔離變壓器；如果測(cè)試的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)線路感應(yīng)電壓超過了設(shè)備能正常工作的極限干擾電壓，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出安全警報(bào)，禁止進(jìn)行后續(xù)功能測(cè)試。
參見圖2，本發(fā)明實(shí)施采用的智能數(shù)控變頻測(cè)量電源基本工作過程如下具體實(shí)施時(shí)，SPWM波形發(fā)生器可采用英國(guó)Mitel公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型SA4828芯片，功率開關(guān)器件可采用智能功率模塊PM100CVA120，一種大功率IPM模塊。采用220VAC市電或后備移動(dòng)電源(也作為電源整臺(tái)裝置工作提供輔助電源)經(jīng)過硅整流，大電容濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓提供給全橋逆變的IPM模塊，由SPWM波形發(fā)生器產(chǎn)生的6路SPWM脈沖信號(hào)直接給6路SPWM脈沖信號(hào)光藕隔離，經(jīng)光藕隔離后的SPWM脈沖信號(hào)直接作用在IPM模塊的控制端，控制6個(gè)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，IPM輸出3相脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過三角/星形結(jié)構(gòu)隔離變壓器，電容濾波后輸出3相交流信號(hào)提供給三相負(fù)載。電壓電流檢測(cè)電路對(duì)輸出進(jìn)行反饋采集，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)SPWM脈沖，使輸出頻率和電壓滿足設(shè)定值。為了防止IPM模塊故障，可設(shè)置IPM故障信號(hào)輸出隔離光藕，故障信號(hào)經(jīng)該光藕送入單片機(jī)。
為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)線路的全面隔離，本發(fā)明還作了進(jìn)一步設(shè)置，單片機(jī)輸出信號(hào)與SPWM波形發(fā)生器之間設(shè)置了光電隔離器，電源輸出到輸電線路之間設(shè)置了電源隔離變壓器，電壓電流檢測(cè)電路采用隔離電壓變送器和隔離電流變送器。
變頻測(cè)量的核心在于通過濾波器將系統(tǒng)干擾信號(hào)抑制掉，而使干擾信號(hào)和測(cè)試信號(hào)有效的分離，便于后續(xù)信號(hào)的處理。因此濾波器性能的好壞會(huì)直接影響測(cè)試的精度，本發(fā)明提供的數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路包括中心頻率與電源隔離變壓器相應(yīng)的帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器，隔離電壓變送器和隔離電流變送器接入數(shù)字動(dòng)態(tài)帶通濾波器(后稱DDBF)，DDBF帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器順次連接，A/D轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)。因?yàn)樾枰疃嗄芡瑫r(shí)采集六路模擬電壓和電流信號(hào)，而單片機(jī)系統(tǒng)只有一路數(shù)據(jù)采集通道，因此采用多路分時(shí)同步采樣的方法。參見圖3的本發(fā)明實(shí)施濾波與信號(hào)采集電路工作原理圖，因?yàn)樾枰獙?duì)輸出的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，采用了3組有源交流電流變送器和3組有源交流電壓變送器實(shí)現(xiàn)電壓電流檢測(cè)。具體實(shí)施時(shí)可采用3個(gè)TAS1907-01型小型有源交流電流互感器和3個(gè)TVS19小型有源交流電壓互感器，電壓電流值送入6路有源動(dòng)態(tài)帶通模擬濾波器(中心頻率可以數(shù)字動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié))，多路選通開關(guān)實(shí)現(xiàn)分時(shí)循環(huán)采樣，多路采樣保持器的作用在于使多路信號(hào)能實(shí)現(xiàn)同步采樣，單通路A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字受激電路參數(shù)，然后送入單片機(jī)?；蛘咧苯訉㈦妷弘娏髦邓腿?路有源動(dòng)態(tài)帶通模擬濾波器后，由12位高速六通道同時(shí)采樣A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字受激電路參數(shù)，然后送入單片機(jī)，采樣效率更高。同時(shí)單片機(jī)對(duì)各部分輸出控制信號(hào)，控制采樣過程，尤其是控制帶通濾波器的中心頻率與電源隔離變壓器相應(yīng)，保證測(cè)量精度。
權(quán)利要求
1.輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法，將測(cè)量用信號(hào)源施加到輸電線路，然后采集輸電線路的基本電路參數(shù)，其特征在于在100～2000HZ中頻范圍內(nèi)掃頻測(cè)量輸電線路，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的信噪比設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的頻率，根據(jù)輸電線路長(zhǎng)度設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的電壓，采集輸電線路的基本電路參數(shù)后計(jì)算得到輸電線路工頻等效參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于采用變頻單相或三相交流電源實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源，根據(jù)輸電線路的長(zhǎng)度選定測(cè)量用信號(hào)源的輸出電壓，輸出電壓值范圍為20～500V。
3.如權(quán)利要求2所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于將測(cè)量用信號(hào)源施加到輸電線路時(shí)，采用高于電力系統(tǒng)工頻以上2～40倍頻率的數(shù)控單相或三相隔離變壓器隔離測(cè)量用信號(hào)源和輸電線路。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于通過軟件控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量用信號(hào)源的頻率和電壓的自動(dòng)設(shè)定，步驟如下，(1)啟動(dòng)電源產(chǎn)生最小幅度測(cè)量信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)加載到輸出端，信號(hào)頻率于100～2000HZ中頻范圍內(nèi)連續(xù)變換，并同時(shí)檢測(cè)輸出電流大??；(2)根據(jù)輸出電流大小計(jì)算信噪比，確定出信噪比高的測(cè)量用信號(hào)源的頻率；(3)由小到大調(diào)節(jié)電源電壓，調(diào)節(jié)同時(shí)檢測(cè)輸出電流大小，直到輸出電流信號(hào)大小滿足輸電線路長(zhǎng)度測(cè)量要求時(shí)確定為測(cè)量用信號(hào)源的電壓。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于所述基本電路參數(shù)包括給定頻率下電壓、電流和相位，通過計(jì)算和分析得出給定頻率下的線路參數(shù)電容、電感、電阻值，然后經(jīng)過計(jì)算和分析得出對(duì)應(yīng)要求的工頻時(shí)的工頻等效參數(shù)，包括直流電阻、正序阻抗、相間電容、正序電容、零序電容以及多回平行輸電線路間的耦合電容和互感阻抗。
6.如權(quán)利要求1或2或3所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法所用的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于包括以單片機(jī)為控制核心的分析和控制系統(tǒng)，及受單片機(jī)控制的智能數(shù)控變頻變壓電源、電壓電流檢測(cè)電路、數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，智能數(shù)控變頻變壓電源向輸電線路提供測(cè)量用信號(hào)源，輸出電壓電流檢測(cè)電路由輸電線路檢測(cè)電路信號(hào)后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本電路參數(shù)送入單片機(jī)。
7.如權(quán)力要求6所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述智能數(shù)控變頻變壓電源采用基于SPWM技術(shù)的數(shù)字變頻電源方案實(shí)現(xiàn)，包括SPWM波形發(fā)生器和功率輸出器件，SPWM波形發(fā)生器在單片機(jī)控制下產(chǎn)生的SPWM脈沖信號(hào)控制功率輸出器件。
8.如權(quán)力要求6所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于單片機(jī)輸出信號(hào)與SPWM波形發(fā)生器之間設(shè)置了光電隔離器，電源輸出到輸電線路之間設(shè)置了電源隔離變壓器，電壓電流檢測(cè)電路采用隔離電壓變送器和隔離電流變送器。
9.如權(quán)力要求8所述的輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路包括中心頻率與電源隔離變壓器相應(yīng)的帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器，隔離電壓變送器和隔離電流變送器接入帶通濾波器，帶通濾波器、多路采樣保持器、多路選通開關(guān)和單通路A/D轉(zhuǎn)換器順次連接，單通路A/D轉(zhuǎn)換器的輸出接入單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法及裝置，輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量方法的特點(diǎn)是通過在100～2000Hz中頻范圍內(nèi)掃頻測(cè)量輸電線路，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的信噪比設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的頻率，根據(jù)輸電線路長(zhǎng)度設(shè)定測(cè)量用信號(hào)源的電壓，采集輸電線路的基本電路參數(shù)后計(jì)算得到輸電線路工頻等效參數(shù)；輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量裝置包括以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，及受單片機(jī)控制的智能數(shù)控變頻變壓電源、電壓電流檢測(cè)電路、數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，智能數(shù)控變頻變壓電源向輸電線路提供測(cè)量用信號(hào)源，輸出電壓電流檢測(cè)電路由輸電線路檢測(cè)電路信號(hào)后送入數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路，數(shù)字濾波與信號(hào)采集電路將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本電路參數(shù)送入單片機(jī)。
文檔編號(hào)G01R27/16GK101034117SQ20071005177
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者鄭貴林, 張志鋒, 楊祥國(guó) 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)