輸電線路阻抗角測量系統(tǒng)設(shè)計

王凱悅

（國網(wǎng)合陽縣供電公司）

0 引言

隨著社會現(xiàn)代化程度的發(fā)展，城市用電量大幅度上升，電力系統(tǒng)的容量越來越大，電壓等級越來越高，伴隨著現(xiàn)代電網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，致使現(xiàn)代電網(wǎng)中輸電線路走廊日趨狹窄［1］。輸電線路是電能輸送的載體，所以輸電線路的參數(shù)測量至關(guān)重要，無論是在空間架設(shè)電線還是地下電纜巡回排線，用電負荷的增大都對輸電性能的要求極高。在國內(nèi)，輸電線路阻抗角的測量研究較少，其中盧明［2］等研究架空輸電線路及電力電纜工頻參數(shù)的測量，但沒有對阻抗角的測量做具體解釋。劉陽［3］等研究輸電線路阻抗參數(shù)預(yù)測方法，但是對阻抗角的測量解釋不全面。曾燕［4］等利用R-L模型對輸電線路進行仿真分析但是沒有實物設(shè)計。科研工作者為了在狹小的空間中更好地利用出線走廊，鋪設(shè)更合理的電網(wǎng)絡(luò)，同桿架設(shè)或變形架設(shè)的雙回及多回輸電線路［5］，本文主要研究輸電線路阻抗角的測量，輸電線路的測量誤差對電能質(zhì)量造成的影響巨大，不容忽視［6］。

1 總體方案設(shè)計

測量輸電線路阻抗角的本質(zhì)是測量電壓與電流的相位差，因此測量輸電線路的電壓與電流值至關(guān)重要。本系統(tǒng)的設(shè)計主要由電壓互感器電路、電流互感器電路、信號調(diào)理整形電路、微控制器單元電路（Microcontroller unit，MCU）組成，信號調(diào)理電路主要包括電流電壓轉(zhuǎn)換電路、偏置電路和低通濾波電路。此系統(tǒng)中MCU選擇STM32F103做主控芯片，STM32F1中有3路片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，其中AD轉(zhuǎn)換精度為12位，精度適中，可以勝任輸電線路的電網(wǎng)變換中單相交流電［7］。MCU將采集到的信號進行簡單處理后，通過USB串口與上位機通信，上位機顯示有關(guān)的信號值。最后通過Matlab軟件利用互相關(guān)算法測量相位角?？傮w方案設(shè)計思路如圖1所示，其中上位機顯示界面已經(jīng)實現(xiàn)。

圖1 總體設(shè)計方案圖

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主要的硬件電路包括互感器電路、信號調(diào)理電路、MCU電路。

2.1 互感器電路設(shè)計

一般情況下，輸電線路的電壓較高，直接測量電壓值是非常危險的，所以此設(shè)備需要通過降壓變壓器來轉(zhuǎn)換，也就是互感器。本次設(shè)計的電壓互感器測量范圍為450V左右的交流電。在阻抗角測量過程中，主要使用電壓互感器與電流互感器，互感器可以將高壓變低壓、大電流變小電流，為后續(xù)的測量電路提供有用信號。標準的小電壓與小電流對測量儀器起到保護作用，既能使結(jié)果測量準確，也可以延長測量儀器的使用壽命。本次設(shè)計的系統(tǒng)是在互感器的前面還添加保險絲FU，以防線路中沖擊電流過大，燒壞互感器。如圖2所示為互感器電路簡易圖。

圖2 互感器電路

2.2 信號調(diào)理回路

信號調(diào)理電路主要包括二階有源濾波電路和信號轉(zhuǎn)換電路，由于STM32的片內(nèi)ADC輸入范圍為0～3.3V，所以還需要添加偏置電壓，將輸入電壓的范圍調(diào)整為0～3.3V。二階有源濾波電路主要是濾除信號中的無用信號與雜散信號，保留有用信號供后續(xù)電路處理。信號變換電路為帶同相的比例放大有源低通濾波電路，通過調(diào)整R5和R6的比值，調(diào)整信號的放大或衰減。圖3為信號調(diào)理電路示意圖。

圖3 信號調(diào)理電路

電流信號和電壓信號測量方法相似，唯一不同的是需要將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，因為STM32的AD轉(zhuǎn)換模塊只能識別電壓信號。此系統(tǒng)中MCU可以采集3路模擬信號，所以經(jīng)過互感器處理的信號可以適用于此MCU。

2.3 微控制器外圍電路設(shè)計

微控制器外圍電路主要由啟動電路、復(fù)位電路、有源晶振電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成。微控制芯片選擇為STM32F103，此MCU為ARM架構(gòu)系列芯片，具有工作頻率高、FLASH內(nèi)存大、通信接口多等優(yōu)點。復(fù)位電路主要進行設(shè)備重啟、初始化，讓電路回復(fù)到最初的狀態(tài)。晶振電路類似于人的脈搏一樣，為系統(tǒng)提供時鐘信號。啟動電路可以為用戶選擇存儲模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主流程

ARM開始工作時，首先就要初始化，ARM片內(nèi)AD開始采集信號，采集到的模擬量送到AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換就會把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量在ARM的采集之下，加上其他各個模塊的綜合處理，電流和電壓的數(shù)字量就會通過串口顯示在上位機。如果顯示值沒有超過閾值，程序就會繼續(xù)循環(huán)，電壓電流值就會逐次循環(huán)測量，直至達到想要的結(jié)果為止。MCU的主流程圖如圖4所示，其中最主要的是系統(tǒng)初始化與中斷優(yōu)先級設(shè)置。軟件設(shè)置時可以采用寄存器函數(shù)，也可以采用庫函數(shù)版本，寄存器函數(shù)需要進行相關(guān)的寄存器配置，標準庫函數(shù)只需調(diào)用函數(shù)庫即可。

圖4 MCU主流程圖

3.2 T0中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)程序貫穿整個源程序，子程序部分是MCU運行必不可少的服務(wù)程序，當(dāng)中斷發(fā)生時，需要各個子程序間相互起作用，子程序是主程序嵌套循環(huán)中重要部分，各個子程序之間的運行時間急促，在代碼較少的情況下，基本是同時發(fā)生的，比如采樣、按鍵、顯示或報警電路等。

3.3 AD轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換包括采樣、量化、編碼。輸電線路的電壓電流信號通過電壓互感器電流互感器就可以測得電壓電流模擬量，而這個模擬量需要AD轉(zhuǎn)換才能得到數(shù)字量，所以必須用AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器的EOC觸發(fā)器復(fù)位之后，即可開始轉(zhuǎn)換，緊接著就有延時過程，判斷是否轉(zhuǎn)換完成。如果轉(zhuǎn)換完成，就要判斷是否采樣完成，否則都必須循環(huán)。如果電壓電流在允許的范圍內(nèi)，AD就可以正常進行，EOC觸發(fā)器重新復(fù)位，然后讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，然后存數(shù)，結(jié)束轉(zhuǎn)換的過程。

主要的軟件都做了詳細介紹，所有的軟件流程都是相互牽制的，如果其中一部分軟件出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)都會出現(xiàn)癱瘓。當(dāng)下位機的采集部分單獨工作時，ARM的軟件會孤立于上位機獨自工作，這是部分電路的優(yōu)勢所在。整個系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性比較強，整體效果也比較理想。

4 Matlab計算阻抗角

采集到電壓信號和電流信號后，求其互相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)零時刻的值與其余時刻余弦值成正比，通過正比例的關(guān)系，求出相位差，因此可以獲得阻抗角：

離散化計算：

通過調(diào)整采樣點數(shù)k，同時計算電壓信號x與電流信號y的自相關(guān)與互相關(guān)函數(shù)，可以計算阻抗角。k值越大，精確度就會越高，相對誤差越小。運行結(jié)果如圖5所示。

圖5 Matlab運行結(jié)果

5 結(jié)束語

目前電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越密集，因此對輸電線路的基本參數(shù)要求也越來越多，精度會越來越高。通過以上軟硬件結(jié)合，可以準確采集到電壓和電流值，再利用Matlab程序計算兩個值的互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)，可以求出兩者的阻抗角。隨著技術(shù)的發(fā)展，線路參數(shù)測量項目會更多，以確保電網(wǎng)絡(luò)的安全，所以使用Matlab程序計算的方法推廣前景良好，應(yīng)用樂觀。