变压器有载分接开关测试仪的设计

杨新华 许胜军 来 帅

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

有载分接开关是有载调压变压器的关键元件，其性能直接影响到电网的安全运行，因此，必须定期对有载分接开关进行性能测试［1－2］。根据国家电力行业标准DL/T 574-95《有载分接开关运行维修导则》，有载分接开关需要测量的技术指标主要有过渡电阻值、过渡波形、动作顺序、切换程序与时间等［3］。

现有测试仪由于受到CPU速度和软件技术发展的制约，它们在过渡波形分析能力、测量精确度以及人机交互等方面还不能完全满足有载分接开关测试的实际需要。

针对以上问题，本文采用以S3C2410、AD7658为核心搭建的硬件平台，以Windows CE 5.0嵌入式操作系统为软件平台，实现有载分接开关测试仪的设计，解决了现有仪器的不足。新设计的变压器有载分接开关在过渡波形分析能力、精确度、功能和人机交互性等方面都有较大的提高。

1 测试原理分析

有载分接开关的测试分为吊芯(不带绕组)和不吊芯(带绕组)2种情况。吊芯测量主要用于有载分接开关在出厂时的测试;有载分接开关投运后与变压器是一体的，所以在通常情况下，都是不吊芯测量［3］。

在吊芯测量时，由于测量电路中没有电感元件，因此，直接在有载分接开关的每一相加一个大容量的电压源就可以测量出有载分接开关的变化过程，吊芯测量原理如图1(a)所示，UC=URX;在不吊芯测量的情况下，由于变压器的绕组存在一个几百毫亨的电感，在有载分接开关切换过程中，回路电流I发生变化，相应的电感上会产生一个感抗jωL，从而使UC=URX+UL，使UC/I不等于过渡电阻，造成过渡电阻无法测量。为消除电感造成的感抗带来的影响，采用电流源作为测量电源，不吊芯测量原理如图1(b)所示。

图1 测试原理图Fig.1 Principle of measurement

2 有载分接开关测试仪的设计

基于Windows CE的有载分接开关测试仪主要由7个部分构成:①标准电压源、电流源;②信号采集部分，它负责采集有载开关每相的电压及电流信号;③信号调理部分，它负责将差分信号转换为单端信号并放大;④高速A/D转换电路;⑤以S3C2410为核心的控制电路，它负责提供系统的控制运算功能;⑥LCD与触摸屏电路;⑦接口电路，它负责提供U盘接口与热敏打印机接口电路。系统组成原理如图2所示。

图2 系统组成原理框图Fig.2 Principle of the system composition

系统工作流程如下:①控制电路根据不同的测量模式提供相应的标准测试电源给待测品;②信号采集电路采集有载开关的电压、电流信号并发送给信号调理电路;③信号调理电路将6路信号整形、放大并缓冲后送到A/D转换器;④AD7658在CPU提供的标准时间基准信号控制下采样这6路模拟信号，同时输出12位转换结果，并经74FCT162245T驱动到数据总线;⑤S3C2410从数据总线上取得这些数据，经计算分析后自动捕捉有载分接开关开始动作的起始点，在LCD上开始显示有载开关的变化曲线及测量数据;⑥人机接口采用4线电阻触摸屏来实现，系统根据用户的指令完成打印、存储、调入、波形缩放及时间特性分析计算等功能。

3 硬件部分设计

3.1 信号调理电路设计

信号调理电路由AD620、AD797及外围元件组成。AD620增益由RG决定，当REF引脚接地时，输出引脚对地电压Vout由式(1)计算，这样就可以把差动信号转换为单端对地信号。

式中:Vout为单端输出对地电压;VIN+为同相输入端电压;VIN－为反相输入端电压;RG为增益电阻值;G为放大倍数。

有载分接开关的电压信号幅度不需放大就能满足A/D转换器的需要;而电流信号采用的是比对法测量，实际测量的是参比电阻两端的电压。考虑到测量精度，设计中选取参比电阻为0.5 Ω，按通过最大电流1 A计算，信号幅度仅为0.5 V，因此，对电流信号放大10 倍，由式(2)计算可得 RG=5.49 kΩ。

AD7658是SAR型高速A/D转换器，其前端可以理解为一个开关和一组电容组成的阵列。此阵列中的电容彼此相连，它们一端与输入信号节点相连，另一端与比较器的同相输入端相连。当高速A/D转换器工作时，为减少出错几率，需要在V1～V6前端增加缓冲，本文选取AD797实现。

3.2 A/D转换电路设计

AD7658采用ADI公司的工业 CMOS工艺(iCMOSTM)制造，在单芯片内集成了6个12位、快速、低功耗、逐次逼近型 ADC，可在4 μs内完成一次采样。电路采用AD7658实现三相6通道信号的快速转换，可以很好地满足DL/T574-95对有载分接开关动作顺序测量的严格要求，并精确记录有载开关的变化过程。考虑到S3C2410数据总线的负载能力，在数据总线上设计了74FCT162245T，用来增强总线的驱动能力，提高系统的可靠性。

3.3 S3C2410及外围电路设计

控制电路由S3C2410、64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash、JTAG、时钟电路和复位电路组成。

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC处理器，采用了ARM920T内核。它的低功耗和出色的全静态设计特别适合应用于对成本和功耗敏感的应用场合。S3C2410提供了一系列完整的系统外围设备:16 kB的指令Cache和16 kB数据Cache、MMU、LCD控制器、支持NAND Flash的系统引导、系统管理器、3通道UART、4通道 DMA、4通道 PWM 定时器、I/O端口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C总线接口、IIS总线接口、USB主机接口、USB设备接口、SD卡接口、2个SPI总线接口以及内部 PLL时钟倍频器［5］。这些丰富的外设减少了为系统配置额外器件的需要，大大降低了整个系统的成本，适合本项目的需要。经PLL倍频后，S3C2410可在200 MHz稳定运行，满足Windows CE的运行需要。经编译后，Windows CE的系统文件容量在29 MB左右;64 MB Nand Flash的前32 MB用于存储应用程序，后32 MB用来存储测试数据;64 MB SDRAM用于程序运行及变量保存。

3.4 LCD与触摸屏电路设计

LCD采用 Sharp公司生产的 LQ080V3DG01，S3C2410内置了LCD控制器，它与LCD接口电路如图3所示。

图3 S3C2410与LCD接口电路Fig.3 Interface circuit between LCD and S3C2410

触摸屏采用4线电阻屏，由 nYPON、YMON、nXPON和XMON这4个控制信号控制MOS管FDC6321的通断，并实现切换触摸屏的X、Y轴输入。X坐标由AIN7输入，Y坐标由AIN5输入，这2个信号都通过一个阻容式低通滤波器滤除坐标信号噪声后送给S3C2410。触摸屏接口电路如图4所示。

图4 触摸屏接口电路Fig.4 Interface circuit of touch panel

3.5 USB接口与RS-232接口电路设计

有载分接开关测试仪的USB接口为Host接口，用于导出测量数据至U盘。S3C2410具有2路USB接口，1路固定为Host接口，另1路可配置为Host或Device接口。本设计使用了DN0、DP0引脚作为USB Host接口。在RS-232接口上连接了A6热敏打印机，用于测试结果打印。该打印机可方便打印汉字和图形，适合本仪器使用。

3.6 印刷电路板的设计

本方案采用核心板+底板的方案设计印刷电路板PCB(printed circuit board)。核心板部分包括CPU、系统存储电路、时钟复位电路和CPU用电源电路。这些电路工作在较高的频率，因此，采用6层板设计，SDRAM与CPU的连线采用等长走线。经验证表明，系统可在频率为200 MHz时稳定工作。其余电路安排在底板，由于AD7658片内包含6个独立的ADC，这部分电路对电源的要求较高，所以在每个AVCC端都设置了一个低ESR的多层陶瓷电容和一个10 μF的钽电容。底板采用4层板设计，第二层设置为模拟地和数字地，可以起到有效的隔离作用。

4 软件部分设计

软件部分设计包括Bootloader、操作系统平台的定制以及驱动程序和应用程序的开发，限于篇幅，在此简要介绍后三部分。

4.1 操作系统平台的定制

Windows CE是一个支持多种CPU模块化的通用嵌入式操作系统，它允许开发者根据自己的需求对操作系统进行剪裁、定制并重新构建生成新的子操作系统。Platform Builder5.0是微软公司提供给Windows CE开发人员进行操作系统平台定制的集成开发环境，它提供了设计、创建、编译、测试和调试Windows CE操作系统平台的工具，开发人员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时，开发人员还可以利用Platform Builder来进行驱动程序和应用程序等的开发工作。

Samsung公司提供了S3C2410的BSP SMDK2410。针对本项目，操作系统定制过程如下:①导入SMDK2410，根据 LQ080V3DG01的特性，在 s3c2410x_lcd.h中修改各个参数;②新建一个项目，使用模版来创建一个新的板级支持包，在Catalog列表中选择需要添加的项目，如HIVE注册表、MFC特性和FAT文件系统等;③打开Build OS菜单，选择Sysgen，开始编译Windows CE 5.0操作系统映像;④导出应用程序开发所使用的SDK安装包。

4.2 驱动程序开发

Windows CE 5.0提供了2种驱动程序开发模型:本机设备驱动程序和流接口驱动程序。流接口驱动程序区有定制的接口，是一般类型的设备驱动程序，其驱动程序文件一般表现为“* .dll”文件［6－7］。

AD7658的驱动采用流接口驱动程序设计，在AD7658Drive.C中编写了11个函数。这些函数提供给Windows CE 5.0操作系统内核使用。在这些函数的编写中调用了Windows CE提供的动态链接库CEDDK，可实现总线地址翻译、虚拟地址映射和读写端口等操作。驱动程序要想被操作系统加载，还需要完成以下工作:①编写驱动程序头文件AD7658Drive.h;②编写动态链接库导出文件AD7658Drive.def;③编写链接和编译sources、makefile文件;④以上这些文件编写完成后还需要在驱动程序目录中的dirs文件中加入AD7658的驱动程序;⑤在platform.reg中加入AD7658的驱动程序的注册表信息。这样，在生成的Windows CE 5.0操作系统的映像中就自动加入了AD7658的驱动程序，当Windows CE启动时，就会自动加载该驱动程序。

4.3 应用程序开发

有载分接开关测试仪的应用程序在eMbedded C++4.0下完成，应用程序是利用WCE MFC AppWizard建立的基于对话框的程序。eVC类似于Visual C++6.0，它提供了丰富的功能，可以非常方便地完成应用程序的设计。当有载分接开关测试仪开始工作时，应用程序创建一个优先级高的线程来处理A/D转换的数据，以有效快速地捕捉到有载分接开关每一个触点的变化。该设计能有效提高数据处理的能力。

5 结束语

基于WindowsCE5.0的有载分接开关测试仪的设计涉及计算机软件工程、操作系统、驱动程序开发、应用程序开发、高速PCB设计以及高速A/D转换器等众多软硬件知识。经实验表明，该仪器在数据分析处理能力、实现功能和人机接口方面较之前的仪器都有较大的提高，测量同期性误差小于0.1 ms，过渡电阻误差小于0.8 Ω。随着微软公司在嵌入式领域的新产品Windows CE 6.0推出以及仪器仪表智能化、网络化的趋势，预期Windows CE在嵌入式仪器仪表领域内将有更加广泛的应用。

［1］王伟，韩金华，王吉，等.有载分接开关切换波形的现场测试及研究［J］.高压电器，2005，41(6):438 －440.

［2］李瑞芳，荆长胜.变压器有载开关的检测［J］.山西电力，2009，156(10):31－33.

［3］中华人民共和国电力工业部.DL/T574－95 有载分接开关运行维修导则［S］.北京:中国电力出版社，1996.

［4］高松巍.智能型变压器有载分接开关参数综合测试仪的研制［D］.沈阳:沈阳工业大学，1999.

［5］于明，范书瑞，曾祥烨.ARM9嵌入式系统设计与开发教程［M］.北京:电子工业出版社，2006:90－92.

［6］何宗建.Windows CE嵌入式系统［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006:258－261.

［7］周立功.ARM＆WinCE实验与实践－基于S3C2410［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:296－299.