电压互感器极性智能检测

褚国伟，欧传刚，许箴，朱鹏，徐志科

(1.江苏省电力公司常州供电公司，江苏 常州 213003;2.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

在我国运行的电能计量装置中按其所计量电能量的多少和计量对象的重要程度分五类进行管理。在实际运行中为了能够测量高压交流回路的电量，需要通过电压互感器将高压换成低压同时利用互感器的变比来配备对应的仪表进行测量［1］。与此同时，电压互感器将供给测量和继电保护用的二次电压回路，与一次电压的的高压系统隔离和按电压互感器的变比将系统的一次电压降低为一定的二次电压。

电压互感器在更换以及检修后要进行极性判断，因为任何一侧的引出端子用错，都会使二次侧的相位变化180度，既影响继电保护装置正确动作，又影响电力系统的运行监控和事故处理，严重时还会危及设备及人身安全。因此，正确判断电压互感器的极性正确与否是一项十分重要的工作。对于电压互感器二次回路极性判断的方法［2］有:①直流法;②交流法。其中运用最为广泛的是直流法，将干电池接在电压互感器的一次侧，同时将指针式电流表接在电压互感器的二次侧，通过将一次侧的干电池断开，在断开瞬间若电压互感器的二次侧指针式电流表的指针向左侧偏转，再将干电池接上，若在接上的瞬间电压互感器的二次侧指针式电流表的指针向右偏转，则表明电压互感器的极性是正确的。这种方法在测量的过程中需要有这方面专业知识的人才能实施，因为电压互感器的一次侧与二次侧回路相隔较远，所以测量过程中两个人交流会很繁琐且工作效率低下。

本文在普通的电压互感器的基础上，主要研究在电压互感器二次侧通过单片机对电压互感器的二次侧进行数据采集，再通过RX232通讯将数据传输给ARM11处理器进行数据处理，判断极性正确与否。

1 测量系统分析

图1 测量系统工作原理

在该测试系统中主要包括脉冲电压模块、数据采集模块以及一个手持设备，通过在手持设备进行操作，可以在显示屏上直接判断出电压互感器极性正确与否，见图 1。当脉冲电压模块分别对电压互感器 A、B、C三相导通，数据采集模块对电压互感器二次侧进行数据采集，通过RS232通讯将数据传给手持设备进行处理，判断电压互感器极性正确与否。

检测人员在检测电压互感器极性的时候，首先通过以ARM11处理器S3C6410为核心的手持设备触摸屏上的按键控制数据采集上CC1100无线模块发射指令给PWM波模块的CC1100无线模块对脉冲电压模块进行控制，对电压互感器一次侧A、B、C三相进行分别通占空比为25%，电压峰峰值为200 V的正向脉冲电压，然后通过电压互感器二次侧的数据采集模块进行数据采集，再通过RS232将采集的数据传输给手持设备进行数据处理，检测人员根据手持设备上的显示很直观的了解到电压互感器极性接线，这样省去了人为的去电压互感器一次侧接线，再在二次侧测量的麻烦，更加简单快捷的判断出电压互感器的极性。

2 系统硬件组成与功能实现

电压互感器极性智能检测系统的硬件主要由PWM模块、脉冲电压模块、数据采集模块、ARM11中央处理单元、CC1100无线传输模块以及其他外围电路组成的，见图2。

图2 系统原理结构图

2.1 PWM 模块

PWM模块主要用来导通脉冲电压模块中的A、B、C三相，使得脉冲电压模块产生200 V以上的高压，把高压输入到电压互感器的一次测，经过电压互感器的降压，方便在二次侧测出电压值，进行判断极性。该PWM模块是基于MSP430F149芯片［3］，利用MSP430F149的定时器A在普通I/O口产生频率为100 Hz，占空比为25%的PWM波，根据手持设备发出的指令来选择导通A、B、C三相PWM波，进而来接通相应的频率为100 Hz的脉冲电压，进行在二次侧测量相应的数据，进行极性判断。

2.2 数据采集模块

该测试系统中的数据采集模块基于MSP430F149芯片，包括运算放大电路、限幅电路、A/D数据采集［3］、RS232通讯三个部分，该模块的A/D部分的采集频率是1 ms，因为一次侧的脉冲频率是100 Hz，周期T=1/f=10 ms，这样在二次侧产生的波形频率为100 Hz，周期为10 ms，所以A/D部分在二次侧波形的一个周期内能采集10个数据，再将采集的10个数据通过RS232通讯将数据传给ARM11中央处理单元进行数据处理。

MSP430F149芯片的A/D数据模块有8路12位精度的模数转换，同时MSP430F149芯片的A/D数据采集模块一般能测到0 V～3.3 V之间的数值，若所测的数值小于0 V，默认测到的值就为0 V，大于3.3V的时候默认为3.3 V，这样不利于我们最后的判断，同时如果所测的数据大于3.3 V，这样会损坏MSP430F149芯片，所以在数据采集模块之前加一个运算放大路［4］，该运算放大电路实现的将所测数据将数据放大，因为当二次侧接线接反的时候，二次侧的数据都为小于0 V，通过运算放大电路将数据放大到可以测的范围有利于测量，进行判断，同时为了保护MSP430F149芯片，需要对所采集的电压进行限制，将电压限制在MSP430F149芯片的A/D数据采集的0 V～3.3 V电压之间。

2.3 ARM11中央处理器

设计中的ARM11中央处理器是设备的核心，采用的是S3C6410，S3C6410［5］是三星公司生产的微处理器，S3C6410 是一个16/32位RISC微处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低，性能高的应用处理器解决方案。文章中的数据辨别模块主要利用在ARM嵌入式的WINCE系统下，开发触摸屏界面，界面是在PC机上visual studio 2008的C++语言下编写完成的，然后将生成的程序移植到ARM嵌入式系统中使用。ARM嵌入式和数据采集模块之间的通信主要通过微处理器自身的RS232进行双向通信，在测试系统中的ARM11中央处理器之前添加运放电路，对所测的数据进行放大，这样方便数据采集模块进行数据采集。

2.4 无线模块

测试设备中的无线收发模块主要用来将二次侧通过手持设备触摸屏发送指令通过该无线模块送个一次测的PWM模块进行相应的动作，采用的是基于CC1100［6］的无线模块，CC1100是一种极低功率UHF收发芯片，为低功耗无线应用而设计，电路的波段可以设置为315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)，当然也可以设在其他的波段，该收发芯片集成了一个调制解调器，可以支持不同的调制格式，数据传输率能够达到500 kbps。CC1100是基于0.18 μmCMOS晶体的Chipcon的SmartRF 04技术，CC1100具有较低的电流消耗，高效的SPI接口，单独的64字节RX和TX数据FIFO(先进先出堆栈)，能够在距离50 m进行无线通讯，即使中间有障碍物也可以进行正常的通讯，这样能够很好的满足我们测试过程的运用。

图3 系统软件流程

3 测试系统软件设计

电压互感器极性智能检测系统的数据采集、处理、指令发送都是由ARM11中央处理单元S3C6410控制，通过ARM11控制MSP430F149单片机以及无线模块，流程图见图3。

在测试过程中，测试人员将测试中线接好，只需要通过以ARM11中央处理器为核心的手持设备触摸屏上进行测试操作，然后将所测的数据传输到手持设备的显示屏上，可以很方便的观测到测试结果。

4 实验验证

为了验证该测试系统能否正确的检测到电压互感器的极性，现对10 kV-JDZJ型单相电压互感器(变比为10 kV/100 V)通入Vp-p为200 V，频率为100 Hz，占空比为25%的单极脉冲电压信号，当二次侧极性正确情况下，二次侧电压波形如图4所示。该波形是在运算放大电路放大之后的电压。

图4 二次侧极性正确电压波形

当二次侧极性相反的情况下，二次测电压波形如图5所示。因为极性检测系统的数据采集采用了运算放大电路，所以所测的电压被放大到MSP430F149芯片以便于测量的范围。

图5 二次侧极性相反电压波形

如 图4、图 5 所示是用示波器所测的二次测电压波形，在手持设备上的显示屏所测的数据如图6和图7所示。

在20 ms采样时间里采集的数据，二次侧输出波形周期为10 ms，一个周期内可以采集10个数据，根据图6所测数据显示可以看出，当二次侧极性正确时，在所测的20个数据中有4个是高电平，高电平所占比例为20%，跟理论上占空比为25%相差不大，从而判断出二次侧极性跟一次侧极性是正确的，根据表图7所测数据显示可以看出，当极性相反时，在所测的20个数据中有4个是低电平，低电平所占比例为20%，根据该占空比判断出极性是相反的。

图6 极性相同所测数据

在实际电力系统中一般是将三个单相互感器按一定的连接方式连接在一起，连接方式如图8所示。

在测试过程中通过在手持设备上的触摸屏进行检测操作，分别测试A、B、C 三相，再分别将所测的数据传给手持设备进行数据处理，现场测试图见图9，判断出电压互感器的二次侧极性是否正确，方便观测。

图7 极性相反所测数据

图8 三相四星型电压互感器一、二次接线

图9 现场测试图

5 结束语

根据前面分析，通过以ARM11中央处理单元为核心的检测系统，只需要在触摸屏上就可以操作数据采集模块、无线模块、PWM波发生模块，这样可以更加方便，快捷的检测出电压互感器二次侧的极性是否正确，更加的智能化。

［1］雷玉莲，刘平香.互感器极性的测试与判定［J］.大众科技，2010，12(2):128-130.

［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］沈建华，杨艳琴，瞿骁曙.MSP430F149系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［4］王卫东，李旭琼.模拟电子技术基础［M］.2版.北京:电子工业出版社，2010.

［5］侯殿有，刘晓光，吉鹤.S3C6410X(ARM11)精简指令系统微处理机(RISC Microprocessor)的特点和使用实例［J］.电脑学习，2009，25(6):22-23.

［6］孙维明，石江宏，陈岳林.可编程RF收发器CC1100的原理及开发［J］.国外电子元器件，2007，14(9):40-42.