基于单片机的高压开关柜核相仪设计与实现

赵航宇 毛王清

（国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司）

0 引言

随着我国经济的发展与社会的进步，电力系统的规模逐步扩大，其运行方式和拓扑结构也变得更加复杂，因此对于电能的供应质量及其安全性、可靠性、稳定性都提出了更高的要求［1－2］。安全属性是电力系统运行的一项最基本属性，电力系统中的电缆线路必须要经过相位核验后，才能够进行并网、合环、送电等操作［3－4］。

目前，电力系统中普遍采用的常规核相方法，仪器测试精准度低，核相操作步骤复杂，核相效率低下。因此十分有必要对核相技术展开深入研究，采用先进的方法，准确、安全、高效完成核相工作，提高电力系统的供电连续性［5］。

1 过零点相位检测法

过零点相位检测法是一种非常简单的相位检测方法，能够直接对电力系统中电压信号的相位和频率进行检测［6］。过零点相位检测法的原理：同时对参考端和被测端两个同频率交流电压信号的过零点进行检测，得到两个过零点的时间差，再将时间差换算成相位差，就得到了两个交流电压信号的相位差［7－8］，其检测原理如图1所示。

图1 过零点检测法实现原理

假设参考端的电压为：

假设被测端的电压为：

参考端电压的过零点时刻为t1，被测端电压的过零点时刻为t2，电压信号的周期为2π／ω，两个电压信号过零点时间差为Δt，则得到相位差值为：

2 系统总体方案设计

2.1 系统功能需求

该核相仪能够对电力系统线路的相位和相序进行核验，具备很强的抗干扰能力，适合应用于复杂的工业现场环境。本文所研究的核相仪需要满足以下需求。

（1）基本需求

1）安全要求：由于该核相仪应用于高压电力线路，其检测对象具有高电压的特点，在设计上必须以安全为出发点，保证现场人员的安全需求［9］；

2）指示要求：检测完毕后，需要对检测结果进行显示。

（2）功能需求

1）参考端信号采集器采集到的电压信号应当与实际电压相位保持同步，并且将过零点信号传送给控制器［10］；

2）被测端信号采集器采集到的电压信号应当与实际电压相位保持同步，并且将过零点信号传送给控制器［11］；

3）控制器接收参考端采集器和被测端采集器的电压过零点信号，并对两个过零点信号进行运算，得到最终的相位差。

（3）技术需求

1）准确性：核相仪是一种高精度的测量仪器，对于检测精度要求较高，因此在设计选型时，需要对器件的精度重点考虑；

2）抗干扰性：电力线路电压等级高、磁场强度高，因此需要核相仪具备较强的抗干扰能力，在强电场和强磁场环境下也能够正常工作；

3）低功耗性：由于应用场景通常不具备设备外部供电条件，需要内部蓄电池供电，因此需要降低能量消耗，延长供电时间；

（4）便携带性：由于核相仪的应用环境特殊，在设计选型时需要考虑便携性。

2.2 系统方案设计

核相仪的总体架构如图2所示。核相仪主要包括了三个部分，即参考端、被测端、控制器［12］，其中参考端和被测端的结构完全相同，都包括了信号采集器和无线发射器；控制器通过无线接收器接收来自于参考端和被测端的数据，并对数据进行分析，得到最终的结果。

图2 核相仪总体架构

参考端的信号采集器采集基准电力线路电压信号瞬时值的正向过零点，再由无线发射器向控制器发送正向过零点信号，控制器接收秒脉冲信号，秒脉冲信号触发控制器产生外部中断开始计时并允许接收正向过零点信号，并将正向过零点进行存储；被测端的信号采集器采集被测电力线路的电压信号瞬时值的正向过零点，再由无线发射器向控制器发送正向过零点信号，控制器接收秒脉冲信号，秒脉冲信号触发控制器产生外部中断开始计时并允许接收正向过零点信号，并将正向过零点进行存储，最后由控制器对基准电力线路电压信号的正向过零点和被测电力线路电压信号的正向过零点进行运算分析，得到最终的核相结果。

2.3 基于过零点检测的系统测量原理

根据我国的供电标准，我国的供电电压频率为50Hz。某一随机时刻，电力线路电压信号的相位是一个相对值，根据过零点检测原理，两条电力线路电压信号相位差值与正向过零点时间的差值是相互对应的［13］。

由于无法直接测量电力线路电压信号的相位，需要通过传感器对电力线路的电压信号进行采集，得到与实际电压信号同频率、同相位的电压信号。在t1时刻，参考端的电压相位信号为φ1－t1，在t2时刻，被测端的电压相位信号为φ2－t2，由于电压信号的频率为固定的50Hz，所以被测端在t2时刻的相位信号φ2－t2，可以变换为在t1时刻的相位信号φ2－t1。由此便得到在t1时刻，参考端电压信号与被测端电压信号的相位差，并且可以判断出参考端电压信号与被测端电压信号是否同相，具体的判断依据如表1、表2、表3所示。

表1 参考端为U相时核相判断依据

表2 参考端为V相时核相判断依据

表3 参考端为W相时核相判断依据

在进行相位分析时，通过滤波等整定方法将正弦波电压信号变换为方波，并采集方波的正向过零点时刻来计算相位差，这种处理方法没有考虑电压信号的幅值，幅值并没有对测量结果产生影响。因此不同电压等级的电力线路电压信号都可以通过过零点检测的方法进行核相。

3 系统功能设计

3.1 信号采集器

信号采集器的功能是基于电磁感应原理，通过传感器对电力线路的电压信号进行采样，得到与电力线路电压信号同频率、同相位的正弦电压信号，该信号送入到信号处理电路中进行处理，得到方波信号，由信号采集器中的控制芯片采集方波信号的正向过零点，并将采集到的正向过零点通过无线发射器发送出去。参考端与被测端的信号采集器结构完全相同，信号采集器与控制器之间通过无线发射器和无线接收器进行数据通信。信号采集器的具体结构如图3所示。信号采集器包括了传感器、信号调理电路、控制芯片、无线发射器以及电源五个部分。

图3 信号采集器结构

3.2 控制器

控制器的硬件整体架构如图4所示。

图4 控制器整体架构

控制器主要包括电源、微处理器、无线接收器、存储器、键盘、GPS模块和LCD显示模块。其主要功能有：判断GPS模块与卫星是否处于同步状态，能否实现秒脉冲的正确接收，在收到秒脉冲触发信号时，将参考端和被测端的电力线路电压信号正向过零点的时间运算，得到时间差数据，再运算时间差数据得到与其对应的相位差数据，并得出相位核验结果，判断参考端与被测端是否同相位，并最终实现检测结果的显示与存储。

3.3 通信模块

无线发射器与无线接收器分别安装在信号采集器和控制器上。信号采集器通过无线发射器将检测到的电力线路电压信号的正向过零点信息向控制器发送，控制器通过无线接收器接收检测到的电力线路电压信号的正向过零点信息。基于标准的通信协议实现数据的发送与接收，强化了操作的灵活性及安全性。无线发射器与无线接收器都选用Nordic公司的nRF24101芯片。

nRF24101芯片采用了20引脚QFN封装形式，其内部包括频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器以及增强型Schock Burst TM模式控制器［14］。该芯片工作频率范围为2.4～2.5GHz，能够支持多点通信。其主要特点有功耗低，工作电压范围宽（1.9～3.6V）；工作在发射模式下时，其电流消耗能够达到9mA左右，工作在接收模式下时，其电流消耗能够达到12.3mA左右；其工作速率最高能够达到2Mbps；在待机模式和失电模式下，芯片的功耗更低。通过微处理器的SPI接口能够对nRF24101芯片进行功能配置。

4 实例

核相仪设计完成后，选取五个不同型号的开关柜，进行功能测试，其结果如表4所示。

表4 核相仪实际运用测试结果

从表4中数据可以看出，MERLIN开关柜相位偏差较大，深入分析后发现，测试位置两侧柜内带电指示器信号不一致，引起了信号相位的偏差，经过信号调理后与参考电压相比较，相位信号出现偏差，但并不会对相位的核验造成影响。

5 结束语

随着电力用户需求的不断升级，电力系统容量的不断扩充，为了保证电力系统能够安全、稳定、可靠运行，安全实用的核相仪是必备工具，本文所取得的研究成果如下：

1）采用过零点检测方法对相位进行核验，能够实现不同电压等级下的核相；

2）核相仪主要包括了参考端、被测端、控制器三个主要部分，参考端与被测端的硬件结构完全相同，两端的信号采集器采集电压信号的正向过零点数据，并通过无线发射器发送给控制器，由控制器进行数据的分析、处理，得出最终的核相结果；

3）该核相仪采用滤波等手段对信号进行深度处理，在复杂的工业环境下也能够正常工作。