基于北斗同步时钟的无线二次核相装置的设计与实现

戚大为 王成斌 张 强 刘 永 马永春

（1.国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司 2.南京广创科技有限公司）

0 引言

在电力系统中，三相电压的相位是十分重要的，必须要对其进行检测，如果三相电压的相位存在较大差异或者进行三相并网作业时相序不对应，则会造成严重的电力事故［1-2］。因此在进行变电站新建、电力线路改造、电网并网时，必须要进行核相，以确定三相电压的相位和相序。

在实际的电力作业中，先进行定相，以判定一次侧电气设备和二次侧电气设备的三相电压相序是否一致；然后再进行核相，以判定一次侧三相电压相序和二次侧三相电压相序的一一对应情况［3］。二次核相专门针对采用PT降压后的三相电压或者较低的三相电压。

1 相位检测方法

过零点时刻法检测原理如图1所示，对两个电压上升沿或者下降沿的过零点时刻进行检测，将提取的过零时刻值转化为两个电压的相位差，即：

图1 过零点时刻法检测原理

其中，t1和t2为两个电压信号的上升沿过零点时刻；T为电压信号的周期值。

由于电网本身质量并不是很好，并且谐波和噪声含量较高，这就会影响相位检测的结果，可以采用滤波器进行滤波处理，剔除电压中的谐波和噪声，并将正弦波信号变换成方波信号，只要计算出脉冲信号的时间差值，便可得到相位信号的差值，波形变换法检测原理如图2所示。

图2 波形变换法检测原理

2 远程数据传输技术

北斗系统主要包括了三大部分，即空间段、地面段、用户段。空间段包括了静止轨道卫星和非静止轨道卫星；地面段包括了主控站、监控站等；用户段包括了北斗用户终端和与北斗系统相兼容的用户终端。北斗系统能够提供定位、测速、授时和通信服务，通信服务支持短报文系统［4-5］。短报文系统支持用户通过手持设备与地面主站进行双向报文通信。

3 核相装置的实现

3.1 硬件部分

3.1.1 射频模块

射频模块分为两部分，分别配置在高压检测探头和手持设备上，高压检测探头会将采集到的网压相位、电池电压、网压幅值等数据通过射频模块发送出去，由手持设备接收［6］。成对的高压检测探头工作在相同的频段，基于不同的地址编码来实现高压检测探头传输数据的区分，在手持设备端通过地址辨识机制来固定地址传输的数据。

手持设备和高压检测探头的射频模块采用美国TI公司的射频芯片CC1101，该芯片适用于短距离射频通信，供电范围宽、功耗低，通过寄存器配置进行射频输出频率的调整，通过SPI接口和内部FIFO对射频芯片进行控制。在进行数据接收时，先通过低噪声放大器进行放大处理，再进行积分、相位变换、降压等处理后得到中频信号，中频信号经过模数转换变为数字量；在进行数据发送时，通过SPI接口将数据写入到寄存器，然后对数据进行打包处理，最后完成调制通过功率放大器发送［7］。射频芯片CC1101的引脚定义见下表。

表 射频芯片CC1101引脚定义

射频芯片CC1101的外围部分主要由供电单元、晶体振荡器、偏置电阻、天线等几个部分组成。CC1101芯片的射频接口由RF＿N和RF＿P组成，属于平衡型结构，由于布线方面的限制，只能选用单极性方式的天线，可以基于巴伦模型进行平衡传输到非平衡传输模式的变换，进行信号的调制。巴伦模型的作用是将一对幅值相同、相位相反的信号变换为单端信号，或者将一个单端信号变换为一对幅值相同、相位相反的信号［8］。

射频放大器的效率和线性度两个指标是存在关联关系的。效率定义为射频输出功率和电源输入功率的比值。在输出信号的功率较低情况下，射频放大器的增益维持在稳定状态，能够保证输入与输出之间的比值维持在定值，但是当输出信号的功率逐渐增大的情况下，射频放大器的增益会趋于饱和状态，输入与输出之间由线性关系转变为非线性状态，提高输出信号功率的代价是牺牲线性度，这时需要在射频信号的输出端对输出信号进行滤波［9］。

3.1.2 相位检测探头

相位检测探头的核心处理器选择美国TI公司的射频芯片CC430F5137，该芯片供电范围较宽，具有一种普通工作模式和五种低功耗工作模式，可以根据实际需求自行选择。相位检测探头的任务是检测电网相位，并将电网相位数据、电压幅值数据、供电电池电量等通过射频模块发送到手持设备。该相位检测探头能够检测的电压等级分为12V～10kV和10kV～35kV两种。

3.1.3 手持设备

手持设备由北斗定位模块、GPRS通信模块、语音交互模块、LCD模块等组成。其主控芯片选用Atmel公司的SAM7X512，该芯片的核心处理器ARM7TDMI的主频能够达到55MHz，基于该主控芯片的最小系统包括了通用数字量输入输出、外部晶体振荡器、锁相环供电电路、滤波器电路、FLASH外部电路、JTAG外部电路等。为了实现相位核准功能，北斗定位模块需要能够实现卫星授时功能，为电网相位的测量功能提供时间基准。根据设备尺寸和功耗要求，选择UM220-IIIN芯片作为北斗定位授时芯片，该芯片具备冷启动和热启动两种启动方式，UM220-IIIN芯片将秒脉冲信号通过数字量接口传输至主控芯片进行卫星授时操作，其串口与主控芯片的串口连接进行数据传输［10］。GPRS通信模块采用华为公司的EM310模块，该模块工作电压范围宽，能够工作在GSM900和GSM1800两个频率段。手持设备还能够进行语音播报，语音交互模块选用佳强电子的JQ6500模块，该模块集成有主控芯片和专门的音频解码DSP。为了保证功耗要求，选用深圳科飞研公司的LCD模块，其型号为COG240160C，能够通过对每个点的灰度进行设置来显示文字或者图片。

3.2 核相方法

当两个相位检测探头检测到起始帧后，内部定时器从接收起始帧到电网电压第一个上升沿后触发工作。发送起始帧后200ms再发送轮询帧，相位检测探头接收到轮询帧后再将检测到的上升沿时间通过返回帧发送到手持设备，手持设备将接收到的两个相位检测探头的返回帧的时间转换为角度，如果一定时间内未接收到返回帧，则认定缺项。

4 相位检测探头功能测试

相位检测探头的功能测试主要包括如下两方面：无线通信稳定性测试、相位检测精度测试［11-12］。

无线通信稳定性测试：由于相位检测探头处于高电压、强磁场、强辐射的环境中，会对射频通信产生一定程度的干扰，通过相位检测探头的LED指示灯来判定无线通信的稳定性，LED1用于显示电源状态（常亮），LED2用于显示通信状态（周期1s闪烁），测试发现LED指示灯显示均正常。

相位检测精度测试：测试发现相位差为20°，完全不满足系统精度要求，经分析，发现是滤波电容的精度值较低导致电容值不准确，在滤波时导致波形出现了延迟，从而导致相位差较大，因此对滤波电容精度进行调整。滤波电容的精度由5%调整为0.1%后相位差为2°，满足要求。

5 结束语

目前，我国正在大规模建设智能电网，智能电网对于变电站的改造、电网容量的升级、发电设备的并网都提出了更高的要求，电网的相位核准是一项重要的工作。本文基于北斗导航系统的同步时钟体系，采用无线通信方式进行数据传输，对工频的正弦波电压进行相位核准，以判断输电线路的实际相位与基准相位的偏差，从而采取有效措施进行处理。核相装置在硬件选型上普遍选用了低功耗芯片，具有较低的功率消耗。经过功能测试，相位检测探头具有较高的测试精度和较稳定的通信效果，具有一定的应用价值，可以进行普遍的推广应用。