新型电力线路电压相角测试系统的设计与研制
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摘 要： 系统用于对50 Hz交流电从A地经数十千米（甚至数百千米）输电线路输送到B地后产生的电压相角（或相位移）的在线测量。包括两个功能完全相同的测试装置：A号机和B号机，两机在同步时钟控制下进行数据采集，各记录5 min左右数据后，分别将数据导入PC机，通过NI/CVI LabVIEW开发平台进行分析处理、计算并显示输出结果实现对电压相角的及时监控，为电力系统稳定、安全运行提供有力保障。
关键字： 电压相角； 对称计数； 同步补偿； 数据采集
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0132?05
Design and development of voltage phase angle test system for new type power line
TANG Xu?hui
（School of Electronic and Communication Engineering， Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518005， China）
Abstract： The system is suitable for the online measurement of voltage phase （or phase shift） generated by 50Hz AC after tens of kilometers even hundreds of kilometers transmission line. The system includes two identical testing devices of A and B. The two devices collected the data under the control of synchronous clock， and the data is sent to PC after each 5 minutes. The timely monitoring of the voltage phase is realized by analysis and process， computing and display the output result through NI/CVI LabVIEW development platform， which provided a powerful support for the power system stability and safe operation.
Keywords： voltage phase； symmetric count； synchroballistic； data collection
0 引 言
近年来，随着电力系统规模不断扩大，大容量、超高压、远距离输电日益增多，系统结构日趋复杂；电力系统稳定性的监控和保障需求日趋迫切。就近些年我国部分地区遭受罕见冰灾，导致输电线路受损、甚至停运的灾情来看，有效监控电力系统稳定性的技术研究对突发灾情的预防和抗灾尤其重要。
从电力系统的稳定性分析与系统控制来看，相角（或相位移）是反映系统稳定性的最主要的状态量，而其中电压相角的大小直接反映了电力系统静态稳定和暂态稳定的状况。如果相角能够被准确测量，一方面调度监控系统能通过监控电压相角变化，及时发出调度命令；另一方面自动调节装置能根据相角的变化控制发电机的功角，自动安全装置可以采取紧急控制措施，如切机、甩负荷等，使系统受到的损害最小。这样，相角这个状态变量不仅能用于调度中心的集中监控，也能用于分散的就地监控以解决系统的稳定性问题。因此，研究电力系统精确的相角测量技术，为电力系统的稳定控制和保护具有重要意义。
1 相角测量技术的国内外研究概况
由于电压相角的测量对电力系统具有重要意义，很早人们就开始探索各种测量电压相角的方法。
早期的方法是将电网上送端的交流电压波形通过专用通道传送到受端处，并和受端处的电压波形相比较、从而得出两端的电压相角。由于这种方法在异地通信传输上有很大的延时，造成测量精度不能满足要求。
另一种方法是在电网上对两点的电压相位进行同步采样，将两个采样点的相位转换值分别通过远程通道送到调度中心，经波形恢复、数据分析比较而求得相角。这种方法要求异地两个时钟必须有较高的同步精度。由于电压相角测量的是相距遥远的两端点电压之间的相位差，两端采样所使用的标准时钟是有一定的误差的，故测量的同步性以及信息在通信传输上（从送、受端某一端传送到调度控制中心）的不等延时均会引起所测电压相角的误差。可以算出：对于50 Hz工频量而言，1 ms的同步误差即可产生18°的相位误差。要保证相位误差小于1°，就必须要求同步误差不超过55 μs。所以，相角测量技术的关键在于如何实现高精度同步的测量。
随着全球定位系统（GPS）的迅速出现，为研究电力系统电压相角的测量技术提供了一种新的手段。对于在电网任意两点上的采样装置而言，GPS系统提供的精确时间作为一个共同时间基准。利用GPS定时进行电压相角测量的基本思路为：在送端和受端利用各GPS接收机产生的脉冲同步信号（如1 PPS），测出脉冲上升沿和50 Hz发电机电势及母线电压波形上升时过零点之间的时间，则电压相角所对应的实际时间为：
[t3=t2-t1±Δt]
其中，[Δt]为异地两端的同步误差；[t1]和[t2]为在异地两端分别测得的时间。
经编码与测量时的时间一起，通过通信传递到同一个地方，如调度中心进行计算得到电压相角值。采用“共视法”实现GPS时间信号的传递进行电压相角测量的方案，如图1所示。
图1 采用“共视法”实现GPS时间信号的传递
进行电压相角测量的方案
这里所谓的“共视法”是指：在两个观测站或多个观测站各设一台GPS接收机，并同步观测同一颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差。利用GPS“共视法”进行时间信号的传递，常常会受到如下因素的影响而产生误差：卫星时钟相对GPS系统时的偏差（简称卫星钟差）、接收机时钟与系统时的偏差、卫星的轨道误差、相对论效应、大气层效应、电离层效应、对流层延迟、接收机跟踪环误差、多径与遮挡效应、卫星与接收机硬件偏差等等。虽然，“共视法”就是利用“对称”的方法实现了消除卫星钟差的影响，同时明显减弱卫星的轨道误差以及大气效应折射误差的影响，但是其他因素的影响仍然存在，理论上所得相对钟差可达数十个ns。但在实际工程应用中，据业界报道，现今利用上述方案对进行电压相角测试精度最高虽能达到1°的要求，但由于上述影响测试精度的因素很多，任何环节出现问题都会造成较大的测量误差而不能满足预定要求，导致工程成本非常可观（达上千万元）；而且此测试方案只应用于220 kV以上的电网中进行粗密度测量，应用范围有限。
2 基于“对称计数与同步补偿”思路的电压相角
测试系统的设计
鉴于上述情况，投入研发新型的电力线路电压相角测试仪。旨在研究一种经济、科学、实用的测量方法，实现对电压相角参数测试技术的补充，着重解决GPS技术存在的不足：如何降低测试成本；尝试应用于220 kV以下的电网中进行对电压相角的精密度测量。
这里提出了一种基于“对称计数与同步补偿”的思路，以实现异地高精度同步采样实现电压相角的测量。即A、B装置经在同一地进行同步清零后，分别在A、B地同时进行“对称计数”，通过锁定和分析计数历时时间来确认同步采样的起始时刻，配合准确测定计数时钟系统误差与一致性误差等因素，实现科学的“同步补偿”从而达到高精度同步采样电压波形的目的；得到的采集数据利用NI/CVI LabVIEW开发平台等高技术手段，实现了电压相角的自动测量、分析、显示等多种功能。此系统的具体设计思路可阐述如下。
2.1 基于“对称计数与同步补偿”的思路实现异地高精度同步工作
这部分也就是要重点解决的技术关键问题和创新点。如图2所示，具体实现步骤如下：
2.1.1 测定时钟源的系统误差和一致性误差
本系统包括功能相同的两个测试装置A号机和B号机，拟定它们均使用同型号同批次的高稳定度、高精度恒温晶振20 MHz作为时钟源。通过科学实验、分析研究影响时钟稳定度、一致性偏差的因素，建立合理的误差数学模型，以确保及时对同步时钟进行误差补偿。
2.1.2 A、B机在同一地进行统一同步清零并启动“对称计数”
在同一地同一时刻，使用同一同步脉冲对A、B机统一进行同步清零。注意：这个同步是绝对的同步。从此刻开始，两机分别对各自的时钟进行累计计数。假设A机就放置在A站准备进行数据采样，而B机将长途运送到B站。
2.1.3 “对称计数”状态下A、B机进行同步采样
此时，A机和B机都已经分别在A站和B站准备就绪，只等待采样命令的发出。当分处异地的两机上的“采样开始键”按下后，A、B机将“同时”开始进行数据采集。注意：实际上A、B机上的按键不可能同时按下。如何解决这个问题？由于A、B机在绝对同步之后一直都处于累计计数的状态——即“对称计数”状态，注意：最长计数时间为12 h，应能满足实际测量需要。当“采样开始键”按下的瞬间，A、B机将此时的历时时间计数值锁存（注意A、B机仍然还处于计数状态），这样A、B机就将自绝对同步清零操作开始至“采样开始键”按下止的历时时间数据记录下来并送入各自的微处理器，这个数据也就是A、B机各自数据采集开始的准确时间。
图2 基于“对称计数与同步补偿”的思路
实现异地高精度同步工作过程
2.1.4 “同步补偿”实现高精度同步
当A，B机经历了5 min的数据采集和存储后，可以将存储的数据上传入PC机上的NI/CVI开发平台进行分析。根据被记录的历时时间数据，经过历时时间分析比较，并配合时钟源的系统误差和一致性误差进行“同步补偿”，找到A、B机在绝对同一时间段的有效采样数据段，然后再进行分析和波形恢复，从而计算出电压相角参数。
2.2 新型电力线路电压相角测试系统的具体实现原理
本测试系统由上位机系统和电压相角测试系统两部分构成，两者通过串行通信接口实现数据传输。电压相角测试系统将从两地采集到的数据分别上传到上位PC机，通过NI/CVI内置强大的测试分析和显示功能进行科学地分析、处理，经过有效计算结果实现同一时间段的数据的准确对齐并实现波形恢复，从而计算相角参数。
电压相角测试系统则主要由如图3所示的六个模块构成：CPU处理单元ATMEGA128L、键盘输入控制模块、液晶显示模块、计数单元、高速采样模块及存储单元构成。
其中，系统采用具有12 位精度、内置6通道采样/保持放大器、双极性输入的A/D转换器——ADS7864，在高精度同步时钟的控制下，实现采集电力线路的电压波形数据。
系统采用AT45DB321D 4M FLASH存储器实现在一个采样脉冲周期内完成一次数据的采样和科学存储，以完成实时性较高的数据存储任务（注意总采样时间为5 min左右）。
系统的计数单元由时钟源、异步二进制计数模块、历时时间锁存模块及串并转换模块构成。此单元确保计算出A、B装置各自数据采集开始的准确时间、并且输出采样脉冲支持高速采样。计数单元还具有一清零输入端口，该清零输入端口可输入同步脉冲，从而进行同步清零。
图3 电力线路电压相角测试装置设计框图
3 新型电力线路电压相角测试仪的研制与测试
这里按照如图4所示的本系统具体实现原理框图进行了各个模块的电路设计制作与调试，具体包含：ATMEGA128单片机开发系统模块（含输入/输出接口、串行通信接口等）、前端调理模块、A/D转换模块、FLASH接口模块、计数锁存与上传系统模块、计数清零模块、电源模块。完成整个硬件电路的设计调试之后，进行了上位机基于LabVIEW软件的数据通信、界面显示与控制、数据分析、波形恢复、同步补偿与计算等功能软件的设计，并进行系统联调与测试。
3.1 定制晶振的系统误差测试
采用东莞市大普通信技术有限公司定制生产的两个型号为DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒温晶振进行测试实验。这一对晶振的频率精确度分别为[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分别为[3.67×10-10，][4.35×10-10。]
图4 电力线路电压相角测试装置详细原理框图
按照如图5所示设计方案设计硬件电路，完成制板和硬件调试。在这个实验平台下进行两个恒温晶振的一致性误差测试：
（1） 等时间间隔测试：在分别设置每连续5 min、10 min和20 min三种时间段计数后进行一次同步清零的情况下，测试两个高精度恒温晶振的计数一致性误差。
（2） 设置每连续1 h计数后再进行一次同步清零的情况下测试，在此期间，每5 min或10 min记录一次数据，测试其误差累积结果是否具有线性特征。
图5 恒温晶振一致性误差测试平台
（3） 连续计数拷机测试：分别进行每连续计数拷机2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再进行一次同步清零的测试。
经过多方式多轮测试，这两个高精度晶振可以保证在4 h连续计数拷机工作下一致性误差为0；4～8 h连续计数拷机工作下一致性误差为409.6 μs；8～15 h连续计数拷机工作下一致性误差为819.2 μs；可以满足本项目的应用要求。并将系统误差用于同步补偿中。
3.2 基于本系统的电压相角测试过程
首先系统上电初始化。主要完成系统主要芯片部件的初始化，其中要对FLASH整个芯片进行页擦除工作。
当完成初始化工作后，系统处于待命状态，这时用户可以开始进行测试工作。系统提示用户“请选择按键”。
当用户按下“开始”键后，系统进入数据采集过程：当用户按下“结束”键后，则完成了数据采集过程。系统采集到的数据在数据采集过程中已存储到FLASH中。此时系统提示用户进行下一步骤的操作。
用户需要将采集到的数据上传到PC机中，则按下“上传”键，系统进入基于串行通信的采样数据上传过程，这需要一段时间。
当数据上传结束后，系统提示用户。后续则是在VI程序中进行数据分析和处理的过程，最终得出相角差的结论。上位机测试结果如图6，图7所示，经多次实践测试，本系统成本低、工作稳定可靠、测试精度满足实际需求。
图6 本地电力线路电压信号相关参数测试
图7 两地电力传输电压相角差的测试
4 结 论
由于该测试系统成本低廉、应用广泛、测量精度高、操作简单，并且体积小、重量轻、携带方便，符合未来电力线路参数测试的发展方向，可广泛应用于各级供电部门和各个发电厂的电力线路参数测试、维护电网安全稳定，并且可辅助管理者科学地分析供电质量、测试电网污染、掌握设备节能降耗的潜力，从而有效地抗灾救灾、促进和推动节能降耗工作的开展。对促进继电保护的运行管理水平和电网的安全稳定运行将具有很大的推动作用，具有深远的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] MARTIN K E，ESZTERGALYOS J.Precise time dissemination and applications development on the bonneville power administration system [C]// Proceedings of the 23rd Annual Precise Time and Time Interval Applications and Planning Meeting. Pasadena， California： PTTI， 1991： 147?160.
[2] MICHAEL A S.Delivery and application of precise timing for a traveling wave powerline fault locator system [C]// Proceedings of the 22th Annual Precise Time and Time Interval Applications and Planning Meeting. Vienna， Virginia： PTTI， l990： 355?360.
[3] 刘志强，姜芸，李煜.电力电缆线路参数测试技术的研究[J].高电压技术，2003，29（1）：10?11.
[4] KEZUOOVIC M， PERUNICIC B. Automated transmission line fault analysis using synchronized sampling at two ends [J]. IEEE Transactions on Power System， 1996， 11（1）： 441?447.
[5] ABE M， OTSUZUKI N. Development of a new fault location system for multi?terminal single transmission lines [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1995， 10（1）： l59?168.
[6] 刘光辉，范士锋，刘海波.高压输电线路工频阻抗的抗干扰测试[J].山东电力技术，2004，132（4）：66?68.
[7] 聂桂根，刘经南.GPS测时在电力系统中的应用[J].武汉大学学报，2005（4）：103?104.
[8] 周飞，沈明，王志浩，等.基于C8051的电力变压器短路电抗在线监测系统的设计和实现[J].现代电子技术，2013，36（9）：158?160.
[9] 卢惠辉，苏成悦，张文嘉.电力系统谐波负载模型分析与研究[J].现代电子技术，2013，36（15）：115?118.
[10] 李家生，刘大茂，孙旭飞.低压电力线信道阻抗测量与匹配[J].现代电子技术，2012，35（7）：161?163.