CN101162245A

CN101162245A - 基于虚拟仪器的变压器变比测量系统

Info

Publication number: CN101162245A
Application number: CNA2007101503915A
Authority: CN
Inventors: 周雪松; 安小东; 马幼捷; 康文广; 邵宝福; 张跃均; 吴平安
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: CN100592091C

Abstract

一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于它是由三相信号源电路、功放电路、高/低压侧控制电路、信号调理单元、数据采集单元以及包含有变比测量程序的CPU控制器构成。本发明的优越性在于：1.适合各种连接方式的变压器接线组别；2.内部配置三相测试电源；3.可以采用单相电源法进行变比测试，并且采样率可在AD允许范围内调整，保证了较高的测试精度；4.接线简单，只需将变压器高、低压侧6个端子与仪器对应连接，其余工作由仪器自动控制实现；5.为保证设备和人身安全，仪器内部设置了极性保护功能，测试接线错误时自动切断测试电源并给出告警信息；6.将测量数据储存成文件，便于数据分析和分类管理。

Description

基于虚拟仪器的变压器变比测量系统

(一)技术领域：

本发明属于变压器变比测量技术领域，是一种基于虚拟仪器技术的变压器变比测量系统。

(二)背景技术：

根据GB1094-1996《电力变压器标准》、DL/T596-1996中华人民共和国电力行业标准《电力设备预防性试验规程》要求，在装备过程、安装前及进行大修后需要对电力变压器的主接线、分接头的变比进行测定。可见，变比是变压器的重要参数之一。变比参数的恶化可以反映变压器的很多故障。例如可以检查线圈匝数是否正确、分接头焊接质量，查明线圈短路、断路，分接头开关的故障和错误，也可查明分接开关手柄位置与箱内分接开关对应情况，查出分接引线装配问题。同时，变比测试的精度也随现代化的发展成为影响电能质量的重要环节。例如两台并列运行的变压器要求短路阻抗匹配，具有相同钟点，变压比相差不能超过0.5％。否则，两变压器间将产生环流电流，损耗增加，严重时将导致变压器发生故障，如绕组短路、断路、击穿、变形、烧毁等。通过市场调查，现有的变比测试系统在测试精度和适用范围上有所欠缺，所以有必要研究一种可用于特殊接线方式的高精度变比测量系统。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，本测试系统采用了虚拟仪器的设计思想，硬件及结构统一设计，既适应了仪器发展的潮流趋势，又提高了仪器设备的档次，更为重要的是可更好地服务于不同需求的电力用户。

本发明的技术方案：一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于它是由三相信号源电路、功放电路、高/低压侧控制电路、信号调理单元、数据采集单元以及包含有变比测量程序的CPU控制器构成；三相信号源电路输入端接功放电路，连接到被测变压器；同时高/低压侧控制电路部分输入端接被测变压器两侧三相，输出端接信号调理单元，通过数据采集单元进入CPU控制器；CPU控制器反馈接回数据采集单元，同时接三相信号源和高/低压侧控制电路部分；CPU控制器输入/出端口连接键盘输入和显示器输出。

上述所说的三相信号源电路是由CPLD，ROM，DAC7644和用于幅值控制的串行D/A组成；ROM由CPLD控制，根据试验要求设置的信号频率及其相位关系得到对应的工作时钟和分时生成ROM的地址信号、读写控制、DAC7644的片选、通道地址和启动转换等控制信号，将满足相位关系的波形数据写入D/A的相应通道，并将各通道数据同时启动输出，得到满足频率、相位要求的等幅值信号。DAC7644的输出信号作为幅值控制的串行D/A的参考信号，通过CPU可对各路信号的幅值进行控制。

上述所说的功放电路是由包括运算放大器和电阻的同向比例电路组成；跟随器将信号提取，由同向放大电路进行电压放大，由驱动和功率单元进行功率放大，保护检测单元实时检测被测信号，得到的测试电压且具有一定的功率，输出电压和输入电压信号呈线性关系，并且可控。

上述所说的高/低压侧控制电路是由高压侧继电器电路及低压侧继电器电路组成；高压侧继电器电路的输出端连接到低压侧继电器电路的输入端；所说的电路中有实现对高压侧继电器电路及低压侧继电器电路进行两次非同相测试的特种变压器测试的继电器。

上述所说的信号调理单元是由CPLD器件、8片D/A转换器件、8片运算放大器、晶振、地址设置电路与低通滤波电路组成；各模拟通道的放大倍数控制数据采用同一移位寄存器的输出，每一个通道数据的输出都进入每路D/A的移位寄存器，8片D/A的锁存器控制更新被选中的调理回路的放大倍数信号。

上述所说的数据采集单元是由CPLD、PC总线、模-数转换芯片MAX 125、晶振、地址设置跳线以及中断设置跳线组成，包括各相关接口和控制编程；在CPLD芯片与PC总线之间有中断设置跳线，CPLD上连接有地址设置接口，CPLD上连接有模-数转换芯片，模-数转换芯片上连接有晶振；完成对工控机地址总线数据进行译码的CPLD是本采集卡的核心，产生的逻辑控制信号控制各个单元的工作状态；CPLD要求控制数据的位数和A/D转换器的位数相匹配；数据采集单元中设置有地址译码、读数据寄存器、写数据寄存器、控制通道寄存器、启动触发器、中断响应寄存器，通过读写相应的寄存器实现数据输入与输出。

上述所说的包含有变比测量程序的CPU控制器是由硬件乘法器、累加器及输入输出控制器构成，硬件乘法器的输出连接到累加器的输入，累加器的输出连接到输出输出控制器的输入。

上述所说的CPU控制器的变比测量程序分为以下步骤：(1)程序开始，挂断RTAI程序模块，启动信号源输出，运行WiniGui界面。(2)开始测试，判断类型，相数测量相选择。(3)将命令送入FIFO1。然后RTAI驱动硬件执行测量，将结果送入FIFO2。(4)界面显示，保存操作与否。

本发明的工作原理：三相信号源电产生三相对称正弦波信号；经功放电路完成该信号的电压放大和功率放大，得到需要的测试电压且具有一定的功率并送至被测变压器；高/低压侧控制电路左右边分别为高、低压侧继电器电路，由CPU控制开关的关断或导通选择测量相或短路相的信号通过控制K1(K1’)～K3(K3’)选择测量相，控制K4(K4’)～K6(K6’)选择短路相；三相电源法时，继电器K1(K1’)～K3(K3’)均吸合，继电器K4(K4’)～K6(K6’)保持开路；单相电源法时，根据具体的变压器控制相应的继电器；选通的信号根据CPU控制信号调理电路进行信号的隔离、滤波和放大，使其在数据采集卡最佳测量范围以内；数据采集电路将调理信号采样对模拟信号进行模数转换并送至CPU中，由功能测试和分析程序完成计算并实时显示。

本发明的优越性在于：1、适合各种连接方式的变压器接线组别，包括单相变压器、三相变压器的Y/Y、Y/Δ、Δ/Y、Δ/Δ、Y/Z、Δ/Z接线方式，Scott变压器、Kubler变压器等，随着计算模型的补充，还可用于其他特种变压器的测试；2、内部配置三相测试电源，解决现场获取三相电源困难的问题和实现组别测试功能；3、可以采用单相电源法进行变比测试，并且采样率可在AD允许范围内调整，保证了较高的测试精度；4、接线简单，只需将变压器高、低压侧6个端子与仪器对应连接，其余工作由仪器自动控制实现；5、为保证设备和人身安全，仪器内部设置了极性保护功能，测试接线错误时自动切断测试电源并给出告警信息6、将测量数据储存成文件，便于数据分析和分类管理。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统的整体结构框图。

附图2为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的三相信号源电路结构图。

附图3为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的功放电路结构图。

附图4为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的高/低压侧信号取样电路结构图。

附图5为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的信号调理电路结构图。

附图6为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的同步数据采集卡电路结构图。

附图7为本发明所涉一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统中的变比测量程序流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统(见图1)，其特征在于它是由三相信号源电路、功放电路、高/低压侧控制电路、信号调理单元、数据采集单元以及包含有变比测量程序的CPU控制器构成；三相信号源电路输入端接功放电路，连接到被测变压器，由CPU控制器控制三相信号源电路产生三相对称正弦波信号，经功放电路完成该信号的电压和功率放大，并将该信号送至被测变压器；同时高/低压侧控制电路左右边分别为高、低压侧继电器电路，高/低压侧控制电路部分输入端接被测变压器两侧三相，输出端接信号调理单元，通过数据采集单元进入CPU控制器；CPU控制器反馈接回数据采集单元，由CPU控制继电器(J1-J6)的导通或关断，将相应的相电压信号经过差分放大和信号调理电路送入同步数据采集卡进行数据的采集，完成模拟信号到数字信号的转换，同时CPU控制器接三相信号源和高/低压侧控制电路部分；CPU控制器输入/出端口连接键盘输入和显示器输出，采集的数据将在CPU中通过分析程序完成计算，并显示结果。

上述所说的三相信号源电路(见图2)是由CPLD，RAM，DAC7644和用于幅值控制的串行D/A组成。ROM由CPLD控制，根据试验要求设置的信号频率及其相位关系得到对应的工作时钟和分时生成ROM的地址信号、读写控制、DAC7644的片选、通道地址和启动转换等控制信号，将满足相位关系的波形数据写入D/A的相应通道，并将各通道数据同时启动输出，得到满足频率、相位要求的等幅值信号。DAC7644的输出信号作为幅值控制的串行D/A的参考信号，通过CPU可对各路信号的幅值进行控制。

上述所说的功放电路(见图3)是由运算放大器和电阻构成的同向比例电路组成，跟随器将信号提取，由同向放大电路进行电压放大，由驱动和功率单元进行功率放大，保护检测单元实时检测被测信号，得到的测试电压且具有一定的功率，输出电压和输入电压信号呈线性关系，并且可控。

上述所说的高/低压侧控制电路(见图4)左右边分别为高、低压侧继电器电路，通过控制K1(K1’)～K3(K3’)选择测量相，控制K4(K4’)～K6(K6’)选择短路相。三相电源法时，继电器K1(K1’)～K3(K3’)均吸合，继电器K4(K4’)～K6(K6’)保持开路。单相电源法时，根据具体的变压器控制相应的继电器。所有继电器可控，从而实现了对某些需要进行两次非同相测试的特种变压器的测试。

上述所说的信号调理电路(见图5)是由CPLD器件、8片D/A转换器件、8片运算放大器、晶振及地址设置电路组成，在实际实现过程中还增加了低通滤波电路。各模拟通道的放大倍数控制数据采用同一移位寄存器的输出，因此任一个通道数据的输出都会进入每路D/A的移位寄存器，但是由于D/A的锁存器控制信号单独控制，因此只有被选中的调理回路的放大倍数才会被更新。

上述所说的数据采集电路(见图6)是由CPLD、模-数转换芯片MAX 125、地址设置跳线、中断设置跳线组成，所有的操作均通过对特定的地址读/写完成，因此接口和编程控制都非常方便。CPLD是本采集卡的核心，能够对工控机地址总线数据进行译码，所产生的逻辑控制信号对各个单元的工作状态起控制作用。CPLD除了要满足相应的时序要求外，还要求控制数据的位数和A/D转换器的位数相匹配。为此设计了地址译码、读数据寄存器、写数据寄存器、控制通道寄存器、启动触发器、中断响应寄存器，所有的操作都是通过读写相应的寄存器实现。

上述所说的包含变比测量程序的软件(见图7)是由操作系统，各功能测试和分析程序构成，采用LINUX下的RTAI和MINIGUI分别进行硬件的驱动和用户界面的编制，两者通过FIFO通讯；由用户在上层界面中选择变压器类型和需测试相，用户选择“确定”选项后，界面MINIGUI程序按规定通讯规约将控制字存入FIFO1中，底层RTAI硬件驱动程序在0.01秒的定时下不断的从FIFO读数，一旦读出符合测量要求的控制命令，即启动硬件电路进行测试，底层电路测试完毕后，将结果写入FIFO2，上层界面在0.1秒定时下不断读取，并将结果显示出来。

上述所说的变比测量程序分为以下步骤：(1)程序开始，挂断RTAI程序模块，启动信号源输出，运行WiniGui界面。(2)开始测试，判断类型，相数测量相选择。(3)将命令送入FIFO1。然后RTAI驱动硬件执行测量，将结果送入FIFO2。(4)界面显示，保存操作与否。

Claims

1.一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于它是由三相信号源电路、功放电路、高/低压侧控制电路、信号调理单元、数据采集单元以及包含有变比测量程序的CPU控制器构成；三相信号源电路输入端接功放电路，连接到被测变压器；同时高/低压侧控制电路部分输入端接被测变压器两侧三相，输出端接信号调理单元，通过数据采集单元进入CPU控制器；CPU控制器反馈接回数据采集单元，同时接三相信号源和高/低压侧控制电路部分；CPU控制器输入/出端口连接键盘输入和显示器输出。

2.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的三相信号源电路是由CPLD，ROM，DAC7644和用于幅值控制的串行D/A组成；ROM由CPLD控制，根据试验要求设置的信号频率及其相位关系得到对应的工作时钟和分时生成ROM的地址信号、读写控制、DAC7644的片选、通道地址和启动转换等控制信号，将满足相位关系的波形数据写入D/A的相应通道，并将各通道数据同时启动输出，得到满足频率、相位要求的等幅值信号。DAC7644的输出信号作为幅值控制的串行D/A的参考信号，通过CPU可对各路信号的幅值进行控制。

3.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的功放电路是由包括运算放大器和电阻的同向比例电路组成；跟随器将信号提取，由同向放大电路进行电压放大，由驱动和功率单元进行功率放大，保护检测单元实时检测被测信号，得到的测试电压且具有一定的功率，输出电压和输入电压信号呈线性关系，并且可控。

4.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的高/低压侧控制电路是由高压侧继电器电路及低压侧继电器电路组成；高压侧继电器电路的输出端连接到低压侧继电器电路的输入端；所说的电路中有实现对高压侧继电器电路及低压侧继电器电路进行两次非同相测试的特种变压器测试的继电器。

5.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的信号调理单元是由CPLD器件、8片D/A转换器件、8片运算放大器、晶振、地址设置电路与低通滤波电路组成；各模拟通道的放大倍数控制数据采用同一移位寄存器的输出，每一个通道数据的输出都进入每路D/A的移位寄存器，8片D/A的锁存器控制更新被选中的调理回路的放大倍数信号。

6.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的数据采集单元是由CPLD、PC总线、模-数转换芯片MAX 125、晶振、地址设置跳线以及中断设置跳线组成，包括各相关接口和控制编程；在CPLD芯片与PC总线之间有中断设置跳线，CPLD上连接有地址设置接口，CPLD上连接有模-数转换芯片，模-数转换芯片上连接有晶振；完成对工控机地址总线数据进行译码的CPLD是本采集卡的核心，产生的逻辑控制信号控制各个单元的工作状态；CPLD要求控制数据的位数和A/D转换器的位数相匹配；数据采集单元中设置有地址译码、读数据寄存器、写数据寄存器、控制通道寄存器、启动触发器、中断响应寄存器，通过读写相应的寄存器实现数据输入与输出。

7.根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的包含有变比测量程序的CPU控制器是由硬件乘法器、累加器及输入输出控制器构成，硬件乘法器的输出连接到累加器的输入，累加器的输出连接到输出输出控制器的输入。

8.根据权利要求7所说的一种基于虚拟仪器的变压器变比测量系统，其特征在于所说的CPU控制器的变比测量程序分为以下步骤：(1)程序开始，挂断RTAI程序模块，启动信号源输出，运行WiniGui界面。(2)开始测试，判断类型，相数测量相选择。(3)将命令送入FIFO1。然后RTAI驱动硬件执行测量，将结果送入FIFO2。(4)界面显示，保存操作与否。