CN105301437B - 基于gps同步授时的变电站互感器二次极性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，由一次侧装置和二次侧装置实施，一次侧装置包括第一MCU模块以及分别与第一MCU模块相连的激励输出模块、第一采样模块、第一GPS时钟模块和第一无线通信模块；二次侧装置包括第二MCU模块以及分别与第二MCU模块相连的第二采样模块、第二GPS时钟模块、第二无线通信模块和液晶触摸屏；该检测方法包括步骤：①装置连接；②系统启动并初始化；③同步采样开始时间和采样频率设定；④同步采样；⑤采样信号处理；⑥二次极性判定；⑦结果显示。本发明操作方便、安全性好、检测准确度高且能大幅提高工作效率。

Description

基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法

技术领域

本发明涉及变电站检修领域，具体涉及一种用于变电站投运前利用GPS同步授时对互感器二次极性进行极性检测的方法。

背景技术

在变电站中，互感器将一次侧的大电压、大电流转换为适用于二次设备的小电压、小电流，是联络变电站一次设备和二次设备的纽带。互感器二次回路的正确与否关系到整个二次系统能否正常运行，进而影响全变电站的安全稳定。在新建变电站或者更换的互感器投运前，需要对互感器的二次回路进行检测，以防止二次极性接线错误导致互感器损坏和二次设备误动作。

目前，变电站互感器二次回路极性检测的方法主要为“点极法”，该方法将干电池组的负极接在互感器的一次侧的一个输入端，将干电池组的正极去“点”互感器一次侧的另一个一次输入端，指针式万用表接在互感器二次输出绕组上，根据指针的偏转方向来判别互感器二次极性正确与否。然而，变电站互感器一次侧往往设在变电站室外，而二次侧设置在变电站室内，测试时驻守在一次侧检测人员必须与二次侧测试人员进行呼应配合以完成整个测试流程，工作效率较低，操作繁琐，安全隐患较大。此外，变电站互感器配置较多，使用“点极法”检测工作量较大，且测试过程缺乏系统性和完整性，难以满足大型变电站测试的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种操作方便、安全性好、检测准确度高且能大幅提高工作效率的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，由一次侧装置和二次侧装置实施，上述的一次侧装置包括第一MCU模块以及分别与第一MCU模块相连的激励输出模块、第一采样模块、第一GPS时钟模块和第一无线通信模块；二次侧装置包括第二MCU模块以及分别与第二MCU模块相连的第二采样模块、第二GPS时钟模块、第二无线通信模块和液晶触摸屏；该检测方法包括以下步骤：

①装置连接：将一次侧装置的激励输出模块的输出端与待测的变电站互感器一次侧接线端子电连接，激励输出模块的输入端外接AC220V电源；将二次侧装置的第二采集模块的输入端与待测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；

②系统启动并初始化：一次侧装置接通AC220V市电，一次侧装置和二次侧装置完成初始化并建立无线通信连接；第一GPS时钟模块和第二GPS时钟模块接受GPS的时间信息，产生同步采样脉冲；

③同步采样开始时间和采样频率设定：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏设定同步采样开始时间以及采样频率；

④同步采样：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏发出检测开始命令，一次侧装置的激励输出模块的激励输出；同步采样时刻到来，一次侧装置的第一采样模块和二次侧装置的第二采样模块分别对待检测的变电站互感器一次侧和二次侧电压电流信号同步进行采样；

⑤采样信号处理：一次侧装置的第一MCU模块接收第一采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位并将计算结果无线通信发送给二次侧装置；二次侧装置的第二MCU模块接收第二采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位；同时接收一次侧装置无线通信发送的计算结果；

⑥二次极性判定：二次侧装置的第二MCU模块将其计算的二次侧采样电压电流幅值和相位与无线通信接收的一次侧装置同步采样的电压电流幅值和相位通过矢量图进行比较；第二MCU模块读取内置的极性矢量图判据，对在检的变电站互感器二次极性接线正确与否进行判定；并将检测结果矢量图和判定结果发送液晶触摸屏；

⑦结果显示：液晶触摸屏接收第二MCU模块发送的信息，实时显示检测结果矢量图和判定结果。

进一步的方案是：上述的一次侧装置还包括操作面板；上述的激励输出模块设有电源端、激励信号输出端和控制信号输入端；第一采样模块设有采样端和信号输入输出端；第一GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第一MCU模块设有激励控制信号输出端、采样控制端、时钟信号输入端、通信端和操作面板信号输入端；第一无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；操作面板设有信号输出端；

激励输出模块的电源端使用时外接AC220V市电，激励输出模块的激励信号输出端使用时与待检测的变电站互感器一次侧接线端子电连接；激励输出模块的控制信号输入端与第一MCU模块的激励控制信号输出端信号电连接；第一采样模块的采样端、激励输出模块的激励信号输出端以及变电站互感器一次侧接线端子共线；第一采样模块的信号输入输出端与第一MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第一MCU模块的时钟信号输入端与第一GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第一MCU模块的通信端与第一无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一MCU模块的操作面板信号输入端与操作面板的信号输出端信号电连接。

进一步的方案是：上述的二次侧装置的第二采样模块设有采样端和信号输入输出端；第二GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第二MCU模块设有采样控制端、时钟信号输入端、通信端和人机交互信号端；第二无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；液晶触摸屏设有信号输入输出端；

第二采样模块的采样端使用时与待检测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；第二采样模块的信号输入输出端与第二MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第二MCU模块的时钟信号输入端与第二GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第二MCU模块的通信端与第二无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第二MCU模块的人机交互信号端与液晶触摸屏和信号输入输出端双向信号电连接。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，其一次侧装置的第一GPS时钟模块和二次侧装置的第二GPS时钟模通过GPS的同步授时功能产生的同步采样脉冲，保证了一次侧和二次侧电压电流采样信号在时间上的高度同步，从而确保采集精度，有效提高二次侧极性判定的准确性。（2）本发明的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，其所采用的一次侧装置和二次侧装置与变电站互感器接线简单，一次侧装置和二次侧装置间采用无线通信方式传输数据和命令，检测时操作人员在二次侧装置的液晶触摸屏上即可完成检测全过程，操作方便、安全性好、提高工效。（3）本发明的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，其采用极性矢量图判据，对互感器一次侧和二次侧同步采样的电压电流幅值和相位矢量图进行比较；判定变电站互感器二次极性接线正确与否；检测准确度高，且检测结果矢量图和判定结果实时由液晶触摸屏显示，人机交互直观方便。

附图说明

图1为本发明实施所采用的一次侧装置的电路结构示意框图，图中还示意性地显示了其使用时与变电站互感器一次侧接线端子的电连接关系；

图2为本发明实施所采用的二次侧装置的电路结构示意框图，图中还示意性地显示了其使用时与变电站互感器二次侧接线端子的电连接关系；

图3为本发明实施时基于GPS同步测量的时序图；

图4为本发明的方法流程图；

图5为变电站电流互感器二次接线为三相通流两相星形接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图6为变电站电流互感器二次接线为三相通流三相星形接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图7为变电站电流互感器二次接线为三相通流三角形yd11接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图8为变电站电流互感器二次接线为三相通流三角形yd1接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图9为变电站电压互感器二次接线为三相通压的完全星形接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图10为变电站电压互感器二次接线为单相通压的三相四星型接线方式时本发明所采用的判据矢量图；

图11为变电站电压互感器二次接线为三相通压的两相不完全星形（V,v）接线方式时本发明所采用的判据矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1和图2，本实施例的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，其由一次侧装置和二次侧装置实施，其中，一次侧装置做成手推车式设备，二次侧装置做成便于携带的手持式设备。

如图1所示，一次侧装置主要由激励输出模块、第一采样模块、第一GPS时钟模块、第一MCU模块、第一无线通信模块和操作面板组成。激励输出模块设有电源端、激励信号输出端和控制信号输入端；第一采样模块设有采样端和信号输入输出端；第一GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第一MCU模块设有激励控制信号输出端、采样控制端、时钟信号输入端、通信端和操作面板信号输入端；第一无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；操作面板设有信号输出端；激励输出模块的电源端使用时外接AC220V市电，激励输出模块的激励信号输出端使用时与待检测的变电站互感器一次侧接线端子电连接；激励输出模块的控制信号输入端与第一MCU模块的激励控制信号输出端信号电连接；第一采样模块的采样端、激励输出模块的激励信号输出端以及变电站互感器一次侧接线端子共线；第一采样模块的信号输入输出端与第一MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第一MCU模块的时钟信号输入端与第一GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第一MCU模块的通信端与第一无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一MCU模块的操作面板信号输入端与操作面板的信号输出端信号电连接。

如图2所示，二次侧装置主要由第二采样模块、第二GPS时钟模块、第二MCU模块、第二无线通信模块和液晶触摸屏组成。第二采样模块设有采样端和信号输入输出端；第二GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第二MCU模块设有采样控制端、时钟信号输入端、通信端和人机交互信号端；第二无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；液晶触摸屏设有信号输入输出端；第二采样模块的采样端使用时与待检测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；第二采样模块的信号输入输出端与第二MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第二MCU模块的时钟信号输入端与第二GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第二MCU模块的通信端与第二无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第二MCU模块的人机交互信号端与液晶触摸屏和信号输入输出端双向信号电连接。

使用时，一次侧装置的第一无线通信模块与二次侧装置的第一无线通信模块之间射频无线通信；负责一次侧装置和二次侧装置之间的控制命令和数据的传输。

一次侧装置的激励输出模块用于产生检测所需的信号源；第一采样模块用于采集施加到变电站互感器一次侧的电压电流信号并进行放大、滤波、调理和数模转换处理；第一MCU模块用于对第一采样模块传送的采样信号进行处理分析，计算一次侧的电流电压幅值和相位信息，同时通过第一无线通信模块将计算结果发送给二次侧装置；第一MCU模块的动作受二次侧装置的第二MCU模块控制；第一GPS时钟模块负责提供同步采集脉冲和精确时间戳；操作面板用于必要时人工操作。

二次侧装置的第二采样模块用于采集变电站互感器二次侧的电压电流信号并发送给第二MCU模块；第二MCU模块用于对第二采样模块的采集信号以及经由第二无线通信模块传输的一次侧采样信号进行分析处理，对一次侧和二次侧采样数据进行对比并利用矢量图判据对二次侧接线正确与否进行判定，并负责向一次侧装置发送激励输出信号以及采样开始时间信息；液晶触摸屏用于显示检测结果矢量图、判定结果以及人机交互发送操作命令；第二GPS时钟模块负责提供与一次侧同步采集脉冲和精确时间戳。

参见图3，前述一次侧装置和二次侧装置在检测时实现电压电流信号的同步采集原理如下：

一次侧装置和二次侧装置按照统一固定的频率对变电站互感器两侧信号进行采样；采样开始时间由二次侧装置设定并发送给一次侧装置，第一GPS时钟模块和第二GPS时钟模块产生的秒脉冲形成同步采样信号，一次侧装置和二次侧装置在同一时间开始同步采样；在下一个秒脉冲到来的时候，再将秒脉冲与采样频率同步一次，以消除晶振电路给采样频率带来的累积误差，确保一次侧和二次侧每个相应采样点的时刻都相同。同步采样波形保持与每个秒脉冲的上升沿同步，使得位于不同地点的一次侧和二次侧能够在同一时刻开始采样，并且保证每个采样点的时刻都相同。GPS可以输出一个1Hz的秒脉冲PPS波；PPS波与卫星信号进行同步，不同设备之间PPS波上升沿误差小于1us，对应工频周期中的0.018度。一次侧装置的第一GPS时钟模块和二次侧装置的第二GPS时钟模块保证了一次侧和二次侧采样信号的高度同步，从而确保采集精度，进而保证了二次侧极性判定的准确性。

参见图4，前述的一次侧装置和二次侧装置使用时的工作过程简述如下：

检测时，一次侧装置接通AC220V市电后，其激励输出模块进入等待状态；二次侧装置在收到操作人员发出的开始检测命令后与一次侧装置通信确认收到命令，完成握手过程也开始等待；然后二次侧装置通过无线通信发送激励输出命令和采样开始时间信息给一次侧装置；一次侧装置收到相应信息后执行相应的激励输出并保持输出继续进入等待状态；当采样时间到来时，一次侧装置和二次侧装置完成同步采样，一次侧装置的第一MCU模块和二次侧装置的第二MCU模块分别对各自接收的采集数据进行处理并计算得到电流电压信号的幅值和相位，然后，一次侧装置通过无线通信将其计算的一次侧采样信号的幅值和相位信息传送至二次侧装置；二次侧装置的第二MCU模块对一次侧和二次侧采样数据进行对比并利用矢量图判据对二次侧接线正确与否进行判定，并将检测结果矢量图和判定结果发送给液晶触摸屏实时显示。

对前述进行归纳综合，本实施例的基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，主要包括以下步骤：

①装置连接：将一次侧装置的激励输出模块的输出端与待测的变电站互感器一次侧接线端子电连接，激励输出模块的输入端外接AC220V电源；将二次侧装置的第二采集模块的输入端与待测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；

②系统启动并初始化：一次侧装置接通AC220V市电，一次侧装置和二次侧装置完成初始化并建立无线通信连接；第一GPS时钟模块和第二GPS时钟模块接受GPS的时间信息，产生同步采样脉冲；

③同步采样开始时间和采样频率设定：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏设定同步采样开始时间以及采样频率；

④同步采样：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏发出检测开始命令，一次侧装置的激励输出模块的激励输出；同步采样时刻到来，一次侧装置的第一采样模块和二次侧装置的第二采样模块分别对待检测的变电站互感器一次侧和二次侧电压电流信号同步进行采样；

⑤采样信号处理：一次侧装置的第一MCU模块接收第一采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位并将计算结果无线通信发送给二次侧装置；二次侧装置的第二MCU模块接收第二采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位；同时接收一次侧装置无线通信发送的计算结果；

⑥二次极性判定：二次侧装置的第二MCU模块将其计算的二次侧采样电压电流幅值和相位与无线通信接收的一次侧装置同步采样的电压电流幅值和相位通过矢量图进行比较；第二MCU模块读取内置的极性矢量图判据，对在检的变电站互感器二次极性接线正确与否进行判定；并将检测结果矢量图和判定结果发送液晶触摸屏；

⑦结果显示：液晶触摸屏接收第二MCU模块发送的信息，实时显示检测结果矢量图和判定结果。

前述的步骤⑥中，二次侧装置的第二MCU模块内置的极性矢量图判据，以常规110kV变电站电流、电压互感器二次接线为例进行说明：

以一次侧A相为基准值，画出一次侧B相、C相，二次侧a相、b相、c相的向量图；通过矢量合成可以得到各种二次错误接线情况下的线电流、相电流和线电压、相电压的向量图，从而判断变电站互感器二次极性错误情况。

常规110kV变电站电流互感器二次接线常见的接线方式有三相通流的两相星形接线、三相星形接线、三角形yd11接线以及三角形yd1接线等方式，其中：

两相星形接线方式下110kV变电站电流互感器二次接线的极性矢量图判据如图5所示：一次侧施加的电流信号矢量图如图5中的1-1所示，若二次侧检测的电流信号矢量图如图5中的1-2所示，则判定二次侧接线正确；若如1-3所示，则判定a极性相反；若如1-4所示，则判定a、b相序相反。

三相星形接线方式下110kV变电站电流互感器二次接线的极性矢量图判据如图6所示：一次侧施加的电流信号矢量图如图6中的2-1所示，若二次侧检测的电流信号矢量图如图6中的2-2所示，则判定二次侧接线正确；若如2-3所示，则判定a极性相反；若如2-4所示，则判定a、b相序相反。

三角形yd11接线方式下110kV变电站电流互感器二次接线的极性矢量图判据如图7所示：一次侧施加的电流信号矢量图如图7中的3-1所示，若二次侧检测的电流信号矢量图如图7中的3-2所示，则判定二次侧接线正确；若如3-3所示，则判定a极性相反；若如3-4所示，则判定a、b相序相反。

三角形yd1接线方式下110kV变电站电流互感器二次接线的极性矢量图判据如图8所示：一次侧施加的电流信号矢量图如图8中的4-1所示，若二次侧检测的电流信号矢量图如图8中的4-2所示，则判定二次侧接线正确；若如4-3所示，则判定a极性相反；若如4-4所示，则判定a、b相序相反。

常规110kV变电站电压互感器二次接线常见的接线方式有三相通压的完全星形接线、单相通压的三相四星形接线以及三相通压的两相不完全星形（V,v）接线等方式，其中：

三相通压的完全星形接线方式下110kV变电站电压互感器二次接线的极性矢量图判据如图9所示：一次侧施加的电压信号矢量图如图9中的5-1所示，若二次侧检测的电压信号矢量图如图9中的5-2所示，则判定二次侧接线正确；若如5-3所示，则判定a极性相反；若如5-4所示，则判定a、b相序相反。

单相通压的三相四星形接线方式下110kV变电站电压互感器二次接线的极性矢量图判据如图10所示：一次侧A相、B相、C相分别通压，若二次侧检测的电压信号矢量图地应如图10中的6-1-1、6-1-2、6-1-3所示，则判定二次侧接线正确；若如6-2-1、6-2-2、6-2-3所示，则判定a极性相反；若如6-3-1、6-3-2、6-3-3所示，则判定a、b相序相反；若如6-4-1、6-4-2、6-4-3所示，则判定l极性相反。

三相通压的两相不完全星形（V,v）接线方式下110kV变电站电压互感器二次接线的极性矢量图判据如图11所示：一次侧施加的电压信号矢量图如图11中的7-1所示，若二次侧检测的电压信号矢量图如图11中的7-2所示，则判定二次侧接线正确；若如7-3所示，则判定a、b绕组极性相反；若如7-4所示，则判定a、b相序相反。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种基于GPS同步授时的变电站互感器二次极性检测方法，其特征在于：由一次侧装置和二次侧装置实施，所述的一次侧装置包括第一MCU模块以及分别与第一MCU模块相连的激励输出模块、第一采样模块、第一GPS时钟模块、第一无线通信模块和操作面板；二次侧装置包括第二MCU模块以及分别与第二MCU模块相连的第二采样模块、第二GPS时钟模块、第二无线通信模块和液晶触摸屏；

所述激励输出模块设有电源端、激励信号输出端和控制信号输入端；第一采样模块设有采样端和信号输入输出端；第一GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第一MCU模块设有激励控制信号输出端、采样控制端、时钟信号输入端、通信端和操作面板信号输入端；第一无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；操作面板设有信号输出端；

激励输出模块的电源端使用时外接AC220V市电，激励输出模块的激励信号输出端使用时与待检测的变电站互感器一次侧接线端子电连接；激励输出模块的控制信号输入端与第一MCU模块的激励控制信号输出端信号电连接；第一采样模块的采样端、激励输出模块的激励信号输出端以及变电站互感器一次侧接线端子共线；第一采样模块的信号输入输出端与第一MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第一MCU模块的时钟信号输入端与第一GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第一MCU模块的通信端与第一无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一MCU模块的操作面板信号输入端与操作面板的信号输出端信号电连接；

所述二次侧装置的第二采样模块设有采样端和信号输入输出端；第二GPS时钟模块设有同步时间信号输出端；第二MCU模块设有采样控制端、时钟信号输入端、通信端和人机交互信号端；第二无线通信模块设有对内通信端和无线通信端；液晶触摸屏设有信号输入输出端；

第二采样模块的采样端使用时与待检测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；第二采样模块的信号输入输出端与第二MCU模块的采样控制端双向信号电连接；第二MCU模块的时钟信号输入端与第二GPS时钟模块的同步时间信号输出端信号电连接；第二MCU模块的通信端与第二无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第二MCU模块的人机交互信号端与液晶触摸屏和信号输入输出端双向信号电连接；

该检测方法包括以下步骤：

①装置连接：将一次侧装置的激励输出模块的输出端与待测的变电站互感器一次侧接线端子电连接，激励输出模块的输入端外接AC220V电源；将二次侧装置的第二采集模块的输入端与待测的变电站互感器二次侧接线端子电连接；

②系统启动并初始化：一次侧装置接通AC220V市电，一次侧装置和二次侧装置完成初始化并建立无线通信连接；第一GPS时钟模块和第二GPS时钟模块接受GPS的时间信息，产生同步采样脉冲；

③同步采样开始时间和采样频率设定：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏设定同步采样开始时间以及采样频率；

④同步采样：操作人员通过二次侧装置的液晶触摸屏发出检测开始命令，一次侧装置的激励输出模块的激励输出；同步采样时刻到来，一次侧装置的第一采样模块和二次侧装置的第二采样模块分别对待检测的变电站互感器一次侧和二次侧电压电流信号同步进行采样；

⑤采样信号处理：一次侧装置的第一MCU模块接收第一采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位并将计算结果无线通信发送给二次侧装置；二次侧装置的第二MCU模块接收第二采样模块发送的电压电流数据，计算得其幅值和相位；同时接收一次侧装置无线通信发送的计算结果；

⑥二次极性判定：二次侧装置的第二MCU模块将其计算的二次侧采样电压电流幅值和相位与无线通信接收的一次侧装置同步采样的电压电流幅值和相位通过矢量图进行比较；第二MCU模块读取内置的极性矢量图判据，对在检的变电站互感器二次极性接线正确与否进行判定；并将检测结果矢量图和判定结果发送液晶触摸屏；

⑦结果显示：液晶触摸屏接收第二MCU模块发送的信息，实时显示检测结果矢量图和判定结果。