CN111313554A - 一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置及其评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，及该装置的绕组状态评估方法。运行参数实时采集装置和PC监测平台无线连接；运行参数实时采集装置包括控制单元、模拟量采集单元和电源单元，模拟量采集单元与控制单元连接，模拟量采集单元与电源单元连接，PC机与所述运行参数实时采集装置连接。本发明能对绕组状态进行评估，且具有“自诊断与修正”功能，可自行诊断出AD7656芯片、电压变换器和电流变换器是否出现故障、变压器、电流互感器与电压互感器是否出现故障，此外还可自动修正因器件性能衰减引起的测量误差。

Description

一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置及其评估方法

技术领域

本发明涉及电气工程领域，特别涉及一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置及其评估方法。

背景技术

随着智能电网的快速发展，其对配电网的可靠性和供电质量提出了更高的要求。配电变压器作为配电网的重要组成设备，担负着电能变换和传输的重要作用，因此配电变压器安全可靠运行性对于配电网而言意义重大。因此对配电变压器开展运行状态监测工作，及时、全面地了解配电变压器的绕组状态(变形情况)，对于制定配电变压器检修策略和保障供电可靠性而言十分必要。

目前配电变压器参数监测装置的监测对象多为变电站中的大容量变压器，且大多依赖于配电SCADA系统，这类装置无法对分布广泛且数量众多的小容量配电变压器进行监测，除此之外目前的配电变压器参数监测装置仅能实现参数监测及数据记录功能，无法对其绕组状态进行评估。

发明内容

发明目的：本发明提供一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置及其控制方法，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用数据采集技术和数据传输技术设计的配电变压器参数监测及绕组状态评估装置及其评估方法。

技术方案：

一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，该装置包括运行参数实时采集装置和PC监测平台；运行参数实时采集装置和PC监测平台无线连接；运行参数实时采集装置包括控制单元、模拟量采集单元和电源单元，模拟量采集单元包括一次侧电压采集模块、一次侧电流采集模块、二次侧电压采集模块和二次侧电流采集模块，一次侧电压采集模块、一次侧电流采集模块、二次侧电压采集模块和二次侧电流采集模块与控制单元连接，一次侧电压采集模块、一次侧电流采集模块、二次侧电压采集模块和二次侧电流采集模块还与电源单元连接；

控制单元包括处理单元DSP、扩展接口模块、人机交互模块、数据存储模块和通讯模块，扩展接口模块、人机交互模块、数据存储模块和通讯模块与处理单元DSP相连接，处理单元DSP、扩展接口模块、人机交互模块、数据存储模块和通讯模块与电源单元相连接；PC监测平台包括PC机和配电SCADA系统通讯接口，PC机与所述配电SCADA系统通讯接口相连接，PC机与所述运行参数实时采集装置连接。

一次侧电压采集模块和二次侧电压采集模块包括电压互感器、电压变换器和AD7656芯片；一次侧电流采集模块和二次侧电流采集模块包括电流互感器、电流变换器和AD7656芯片；一次侧电压采集模块和一次侧电流采集模块共用一片第一AD7656芯片U3；二次侧电压采集模块和二次侧电流采集模块共用一片第二AD7656芯片U2；

电压互感器连接电压检测线缆，电压互感器还连接电压变换器，电压变换器连接第一AD7656芯片U3或者第二AD7656芯片U2，第一AD7656芯片U3或者第二AD7656芯片U2连接处理单元DSP；

电流互感器连接电流检测线缆，电流互感器还连接电流变换器，电流变换器连接第一AD7656芯片U3或者第二AD7656芯片U2，第一AD7656芯片U3或者第二AD7656芯片U2连接处理单元DSP。

一次侧电压采集模块6上设置有一次侧A相电压采集电路、一次侧B相电压采集电路和一次侧C相电压采集电路，二次侧电压采集模块上设置有二次侧A相电压采集电路、二次侧B相电压采集电路和二次侧C相电压采集电路；

一次侧A相电压采集电路的第一电压互感器输出的两条线缆PT1A与PT1N分别连接第一继电器K1的公共触点端，第一继电器K1的常闭触点端与第一电压变换器U4的输入端连接，第一继电器K1的常开触点端与第一电阻分压网络的输入端连接，第二继电器K2的公共触点端与第一AD7656芯片U3连接，第一AD7656芯片U3与处理单元DSP连接，第二继电器K2的常闭触点端与第一电压变换器U4输出端连接，第二继电器K2的常开触点端与第一AD7656芯片U3参考电压引脚连接；第一继电器K1的控制端与ULN2003 U6连接，ULN2003 U6与处理单元DSP连接，第二继电器K2的控制端与ULN2003 U6连接，ULN2003 U6与处理单元DSP连接；

一次侧B相电压采集电路、一次侧C相电压采集电路、二次侧电压A相、二次侧电压B相和二次侧电压C相的电路连接关系与一次侧A相电压采集电路的电路连接关系相同。

一次侧电流采集模块上设置有一次侧A相电流采集电路、一次侧B相电流采集电路和一次侧C相电流采集电路，二次侧电流采集模块上设置有二次侧A相电流采集电路、二次侧B相电流采集电路和二次侧C相电流采集电路；

一次侧A相电流采集电路第一电流互感器输出的两条线缆CT1A与CT1N分别连接至第三继电器K3的公共触点端，第三继电器K3的常闭触点端与第一电流变换器U5输入端连接，第三继电器K3的常开触点端与第三十八电阻两端连接，第一电流变换器U5和第三十八电阻的输出端与第四继电器K4的常闭触点端连接，第四继电器K4的公共触点端与第一AD7656芯片U3连接，第一AD7656芯片U3与处理单元DSP连接，第四继电器K4的常开触点端与第一AD7656芯片U3参考电压引脚连接；第三继电器K3的控制端与ULN2003U6连接，ULN2003U6与处理单元DSP连接，第四继电器K4的控制端与ULN2003 U6连接，ULN2003 U6与处理单元DSP连接；

一次侧B相电流采集电路、一次侧C相电流采集电路、二次侧电流A相、二次侧电流B相和二次侧电流C相的电路连接关系与一次侧A相电流采集电路的电路连接关系相同。

一种配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，步骤一、运行参数实时采集装置处于运行状态；步骤二、控制单元控制模拟量采集单元采集各模拟量并对采集到的数据进行处理，首先将离散量转化成连续量，然后通过短路电抗在线检测算法和相关的国标对变压器的状态做出绕组状态评估；步骤三、通过无线通讯模块将处理后的电参数数据及评估出的变压器状态发送至PC监测平台。

步骤二中绕组状态评估采用处理单元DSP中的FIR算法设计了50Hz带通数字滤波器，AD7656采集到的数字量首先经过带通滤波器滤除杂波和非正弦信号，使采集到的数字量变为纯净的正弦信号；此外，在现有的短路电抗在线检测算法的基础上融入了三采样值积参数还原算法，以获得短路电抗在线检测算法所需的电压和电流的幅值、有效值、相位3个电参数。

利用处理单元DSP的硬件FIR滤波算法设计了50Hz带通滤波器，其离散方程：

Y(n)＝0.003319X(n)-0.003319X(n-1)+1.9924X(n-2)-0.9934X(n-3) (1)

式中，Y为输出矩阵(AD7656采集值经滤波后的数值矩阵)；X为输入矩阵(AD7656采集值组成的数值矩阵)；n为序列号；

其上、下截止频率分别45Hz为55.6Hz，品质因数Q＝5，采样速率为500Hz，因为本装置采用三采样值积参数还原算法，每个采样点采集变压器一、二次侧电压和电流数据，所以n的范围为0～35。

三采样值积算法是利用3个连续的等间隔时间ΔT的采样值中两两相乘，通过适当的运算消去ωt项以求出采样的幅值和相位的方法，

设t_k、t_k+1、t_k+2为三个连续采样时刻，采样间隔为ΔT，电压过零后t_k时刻的采样值u₁和落后于u₁一个θ角电流的采样值i₁为

式中，i₁为第一采样点电流的瞬时值；u₁为第一采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；U_m为电压的峰值；I_m为电流的峰值；

t_k+1时刻的采样值为

式中ΔT为两个采样值之间的时间间隔，即ΔT＝t_k+1-t_k，i₂为第二采样点电流的瞬时值；u₂为第二采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

t_k+2时刻的采样值为

式中，i₃为第三采样点电流的瞬时值；u₃为第三采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

式(4)中i₃和u₃可得

式(5)与u₁i₁相加可得

式中，U_m为电压的峰值；I_m为电流的峰值；

联合式(5)与式(6)，经过适当的运算可以消除ωt_k项，可得

当i(t)用u(t)代替时，即用I_m代以U_m，θ＝0°，则有

当取ωΔT＝30°时，则式(7)和式(8)可化为

U_mI_mcosθ＝2(u₁i₁+u₃i₃-u₂i₂) (9)

由式(9)、式(10)和式(11)，可得

依据式(12)、式(13)及Z＝R+jX可求得Z值和θ值，Z为阻抗值，θ为电压与电流的相角差。

所述短路电抗在线检测算法，是依据变压器的运行原理及绕组的等值电路方程建立了变压器绕组参数模型，该算法仅需要测量配电变压器在两种不同负荷下的一、二次侧电压和电流，即可推算出短路电抗，也可进一步推算出铁损和铜损，即可对配电变压器绕组健康状况做出评估；

式中:Z₁和Z₁₂分别为一次侧绕组阻抗和二次侧阻抗在一次侧的等效阻抗，Z_m为励磁绕组阻抗；

和

分别为一次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流在一次侧的等效值；

为励磁电流；k为变比；

根据

可得：

因为变压器一次侧阻抗Z₁和二次侧阻抗Z₂是一个常量，所以二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值Z₁₂也是一个常量；假设：

将(16)式写为以下形式：

p+jq＝R₁+jX₁+(m+jn)(R₁₂+jX₁₂) (18)

其中，R₁+jX₁为一次侧绕组阻抗Z₁，R₁₂+jX₁₂为二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值；变换(18)式右端表达式，可得：

p+jq＝(R₁+mR₁₂-nX₁₂)+j(X₁+mX₁₂+nR₁₂) (19)

通过采集变压器一、二次侧电压和电流相量值即可求得p、q、m、n的值。将p、q、m、n带入(19)式：

p＝R₁+mR₁₂-nX₁₂；q＝X₁+mX₁₂-nR₁₂ (20)

分别在两种不同负载容量下测量配电变压器的一次侧电压

一次侧电流

二次侧电压

二次侧电流

其中i＝1,2；则：

由(21)式解出p₁、q₁、m₁、n₁和p₂、q₂、m₂、n₂；

由于变压器绕组阻抗为常量，可列写矩阵方程求解；

由式(22)可解出X₁，X₁₂，即可算出短路电抗X_R＝X₁+X₁₂，如应用于三相配电变压器；

变压器的一次侧电压为：

一次侧电流为

二次侧电压为：

二次侧电流为：

其中i＝1，2；

由(23)式解出p_Ai、q_Ai、m_Ai、n_Ai、p_Bi、q_Bi、m_Bi、n_Bi和p_Ci、q_Ci、m_Ci、n_Ci(i＝1，2)，由(22)式得：

其中：R_A+jX_A＝Z_A为A相一次侧阻抗，R_a'+jX_a'＝Z_a'为A相二次阻抗在一次侧的归算值：R_B+jX_B＝Z_B为B相一次侧阻抗，R_b'+jX_b'＝Z_b'为B相二次侧阻抗在一次侧的归算值；R_C+jX_C＝Z_C为C相一次侧阻抗，R_c'+jX_c'＝Z_c'为C相二次侧阻抗在一次侧的归算值；

计算各相短路电抗值，即：

计算各相短路电抗值的平均值，该平均值即为此三相配电变压器的短路电抗值，即：

若配电变压器的连接组别为Yyn0则可直接通过上述方法计算出短路电抗，若为Dyn11则不能直接采用上述方法计算短路电抗，需要将三角形侧的线电流转化为相电流，然后才可计算短路电抗值；其与相电流的关系如下：

和

分别为A相、B相和C相线电流，

由(27)式和

得

由(28)式计算出A相、B相和C相的相电流后再根据上述方法求解配电变压器的短路电抗。

优点效果：

本发明具有“自诊断与修正”可自行诊断出AD7656芯片、电压变换器和电流变换器是否出现故障、变压器、电流互感器与电压互感器是否出现故障，此外还可自动修正因器件性能衰减引起的测量误差(“自诊断与修正”电路位于互感器(电压互感器和电流互感器)输出端和AD7656芯片U2和AD7656芯片U3采集端之间)。

本发明应用于具有配电SCADA系统的配电变压器时，可直接从SCADA系统获取配电变压器运行参数，并根据参数展开绕组状态评估，不需再安装运行参数实时采集装置，节约成本。

通过选用不同变比的电压互感器和电流互感器，本发明可应用于任意容量，任意电压等级的配电变压器监测任务。

本发明在对配电变压器参数监测的同时，创新性的引入了绕组状态评估功能，可实现对配电变压器绕组状态的在线评估，及时发现配电变压器器绕组存在的潜行故障，为配电变压器运行、维护策略的指定提供有力依据。

本发明针对未实现GPRS网络覆盖的地区，创新性的引入了北斗短报文通信功能。本发明具有GPRS及北斗短报文无线通讯方式，所以本发明可应用于数量众多且分布广泛以及偏远地区的配电变压器监测任务。

附图说明

图1为一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置的结构示意图；

图2为电压信号转换过程图；

图3为电流信号转换过程图；

图4为第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2连接电路图；

图5为第一AD7656芯片U3放大图；

图6为第二AD7656芯片U2放大图；

图7为供电电源电路电路图；

图8为一次侧A相电压采集电路图；

图9为一次侧B相电压采集电路图；

图10为一次侧C相电压采集电路图；

图11为一次侧A相电流采集电路图；

图12为一次侧B相电流采集电路图；

图13为一次侧C相电流采集电路图；

图14为二次侧A相电压采集电路图；

图15为二次侧B相电压采集电路图；

图16为二次侧C相电压采集电路图；

图17为二次侧A相电流采集电路图；

图18为二次侧B相电流采集电路图；

图19为二次侧C相电流采集电路图；

图20为ULN2003 U6示意图；

图21为ULN2003 U7示意图；

图22为ULN2003 U8示意图；

图23为ULN2003 U9示意图；

图24为算法流程图；

图25为变压器等效电路图；

图26为Yyn0连接组别等效电路图；

图27为Dyn11连接组别等效电路图；

图中标注：

1.运行参数实时采集装置，2.控制单元，3.电源单元，4.PC监测平台，5.模拟量采集单元，6.一次侧电压采集模块，61.第一继电器，62.第二继电器，63.第五继电器，64.第六继电器，65.第九继电器，66.第十继电器，7.一次侧电流采集模块，71.第三继电器，72.第四继电器，73.第七继电器，74.第八继电器，75.第十一继电器，76.第十二继电器，8.二次侧电压采集模块，81.第十三继电器，82.第十四继电器，83.第十七继电器，84.第十八继电器，85.第二十一继电器，86.第二十二继电器，9.二次侧电流采集模块，91.第十五继电器，92.第十六继电器，93.第十九继电器，94.第二十继电器，95.第二十三继电器，96.第二十四继电器，10.扩展接口模块，11.人机交互模块，12.数据存储模块，13.通讯模块，14.PC机，15.配电SCADA系统通讯接口，16.处理单元DSP。

具体实施方式

结合模拟量采集单元附图详细的说明本发明。

如图1所示，一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，该装置包括运行参数实时采集装置1和PC监测平台4；运行参数实时采集装置1和PC监测平台4无线连接；运行参数实时采集装置1包括控制单元2、模拟量采集单元5和电源单元3，模拟量采集单元5包括一次侧电压采集模块6、一次侧电流采集模块7、二次侧电压采集模块8和二次侧电流采集模块9，一次侧电压采集模块6、一次侧电流采集模块7、二次侧电压采集模块8和二次侧电流采集模块9与控制单元2连接，一次侧电压采集模块6、一次侧电流采集模块7、二次侧电压采集模块8和二次侧电流采集模块9还与电源单元3连接；模拟量采集单元5用于实现配电变压器一次侧电压、一次侧电流、二次侧电压和二次侧电流的参数采集及信号调理功能。

控制单元2包括处理单元DSP16、扩展接口模块10、人机交互模块11、数据存储模块12和通讯模块13，扩展接口模块10、人机交互模块11、数据存储模块12和通讯模块13与处理单元DSP16相连接，处理单元DSP16、扩展接口模块10、人机交互模块11、数据存储模块12和通讯模块13与电源单元3相连接；除去以上主要模块外，控制单元部分还包括报警模块等功能模块。本发明中人机交互模块为液晶触摸屏。

PC监测平台4包括PC机14和配电SCADA系统通讯接口15，PC机14与所述配电SCADA系统通讯接口15相连接，PC机14与所述运行参数实时采集装置1无线连接。

本装置应用于具有配电SCADA系统的配电变压器时，PC监测平台可直接通过配电SCADA系统获取配电变压器一次侧电压、一次侧电流、二次侧电压和二次侧电流等运行参数，然后通过短路电抗在线检测算法计算出短路电抗值，并以国标《DL/T 1093-2018》中短路电抗注意值为依据，对变压器绕组变形程度做出评估，当本系统应用于未安装配电SCADA系统的配电变压器时，可通过模拟量采集单元5采集上述运行参数，然后控制单元执行短路电抗在线检测算法并对变压器状态做出评估，最后将变压器运行参数及状态通过无线网络(GPRS网络或北斗短报文通讯网络)上传至PC监测平台，以便管理人员及时发现配电变压器潜在的绕组故障。PC监测平台不但可以查看被监测变压器的实时运行参数及评估状态，而且还可以建立变压器运行档案，记录配电变压器的运行参数及发生短路等故障的次数，可结合日后的专家系统为管理部门提供更为详尽的故障分析及维修策略。

当应用于未安装配电SCADA系统的配电变压器时，处理单元DSP16用于整体控制，当处理单元DSP16中用于控制采样时序的定时器产生中断时，处理单元DSP16将GPIO2引脚置为高电平以控制模拟量采集单元5中的2片AD7656芯片(第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2)开始进行数模转换，AD7656芯片通过一次侧电压采集模块6、一次侧电流采集模块7、二次侧电压采集模块8和二次侧电流采集模块9采集变压器一、二次侧各相电压和电流，如图4所示，当AD7656芯片转换结束后，其BUSY引脚会输出低电平，处理单元DSP16的GPIO3引脚检测到该低电平后，通过SPI总线读取AD7656芯片各采样通道的数值，同时将GPIO2引脚置低为下一次启动AD转换做好准备，处理单元DSP16读取到各采样通道采样值后，首先调用FIR(Finite Impulse Response有限脉冲响应)滤波器子程序对数字信号进行滤波，其次调用三采样值积参数还原算法子程序，将采集到的离散变量还原为连续变量以获得各参数(电压、电流)的相位信息，然后调用短路电抗在线检测算法，计算出各相的短路电抗值，并将此次计算出的各相短路电抗值与历史数据进行对比，计算出各相短路电抗变化量，同时依据国标中的注意值，评估配电变压器绕组状态，最后处理单元DSP16通过通讯单元13将配电变压器参数与绕组评估状态以GPRS网络或者北斗短短报文网络发送至PC监测平台4，通过人机交互模块11和数据存储模块12实现运行参数实时采集装置1的数据显示与存储功能。PC监测平台4接收到运行参数实时采集装置1发送的数据后，首先将数组存储至数据库，然后通过数据监测界面实现配电变压器运行参数和绕组评估状态的显示。

当应用于已安装配电SCADA系统的配电变压器时，PC监测平台4直接通过配电SCADA系统接口15获取配电变压器运行参数，并在PC机14中执行FIR滤波算法、三采样值积参数还原算法和短路电抗在线检测算法，以完成配电变压器运行参数的监测和绕组状态评估。

自诊断与自修正的配电变压器绕组状态监测电路位于电压互感器和电流互感器输出端和第二AD7656芯片U2或者第一AD7656芯片U3采集端之间。

如图2-7所示，一种自诊断与自修正的配电变压器绕组状态监测电路，一次侧电压采集模块6和二次侧电压采集模块8包括电压互感器、电压变换器和AD7656芯片；一次侧电流采集模块7和二次侧电流采集模块9包括电流互感器、电流变换器和AD7656芯片；一次侧电压采集模块6和一次侧电流采集模块7共用一片第一AD7656芯片U3；二次侧电压采集模块8和二次侧电流采集模块9共用一片第二AD7656芯片U2；第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2连接；

一次侧电压采集模块6和二次侧电压采集模块8中的电压互感器输出端与电压变换器输入端连接，电压变换器输出端分别与第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的采集端相接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2通讯端连接处理单元DSP16；为适应不同电压等级的配电变压器，本装置通过选用不同变比的电压互感器将待测电压统一转换为交流0～100V，因为第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2仍然无法采集0～100V的交流电压信号，所以本装置选用变比为100/5V的电压变换器将电压互感器输出的0～100V交流电压信号转换为0～5V的交流电压信号。综上，电压互感器选择为变比为X/100，X为待测电压等级，电压变换器应选择为100/5的交流电压变换器。

如图8、图5和图20所示，一次侧A相电压采集电路的第一电压互感器输出的两条线缆PT1A与PT1N分别连接至第一继电器器K1的1引脚与4引脚，第一继电器K1的2引脚与第一电压变换器U4的1引脚相接，第一继电器K1的5引脚与电压变换器U4的2引脚相接，第一继电器K1的3引脚和6引脚与第一电阻分压网络相接，第一继电器K1的7引脚接地，即与DGND相接，第一继电器K1的8引脚与ULN2003 U6的16引脚相接，ULN2003 U6的1引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO4相接，第二继电器K2的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的48引脚相接，第二继电器K2的2引脚与第一电压变换器U4的3引脚相接，第二继电器K2的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第二继电器K2的5引脚与ULN2003 U6的15引脚相接，ULN2003 U6的2引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO5相接，第二继电器K2的4引脚接地，即与DGND相接，电压比较器LM393的1引脚经上拉连接二极管D5后与控制单元2的处理单元DSP16的GPIO48脚相接，电压比较器LM393的2引脚与AGND相接，电压比较器LM393的3引脚与电压变换器3引脚相接，电压比较器LM393的4引脚与电源-12V连接，电压比较器LM393的5引脚、电压比较器LM393的6引脚和电压比较器LM393的7引脚悬空，电压比较器LM393的8引脚与电源+12V相接。

一次侧B相电压采集电路、一次侧C相电压采集电路、二次侧A相电流采集电路、二次侧B相电流采集电路和二次侧C相电流采集电路与一次侧A相电压采集电路除频率测量电路外只有一次侧A相电压采集电路具有频率测量电路，原理完全相同，对应的器件和电路相对应连接，具体为：

如图9、图5和图20所示，一次侧B相电压采集电路的第二电压互感器输出的两条线缆PT1B和PT1BN分别连接至第五继电器63K5的1引脚与4引脚，第五继电器63K5的2引脚与第二电压变换器U10的1引脚相接，第五继电器63K5的5引脚与第二电压变换器U10的2引脚相接，第五继电器63K5的3引脚和6引脚与第二电阻分压网络相接，第五继电器63K5的7引脚接地，即与DGND相接，第五继电器63K5的8引脚与ULN2003 U6的12引脚相接，ULN2003 U6的5引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO8相接，第六继电器64K6的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的42引脚相接，第六继电器64K6的2引脚与第二电压变换器U10的3引脚相接，第六继电器64K6的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第六继电器64K6的5引脚与ULN2003 U6的11引脚相接，ULN2003 U6的6引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO9相接，第六继电器64K6的4引脚接地，即与DGND相接。

如图10、图5和图21所示，一次侧C相电压采集电路的第三电压互感器输出的两条线缆PT1C和PT1CN分别连接至第九继电器65K9的1引脚与4引脚，第九继电器65K9的2引脚与第三电压变换器U12的1引脚相接，第九继电器65K9的5引脚与第三电压变换器U12的2引脚相接，第九继电器65K9的3引脚和6引脚与第三电阻分压网络相接，第九继电器65K9的7引脚接地，即与DGND相接，第九继电器65K9的8引脚与ULN2003 U7的15引脚相接，ULN2003 U7的2引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO12相接，第十继电器66K10的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的36引脚相接，第十继电器66K10的2引脚与第三电压变换器U12的3引脚相接，第十继电器66K10的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第十继电器66K10的5引脚与ULN2003 U7的14引脚相接，ULN2003 U7的3引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO13相接，第十继电器66K10的4引脚接地，即与DGND相接。

如图14、图6和图21所示，二次侧A相电压采集电路的第四电压互感器输出的两条线缆PT2A和PT2AN分别连接至第十三继电器81K13的1引脚与4引脚，第十三继电器81K13的2引脚与第四电压变换器U14的1引脚相接，第十三继电器81K13的5引脚与第四电压变换器U14的2引脚相接，第十三继电器81K13的3引脚和6引脚与第四电阻分压网络相接，第十三继电器81K13的7引脚接地，即与DGND相接，第十三继电器81K13的8引脚与ULN2003 U7的11引脚相接，ULN2003 U7的6引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO16相接，第十四继电器82K14的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第二AD7656芯片U2的48引脚相接，第十四继电器82K14的2引脚与第四电压变换器U14的3引脚相接，第十四继电器82K14的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第十四继电器82K14的5引脚与ULN2003 U7的10引脚相接，ULN2003 U7的7引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO19相接，第十四继电器82K14的4引脚接地，即与DGND相接。

如图15、图6和图22所示，二次侧B相电压采集电路的第五电压互感器输出的两条线缆PT2B和PT2BN分别连接至第十七继电器83K17的1引脚与4引脚，第十七继电器83K17的2引脚与第五电压变换器U16的1引脚相接，第十七继电器83K17的5引脚与第五电压变换器U16的2引脚相接，第十七继电器83K17的3引脚和6引脚与第五电阻分压网络相接，第十七继电器83K17的7引脚接地，即与DGND相接，第十七继电器83K17的8引脚与ULN2003 U8的14引脚相接，ULN2003 U8的3引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO22相接，第十八继电器84K18的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第二AD7656芯片U2的42引脚相接，第十八继电器84K18的2引脚与第五电压变换器U16的3引脚相接，第十八继电器84K18的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第十八继电器84K18的5引脚与ULN2003 U8的13引脚相接，ULN2003 U8的4引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO23相接，第十八继电器84K18的4引脚接地，即与DGND相接。

如图16、图6、图22和图23所示，二次侧C相电压采集电路的第六电压互感器输出的两条线缆PT2C和PT2CN分别连接至第二十一继电器85K21的1引脚与4引脚，第二十一继电器85K21的2引脚与第六电压变换器U18的1引脚相接，第二十一继电器85K21的5引脚与第六电压变换器U18的2引脚相接，第二十一继电器85K21的3引脚和6引脚与第六电阻分压网络相接，第二十一继电器85K21的7引脚接地，即与DGND相接，第二十一继电器85K21的8引脚与ULN2003 U8的10引脚相接，ULN2003 U8的7引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO26相接，第二十二继电器86K22的1引脚与模拟量采集单元5相接，即与第二AD7656芯片U2的36引脚相接，第二十二继电器86K22的2引脚与第六电压变换器U18的3引脚相接，第二十二继电器86K22的3引脚与模拟量采集单元5相接，即与第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第二十二继电器86K22的5引脚与ULN2003 U9的16引脚相接，ULN2003 U9的1引脚与控制单元2的处理单元DSP16的控制引脚GPIO27相接，第二十二继电器86K22的4引脚接地，即与DGND相接。

第一电阻分压网络为R36与R37串联，第一继电器K1的3引脚与R37相接，第一继电器K1的6引脚与R36相接；第二电阻分压网络为R40与R41串联，第五继电器63K5的3引脚与R41相接，第五继电器63K5的6引脚与R40相接；第三电阻分压网络为R43与R44串联，第九继电器65K9的3引脚与R44相接，第九继电器65K9的6引脚与R43相接；第四电阻分压网络为R46与R47串联，第十三继电器81K13的3引脚与R47相接，第十三继电器81K13的6引脚与R46相接；第五电阻分压网络为R49与R50串联，第十七继电器83K17的3引脚与R50相接，第十七继电器83K17的6引脚与R49相接；第六电阻分压网络为R52与R53串联，第二十一继电器85K21的3引脚与R53相接，第二十一继电器85K21的6引脚与R52相接。

R36、R40、R43、R46、R49和R52的电阻值均为10k欧姆，R37、R41、R44、R47、R50和R53的电阻值均为500欧姆。

因本装置中采用的算法对正弦信号的相角要求较为严格，所以本装置设计了频率测量电路，由图8可以看出，二极管D5、电压比较器LM393等共同组成过零点检测电路，电压比较器LM393输出的信号送至处理单元DSP16的捕获引脚GPIO48，利用处理单元DSP16的捕获功能获得正弦信号频率，从而动态调整采样间隔。

频率测量电路中电压比较器LM393的1引脚经上拉连接二极管D5后与控制单元2的处理单元DSP16的GPIO48引脚相接，电压比较器LM393的2引脚与AGND相接，电压比较器LM393的3引脚与电压变换器3引脚相接，电压比较器LM393的4引脚与负电源连接，电压比较器LM393的5引脚、电压比较器LM393的6引脚和电压比较器LM393的7引脚悬空，电压比较器LM393的8引脚与正电源相接。

一次侧A相、B相、C相、二次侧A相、B相和C相电压采集通道“自诊断”和“自修正”功能原理相同，以一次侧A相电压采集电路为例叙述电压采集通道“自诊断”和“自修正”功能：

一次侧A相电压采集通道“自诊断”功能实现原理如下：当第一AD7656芯片U3的A相电压采集通道的采样值连续出现异常数据恒定或明显偏离测量范围，则处理单元DSP16的GPIO5引脚通过达林顿管芯片ULN2003 U6控制第二继电器62K2吸合，此时一次侧A相电压采集通道不再采集一次侧A相电压，而是采集第一AD7656芯片U3的参考电压2.5V，如果此时第一AD7656芯片U3的一次侧A相电压采集通道的采样数值为2.5V，则表明第一AD7656芯片U3正常，否则表示一次侧A相电压前置通道出现故障或变压器一次侧A相出现故障，此时处理单元DSP16的GPIO4引脚通过ULN2003U6第一控制继电器61K1吸合，处理单元DSP16的GPIO5引脚通过ULN2003U6第二控制继电器62K2断开，则一次侧A相电压不再通过第一电压变换器U4进入A相电压采集通道，而是采用第一电阻分压网络方式进入一次侧A相电压采集通道，如果一次侧A相电压采集通道采集的数据正常，则表示一次侧A相电压前置通道中的第一电压变换器U4出现故障，否则表示变压器一次侧A相出现故障或第一电压互感器故障。当第一电压变换器U4出现故障时，本装置前置通道可采用电阻分压方式运行，虽然电阻分压方式可暂时替代第一电压变换器U4功能，但此时采样通道不在具有隔离能力，因此装置存在击穿可能，所以当前置通道可采用电阻分压方式运行，装置会向PC监测平台发送报警信息。

一次侧A相电压采集通道“自修正”功能实现原理如下：处理单元DSP16定期或接收到PC监测平台下发的指令通过GPIO5引脚控制第二继电器62K2吸合，此时一次侧A相电压采集通道采集的电压为第一AD7656芯片U3的参考电压2.5V，如果因器件性能衰减造成采样值偏离2.5V，则处理单元DSP16会自动利用线性方程修正一次侧A相电压采集通道的采样值，使其达到2.5V，此时即可修正器件性能衰减所引起的线性误差，然后处理单元DSP16释放第二继电器62K2使其装置进入正常运行状态。

如图3所示，电流互感器连接电流检测线缆，电流互感器还连接电流变换器，电流变换器连接第二AD7656芯片U2或者第一AD7656芯片U3，第二AD7656芯片U2或者第一AD7656芯片U3连接处理单元DSP16。

如图11、图5和图20所示，一次侧A相电流的第一电流互感器输出的两条线缆CT1A与CT1N连接至第三继电器71K3的1引脚与4引脚，第三继电器71K3的2引脚与第一电流变换器U5的1引脚相接，第三继电器71K3的5引脚与第一电流变换器U5的2引脚相接，第三继电器71K3的3引脚和6引脚与第三十八电阻R38两端相接，第三继电器71K3的7引脚接地，即与DGND相接，第三继电器71K3的8引脚与ULN2003 U6的14引脚相接，ULN2003 U6的3引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U6的3引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO6相接，第四继电器72K4的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的45引脚相接，第四继电器72K4的2引脚与第一电流变换器U5的3引脚相接，第四继电器72K4的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第四继电器72K4的4引脚接地，即与DGND相接，第四继电器72K4的5引脚与ULN2003 U6的13引脚相接，ULN2003 U6的4引脚与DSP16的GPIO7引脚连接。

上述以一次侧A相电流采集电路为例，一次侧B相、C相、二次例A相、B相和C相电流采集电路与一次侧A相电流采集电路原理完全相同，只是对应的器件和电路连接关系稍有不同，不同之处在于：

如图12、图5、图20和图21所示，一次侧B相电流的第二电流互感器输出的两条线缆CT1B和CT1BN连接至第七继电器73K7的1引脚与4引脚，第七继电器73K7的2引脚与第二电流变换器U11的1引脚相接，第七继电器73K7的5引脚与第二电流变换器U11的2引脚相接，第七继电器73K7的3引脚和6引脚与第四十二电阻R42两端相接，第七继电器73K7的7引脚接地，即与DGND相接，第七继电器73K7的8引脚与ULN2003 U6的10引脚相接，ULN2003 U6的7引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U6的7引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO10相接，第八继电器74K8的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的39引脚相接，第八继电器74K8的2引脚与第一电流变换器U11的3引脚相接，第八继电器74K8的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第八继电器74K8的4引脚接地，即与DGND相接，第八继电器74K8的5引脚与ULN2003 U7的16引脚相接，ULN2003 U7的1引脚与DSP16的GPIO11引脚连接。

如图13、图5和图21所示，一次侧C相电流的第三电流互感器输出的两条线缆CT1C和CT1CN连接至第十一继电器75K11的1引脚与4引脚，第十一继电器75K11的2引脚与第三电流变换器U13的1引脚相接，第十一继电器75K11的5引脚与第三电流变换器U13的2引脚相接，第十一继电器75K11的3引脚和6引脚与第四十五电阻R45两端相接，第十一继电器75K11的7引脚接地，即与DGND相接，第十一继电器75K11的8引脚与ULN2003 U7的13引脚相接，ULN2003 U7的4引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U7的4引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO14相接，第十二继电器76K12的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的33引脚相接，第十二继电器76K12的2引脚与第三电流变换器U13的3引脚相接，第十二继电器76K12的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第十二继电器76K12的4引脚接地，即与DGND相接，第十二继电器76K12的5引脚与ULN2003 U7的12引脚相接，ULN2003U7的5引脚与DSP16的GPIO15引脚连接。

如图17、图6和图22所示，二次侧A相电流的第四电流互感器输出的两条线缆CT2A和CT2AN连接至第十五继电器91K15的1引脚与4引脚，第十五继电器91K15的2引脚与第四电流变换器U15的1引脚相接，第十五继电器91K15的5引脚与第四电流变换器U15的2引脚相接，第十五继电器91K15的3引脚和6引脚与第四十八电阻R48两端相接，第十五继电器91K15的7引脚接地，即与DGND相接，第十五继电器91K15的8引脚与ULN2003 U8的16引脚相接，ULN2003 U8的1引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U8的1引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO20相接，第十六继电器92K16的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第二AD7656芯片U2的45引脚相接，第十六继电器92K16的2引脚与第四电流变换器U15的3引脚相接，第十六继电器92K16的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第十六继电器92K16的4引脚接地，即与DGND相接，第十六继电器92K16的5引脚与ULN2003 U8的15引脚相接，ULN2003U8的2引脚与DSP16的GPIO21引脚连接。

如图18、图6和图22所示，二次侧B相电流的第五电流互感器输出的两条线缆CT2B和CT2BN连接至第十九继电器93K19的1引脚与4引脚，第十九继电器93K19的2引脚与第五电流变换器U17的1引脚相接，第十九继电器93K19的5引脚与第五电流变换器U17的2引脚相接，第十九继电器93K19的3引脚和6引脚与第五十一电阻R51两端相接，第十九继电器93K19的7引脚接地，即与DGND相接，第十九继电器93K19的8引脚与ULN2003 U8的12引脚相接，ULN2003 U8的5引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U8的5引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO24相接，第二十继电器94K20的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第二AD7656芯片U2的39引脚相接，第二十继电器94K20的2引脚与第五电流变换器U17的3引脚相接，第二十继电器94K20的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第二十继电器94K20的4引脚接地，即与DGND相接，第二十继电器94K20的5引脚与ULN2003 U8的11引脚相接，ULN2003U8的6引脚与DSP16的GPIO25引脚连接。

如图19、图6和图23所示，二次侧C相电流的第六电流互感器输出的两条线缆CT2C和CT2CN连接至第二十三继电器95K23的1引脚与4引脚，第二十三继电器95K23的2引脚与第六电流变换器U19的1引脚相接，第二十三继电器95K23的5引脚与第六电流变换器U19的2引脚相接，第二十三继电器95K23的3引脚和6引脚与第五十四电阻R54两端相接，第二十三继电器95K23的7引脚接地，即与DGND相接，第二十三继电器95K23的8引脚与ULN2003 U9的15引脚相接，ULN2003 U9的2引脚与控制单元2相接，即ULN2003 U9的2引脚与处理单元DSP16的控制引脚GPIO28相接，第二十四继电器96K24的1引脚与模拟量采集单元5相接，即第二AD7656芯片U2的33引脚相接，第二十四继电器96K24的2引脚与第六电流变换器U19的3引脚相接，第二十四继电器96K24的3引脚与模拟量采集单元5相接，即第一AD7656芯片U3的51引脚相接，第二十四继电器96K24的4引脚接地，即与DGND相接，第二十四继电器96K24的5引脚与ULN2003 U9的14引脚相接，ULN2003 U9的3引脚与DSP16的GPIO29引脚连接。

一次侧A相电流采集通道电流采集通道的“自诊断与修正”的实现原理与电压采集通道基本一致，只是电压采集通道通过电阻分压方式暂时替代电压变换器功能，而电流采集通道的输入信号为电流信号，所以电流采样电路通过串联采样电阻实现电流变换器的暂时替代。

此外因为在配电网中，电压和电流信号中含有高频分量，所以本装置在前置模拟通道还加入低通滤波器以避免信号混叠。为了避免信号叠加产生的精度及相位误差，本系装置选择能处理双极性信号的AD转换芯片第一AD7656芯片U3，其不但能处理双极性信号，还具有采样保持器，可以进一步减少电路复杂程度，从而提高系统的可靠性和采集精度，因为第一AD7656芯片U3为6通道16位AD芯片，对于三相变压器而言，因为需要分别计算各相短路电抗，所以需要采集一、二次侧各相电压和电流共12路模拟量，此外为避免异步采样产生的相位误差需采用同步采样技术，综上本装置采用2片AD7656芯片以菊花链方式实现12通道同步采样。

如图4-7所示，图5、图6和图7为图4的局部放大图，具体连接关系图4中已明确。第一AD7656芯片U3与第二AD7656芯片U2组成菊花链工作方式，第一AD7656芯片U3的8和25引脚与第二AD7656芯片U2的8和25引脚连接至同一供电电源电路U1，第一AD7656芯片U3的8和25引脚与第二AD7656芯片U2的8和25引脚为AD7656芯片的电源供电引脚，采用同一电源供电；第一AD7656芯片U3的12引脚与第二AD7656芯片U2的7引脚连接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的12引脚均为AD7656芯片的串行数据输入引脚，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的7引脚均为AD7656芯片的串行数据输出引脚，以实现12路模拟信号同步采样；第一AD7656芯片U3的11引脚与第二AD7656芯片U2的11引脚连接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的11引脚均为芯片时钟信号引脚，U3与U2共用一个时钟信号；第一AD7656芯片U3的19引脚与第二AD7656芯片U2的19引脚连接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的19引脚均为芯片的片选引脚，菊花链工作方式下，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2共用一个片选信号；第一AD7656芯片U3的28引脚与第二AD7656芯片U2的28引脚连接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的28引脚均为芯片的复位引脚，为保证第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2可以同时复位，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的复位引脚共用一个信号；第一AD7656芯片U3的21、22和23引脚与第二AD7656芯片U2的21、22和23引脚连接，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的21、22和23引脚均分别为芯片的A、B和C组转换启动引脚，为实现12路同步采样，第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的各组转换启动引脚需要连接在一起。

如图5-6所示，第一AD7656芯片U3的8和25引脚与第二AD7656芯片U2的8和25引脚连接至同一电源转换芯片U1，第一AD7656芯片U3的12引脚与第二AD7656芯片U2的7引脚连接，第一AD7656芯片U3的11引脚与第二AD7656芯片U2的11引脚连接，第一AD7656芯片U3的19引脚与第二AD7656芯片U2的19引脚连接，第一AD7656芯片U3的28引脚与第二AD7656芯片U2的28引脚连接，第一AD7656芯片U3的21、22和23引脚与第二AD7656芯片U2的21、22和23引脚连接。

如图7所示，电源转换芯片U1的1引脚连接第一AD7656芯片U3的8、25引脚与第二AD7656芯片U2的8、25引脚，电源转换芯片U1的2引脚连接第一AD7656芯片U3的9引脚与第二AD7656芯片U2的9引脚，电源转换芯片U1的3引脚连接与外部供电的VCC5V引脚连接，电源转换芯片U1的3引脚与ADGNG引脚之间并联第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12和第十三电容C13，电源转换芯片U1的3引脚与1引脚之间并联第三电容C3和第四电容C4，电源转换芯片U1的2引脚与1引脚之间并联第一电容C1和第二电容C2。

本装置中为与处理单元DSP16的电平匹配，AD7656数字电源选用3.3V，因为电压变换器和电流变换器已具有隔离作用，所以模拟信号单元与控制单元之间的通讯不再做隔离处理。

因为短路电抗在线检测算法对实时性要求较高且浮点计算量较大，此外控制器还需要具有丰富的通讯接口及控制能力，通过对比，本装置最终选用了TI公司型号为TMS320F28335的DSP作为控制单元2的处理器。

本发明中控制单元所需电源为3.3V和5V，模拟量采集单元为保证采样精度需要隔离的±12V电源。根据系统所需电压，电源单元采用AC\DC模块、DC\DC模块和LM2596S稳压芯片实现电压变换。同时为了获得较好的电源质量，电源单元还设计有EMC电磁兼容电路和保护电路。

图7为第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2的供电电源电路，将5V转为3.3V后为第二AD7656芯片U2和第一AD7656芯片U3供电，电源转换芯片U1的1引脚连接第一AD7656芯片U3的8、25引脚与第二AD7656芯片U2的8、25引脚，电源转换芯片U1的2引脚连接第一AD7656芯片U3的9引脚与第二AD7656芯片U2的9引脚，电源转换芯片U1的3引脚连接与外部供电的VCC5V引脚连接，电源转换芯片U1的3引脚与ADGNG引脚之间并联第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12和第十三电容C13，并联的电容起滤波作用，电源转换芯片U1的3引脚与1引脚之间并联第三电容C3和第四电容C4，并联的电容起滤波作用，电源转换芯片U1的2引脚与1引脚之间并联第一电容C1和第二电容C2，并联的电容起滤波作用。

PC监测平台以C^#为开发语言编写，其作用是显示被监测配电变压器的实际运行参数及状态，并为各配电变压器或配电变压器组建立运行档案，为后续的专家评估系统提供数据来源，当数据来源为SCADA系统时PC监测平台需运行短路电抗在线检测算法，当数据来源为运行参数实时采集装置时，为避免网络或PC监测平台故障导致无法对变压器状态做出评估，短路电抗在线检测算法在DSP中执行，PC监测平台接收返回结果即可，用户也可选择运行参数实时上传。

PC监测平台共有6个选项卡，用户管理选项卡功能为登录账号管理，通讯自检选项卡功能为检测PC监测平台与运行参数实时采集装置或配电SCADA系统通讯是否正常，参数监测选项卡用于查看指定的被监测配电变压器的运行参数及评估状态，历史数据查询选项卡用于查询历史运行参数及运行状态，变压器参数设置选项卡用于设置被监测配电变压器名称、型号、额定容量、额定变比、连接组别和投入时间等参数，参数实时采集装置设置选项卡用于设置各级电压互感器和电流互感器的变比、参数标定系数等。

本发明中采用的AD7656芯片、处理单元DSP16、电压互感器、电流互感器、电压变换器、电流变换器、扩展接口模块10、人机交互模块11、数据存储模块12、通讯模块13、GPRS模块、北斗短报文模块和电源单元3均为市场上可购买到的产品。第一AD7656芯片U3和第二AD7656芯片U2可以购买于亚德诺(ADI)半导体公司；处理单元DSP16可购买于TI公司，型号为TMS320F28335；电压互感器可购买于上海互凌电气有限公司；电流互感器可购买于浙江正泰电器股份有限公司；因为本电路适用于不同电压等级的配电变压器，所以需要选择不同变比的电压互感器和电流互感器，变比不同，型号也就不同。电压变换器可购买于武汉华意电子有限公司，型号为LXYA 100/5V；电流变换器可购买于北京新创四方电子有限公司，型号为TAS1907-01；扩展接口模块10可购买于深圳联达科电子有限公司，型号为L103的DB9模组架；人机交互模块11可购买于深圳市淘晶驰电子有限公司，型号为TJC8048K050_011X液晶触摸屏；数据存储模块12可购买于SanDisk公司，型号为SDSQUNC-064G-ZN6MA的TF卡；通讯模块13由GPRS模块和北斗短报文模块组成，其中GPRS模块可购买于济南有人物联网技术有限公司，型号为USR-GM3P；北斗短报文通信模块可购买于深圳市容辉信息科技有限公司，型号为RD0538D；电源单元3由AD\DC模块、DC\DC隔离模块和DC\DC模块组成，DC\DC模块可购买于广州高雅信息科技有限公司，型号为HA12P24-HV；DC\DC隔离模块可购买于Godsend(伽冬)公司，型号为WRA0512YMD-6WR2；DC\DC芯片可购买于美国国家半导体公司，型号为LM2596S-ADJ。

一种配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，

步骤一、运行参数实时采集装置1处于运行状态；步骤二、控制单元2控制模拟量采集单元5采集各模拟量并对采集到的数据进行处理，首先将离散量转化成连续量，然后通过短路电抗在线检测算法和相关的国标对变压器的状态做出绕组状态评估；步骤三、通过无线通讯模块将处理后的电参数数据及评估出的变压器状态发送至PC监测平台。

考虑到配电变压器分布广泛，因此采用有线传输方式，必然存在成本较高，布线复杂和维护难度大等问题。所以本装置选择GPRS通讯方式，同时考虑一些地区并未实现GPRS网络覆盖，因此本装置创新性的引入了北斗短报文通讯方式，在GPRS网络未覆盖的区域，可通过北斗短报文实现与PC监测平台的通讯。

数据存储模块用于通讯故障时存储变压器实时运行参数，以确保网络出现故障时，运行数据不会丢失，待网络恢复后立即上传至PC监测平台。人机交互模块用于操作人员查看数据及发送指令。报警模块用于向PC监测平台发出报警信息并发出声光报警，便于维护人员及时发现运行参数实时采集装置和被监测变压器的异常情况。

绕组状态在线评估算法设计：

本发明为了解决短路电抗在线检测算法实际应用中存在的杂波干扰、非正弦信号干扰和不具备参数还原等问题，对现有的短路电抗在线检测算法进行了如下改进，首先采用处理单元DSP16中的FIR算法设计了50Hz带通数字滤波器，AD7656芯片采集到的数字量首先经过带通滤波器滤除杂波和非正弦信号，使采集到的数字量变为纯净的正弦信号；其次融入了三采样值积参数还原算法，以获得短路电抗在线检测算法所需的电压、电流幅值、有效值和相位等参数。本发明算法流程图，如图10所示。

1、50Hz带通滤波器设计

本发明中利用处理的单元DSP的硬件FIR滤波算法设计了50Hz带通滤波器。其离散方程，如式(1)所示

Y(n)＝0.003319X(n)-0.003319X(n-1)+1.9924X(n-2)-0.9934X(n-3) (1)

式中，Y为输出矩阵(AD7656采集值经滤波后的数值矩阵)；X为输入矩阵(AD7656采集值组成的数值矩阵)；n为序列号；

其上、下截止频率分别45Hz为55.6Hz，品质因数Q＝5，采样速率为500Hz，因为本装置采用三采样值积参数还原算法，每个采样点采集变压器一、二次侧电压和电流数据，所以n的范围为0～35。

2、三采样值积法

三采样值积算法是利用3个连续的等间隔时间ΔT的采样值中两两相乘，通过适当的运算消去ωt项以求出采样的幅值和相位的方法。

设t_k、t_k+1、t_k+2为三个连续采样时刻，采样间隔为ΔT，电压过零后t_k时刻的采样值u₁和落后于u₁一个θ角电流的采样值i₁为

式中，i₁为第一采样点电流的瞬时值；u₁为第一采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

t_k+1时刻的采样值为

式中ΔT为两个采样值之间的时间间隔，即ΔT＝t_k+1-t_k，i₂为第二采样点电流的瞬时值；u₂为第二采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

t_k+2时刻的采样值为

式中，i₃为第三采样点电流的瞬时值；u₃为第三采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

式(4)中i₃和u₃可得

式(5)与u₁i₁相加可得

式中，U_m为电压的峰值；I_m为电流的峰值；

联合式(5)与式(6)，经过适当的运算可以消除ωt_k项，可得

当i(t)用u(t)代替时，即用I_m代以U_m，θ＝0°，则有

当取ωΔT＝30°时，则式(7)和式(8)可化为

U_mI_mcosθ＝2(u₁i₁+u₃i₃-u₂i₂) (9)

由式(9)、式(10)和式(11)，可得

依据式(12)、式(13)及Z＝R+jX可求得Z值和θ值。(Z为阻抗值，θ为电压与电流的相角差)。

本发明依据变压器的运行原理及绕组的等值电路方程建立了变压器绕组参数模型。研究了短路电抗在线检测算法，该算法仅需要测量配电变压器在两种不同负荷(在实际应用中可利用波峰和波谷现象)下的一、二次侧电压和一、二次侧电流，即可推算出短路电抗，也可进一步推算出铁损和铜损。因为短路电抗可以反映出变压器的绕组状态，所以通过在线检测短路电抗值，即可对配电变压器绕组健康状况做出评估，即对配电变压器状态做出评估。以单相双绕组变压器为研究对象，其等效电路模型，如图25所示。

其中:Z₁和Z₁₂分别为一次侧绕组阻抗和二次侧阻抗在一次侧的等效阻抗，Z_m为励磁绕组阻抗；

和

分别为一次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流在一次侧的等效值；

为励磁电流；k为变比。

由图25可得：

根据

可得：

因为变压器一次侧阻抗Z₁和二次侧阻抗Z₂是一个常量，所以二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值Z₁₂也是一个常量。

假设：

将(16)式写为以下形式：

p+jq＝R₁+jX₁+(m+jn)(R₁₂+jX₁₂) (18)

其中，R₁+jX₁为一次侧绕组阻抗Z₁，R₁₂+jX₁₂为二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值。变换(18)式右端表达式，可得：

p+jq＝(R₁+mR₁₂-nX₁₂)+j(X₁+mX₁₂+nR₁₂) (19)

通过采集变压器一、二次侧电压和电流相量值即可求得p、q、m、n的值。将p、q、m、n带入(19)式：

p＝R₁+mR₁₂-nX₁₂；q＝X₁+mX₁₂-nR₁₂ (20)

分别在两种不同负载容量下测量配电变压器的一次侧电压

一次侧电流

二次侧电压

二次侧电流

其中i＝1,2。则：

由(21)式解出p₁、q₁、m₁、n₁和p₂、q₂、m₂、n₂。

由于变压器绕组阻抗为常量，可列写矩阵方程求解。

由式(22)可解出X₁，X₁₂，即可算出短路电抗X_R＝X₁+X₁₂。如应用于三相配电变压器，其绕组等效图如图26所示(以Yyn0连接组别为例)。

变压器的一次侧电压为：

一次侧电流为

二次侧电压为：

二次侧电流为：

其中i＝1，2。

由(23)式解出p_Ai、q_Ai、m_Ai、n_Ai、p_Bi、q_Bi、m_Bi、n_Bi和p_Ci、q_Ci、m_Ci、n_Ci(i＝1，2)。由(22)式得：

其中：R_A+jX_A＝Z_A为A相一次侧阻抗，R_a'+jX_a'＝Z_a'为A相二次阻抗在一次侧的归算值：R_B+jX_B＝Z_B为B相一次侧阻抗，R_b'+jX_b'＝Z_b'为B相二次侧阻抗在一次侧的归算值；R_C+jX_C＝Z_C为C相一次侧阻抗，R_c'+jX_c'＝Z_c'为C相二次侧阻抗在一次侧的归算值。

计算各相短路电抗值，即：

计算各相短路电抗值的平均值，该平均值即为此三相配电变压器的短路电抗值，即：

若配电变压器的连接组别为Yyn0则可直接通过上述方法计算出短路电抗，若为Dyn11则不能直接采用上述方法计算短路电抗，需要将三角形侧的线电流转化为相电流，然后才可计算短路电抗值。Dyn11连接组别绕组等效图，如图27所示。

图27中，

和

分别为A相、B相和C相线电流，其与相电流的关系如下：

由(27)式和

得

由(28)式计算出A相、B相和C相的相电流后再根据上述方法求解配电变压器的短路电抗。

外在测量短路电抗的同时，可以通过运算计算出铜损值即负载损耗，忽略附加损耗则变压器一次侧输入功率减去二次侧输出功率再减去负载损耗，即可得出铁损值即空载损耗。

Claims (9)

1.一种配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，其特征在于：

该装置包括运行参数实时采集装置(1)和PC监测平台(4)；运行参数实时采集装置(1)和PC监测平台(4)无线连接；运行参数实时采集装置(1)包括控制单元(2)、模拟量采集单元(5)和电源单元(3)，模拟量采集单元(5)包括一次侧电压采集模块(6)、一次侧电流采集模块(7)、二次侧电压采集模块(8)和二次侧电流采集模块(9)，一次侧电压采集模块(6)、一次侧电流采集模块(7)、二次侧电压采集模块(8)和二次侧电流采集模块(9)与控制单元(2)连接，一次侧电压采集模块(6)、一次侧电流采集模块(7)、二次侧电压采集模块(8)和二次侧电流采集模块(9)还与电源单元(3)连接；

控制单元(2)包括处理单元DSP(16)、扩展接口模块(10)、人机交互模块(11)、数据存储模块(12)和通讯模块(13)，扩展接口模块(10)、人机交互模块(11)、数据存储模块(12)和通讯模块(13)与处理单元DSP(16)相连接，处理单元DSP(16)、扩展接口模块(10)、人机交互模块(11)、数据存储模块(12)和通讯模块(13)与电源单元(3)相连接；

PC监测平台(4)包括PC机(14)和配电SCADA系统通讯接口(15)，PC机(14)与所述配电SCADA系统通讯接口(15)相连接，PC机(14)与所述运行参数实时采集装置(1)连接。

2.根据权利要求1所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，其特征在于：

一次侧电压采集模块(6)和二次侧电压采集模块(8)包括电压互感器、电压变换器和AD7656芯片；一次侧电流采集模块(7)和二次侧电流采集模块(9)包括电流互感器、电流变换器和AD7656芯片；一次侧电压采集模块(6)和一次侧电流采集模块(7)共用一片第一AD7656芯片(U3)；二次侧电压采集模块(8)和二次侧电流采集模块(9)共用一片第二AD7656芯片(U2)；

电压互感器连接电压检测线缆，电压互感器还连接电压变换器，电压变换器连接第一AD7656芯片(U3)或者第二AD7656芯片(U2)，第一AD7656芯片(U3)或者第二AD7656芯片(U2)连接处理单元DSP(16)；

电流互感器连接电流检测线缆，电流互感器还连接电流变换器，电流变换器连接第一AD7656芯片(U3)或者第二AD7656芯片(U2)，第一AD7656芯片(U3)或者第二AD7656芯片(U2)连接处理单元DSP(16)。

3.根据权利要求1所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，其特征在于：

一次侧电压采集模块(6)上设置有一次侧A相电压采集电路、一次侧B相电压采集电路和一次侧C相电压采集电路，二次侧电压采集模块(8)上设置有二次侧A相电压采集电路、二次侧B相电压采集电路和二次侧C相电压采集电路；

一次侧A相电压采集电路的第一电压互感器输出的两条线缆PT1A与PT1N分别连接第一继电器(61)K1的公共触点端，第一继电器(61)K1的常闭触点端与第一电压变换器(U4)的输入端连接，第一继电器(61)K1的常开触点端与第一电阻分压网络的输入端连接，第二继电器(62)K2的公共触点端与第一AD7656芯片(U3)连接，第一AD7656芯片(U3)与处理单元DSP(16)连接，第二继电器(62)K2的常闭触点端与第一电压变换器(U4)输出端连接，第二继电器(62)K2的常开触点端与第一AD7656芯片(U3)参考电压引脚连接；第一继电器(61)K1的控制端与ULN2003(U6)连接，ULN2003(U6)与处理单元DSP(16)连接，第二继电器(62)K2的控制端与ULN2003(U6)连接，ULN2003(U6)与处理单元DSP(16)连接；

一次侧B相电压采集电路、一次侧C相电压采集电路、二次侧电压A相、二次侧电压B相和二次侧电压C相的电路连接关系与一次侧A相电压采集电路的电路连接关系相同。

4.根据权利要求1所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估装置，其特征在于：

一次侧电流采集模块(7)上设置有一次侧A相电流采集电路、一次侧B相电流采集电路和一次侧C相电流采集电路，二次侧电流采集模块(9)上设置有二次侧A相电流采集电路、二次侧B相电流采集电路和二次侧C相电流采集电路；

一次侧A相电流采集电路第一电流互感器输出的两条线缆CT1A与CT1N分别连接至第三继电器(71)K3的公共触点端，第三继电器(71)K3的常闭触点端与第一电流变换器(U5)输入端连接，第三继电器(71)K3的常开触点端与第三十八电阻两端连接，第一电流变换器(U5)和第三十八电阻的输出端与第四继电器(72)K4的常闭触点端连接，第四继电器(72)K4的公共触点端与第一AD7656芯片(U3)连接，第一AD7656芯片(U3)与处理单元DSP(16)连接，第四继电器(72)K4的常开触点端与第一AD7656芯片(U3)参考电压引脚连接；第三继电器(71)K3的控制端与ULN2003(U6)连接，ULN2003(U6)与处理单元DSP(16)连接，第四继电器(72)K4的控制端与ULN2003(U6)连接，ULN2003(U6)与处理单元DSP(16)连接；

一次侧B相电流采集电路、一次侧C相电流采集电路、二次侧电流A相、二次侧电流B相和二次侧电流C相的电路连接关系与一次侧A相电流采集电路的电路连接关系相同。

5.一种如权利要求1所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，其特征在于：步骤一、运行参数实时采集装置(1)处于运行状态；步骤二、控制单元(2)控制模拟量采集单元(5)采集各模拟量并对采集到的数据进行处理，首先将离散量转化成连续量，然后通过短路电抗在线检测算法和相关的国标对变压器的状态做出绕组状态评估；步骤三、通过无线通讯模块将处理后的电参数数据及评估出的变压器状态发送至PC监测平台。

6.根据权利要求5所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，其特征在于：步骤二中绕组状态评估采用处理单元DSP中的FIR算法设计了50Hz带通数字滤波器，AD7656采集到的数字量首先经过带通滤波器滤除杂波和非正弦信号，使采集到的数字量变为纯净的正弦信号；此外，在现有的短路电抗在线检测算法的基础上融入了三采样值积参数还原算法，以获得短路电抗在线检测算法所需的电压和电流的幅值、有效值、相位3个电参数。

7.根据权利要求6所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，其特征在于：利用处理单元DSP的硬件FIR滤波算法设计了50Hz带通滤波器，其离散方程：

Y(n)＝0.003319X(n)-0.003319X(n-1)+1.9924X(n-2)-0.9934X(n-3) (1)

式中，Y为输出矩阵(AD7656采集值经滤波后的数值矩阵)；X为输入矩阵(AD7656采集值组成的数值矩阵)；n为序列号；

其上、下截止频率分别45Hz为55.6Hz，品质因数Q＝5，采样速率为500Hz，因为本装置采用三采样值积参数还原算法，每个采样点采集变压器一、二次侧电压和电流数据，所以n的范围为0～35。

8.根据权利要求6所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，其特征在于：三采样值积算法是利用3个连续的等间隔时间ΔT的采样值中两两相乘，通过适当的运算消去ωt项以求出采样的幅值和相位的方法，

设t_k、t_k+1、t_k+2为三个连续采样时刻，采样间隔为ΔT，电压过零后t_k时刻的采样值u₁和落后于u₁一个θ角电流的采样值i₁为

式中，i₁为第一采样点电流的瞬时值；u₁为第一采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；U_m为电压的峰值；I_m为电流的峰值；

t_k+1时刻的采样值为

式中ΔT为两个采样值之间的时间间隔，即ΔT＝t_k+1-t_k，i₂为第二采样点电流的瞬时值；u₂为第二采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

t_k+2时刻的采样值为

式中，i₃为第三采样点电流的瞬时值；u₃为第三采样点电压的瞬时值；θ为电压与电流的相位差；ω为交流电频率；

式(4)中i₃和u₃可得

式(5)与u₁i₁相加可得

式中，U_m为电压的峰值；I_m为电流的峰值；

联合式(5)与式(6)，经过适当的运算可以消除ωt_k项，可得

当i(t)用u(t)代替时，即用I_m代以U_m，θ＝0°，则有

当取ωΔT＝30°时，则式(7)和式(8)可化为

U_mI_mcosθ＝2(u₁i₁+u₃i₃-u₂i₂) (9)

由式(9)、式(10)和式(11)，可得

依据式(12)、式(13)及Z＝R+jX可求得Z值和θ值，Z为阻抗值，θ为电压与电流的相角差。

9.根据权利要求6所述的配电变压器参数监测及绕组状态评估方法，其特征在于：所述短路电抗在线检测算法，是依据变压器的运行原理及绕组的等值电路方程建立了变压器绕组参数模型，该算法仅需要测量配电变压器在两种不同负荷下的一、二次侧电压和电流，即可推算出短路电抗，也可进一步推算出铁损和铜损，即可对配电变压器绕组健康状况做出评估；

式中:Z₁和Z₁₂分别为一次侧绕组阻抗和二次侧阻抗在一次侧的等效阻抗，Z_m为励磁绕组阻抗；

和

分别为一次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流相量值；

和

分别为二次侧电压和电流在一次侧的等效值；

为励磁电流；k为变比；

根据

可得：

因为变压器一次侧阻抗Z₁和二次侧阻抗Z₂是一个常量，所以二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值Z₁₂也是一个常量；假设：

将(16)式写为以下形式：

p+jq＝R₁+jX₁+(m+jn)(R₁₂+jX₁₂) (18)

其中，R₁+jX₁为一次侧绕组阻抗Z₁，R₁₂+jX₁₂为二次侧绕组阻抗在一次侧的归算值；变换(18)式右端表达式，可得：

p+jq＝(R₁+mR₁₂-nX₁₂)+j(X₁+mX₁₂+nR₁₂) (19)

通过采集变压器一、二次侧电压和电流相量值即可求得p、q、m、n的值。将p、q、m、n带入(19)式：

p＝R₁+mR₁₂-nX₁₂；q＝X₁+mX₁₂-nR₁₂ (20)

分别在两种不同负载容量下测量配电变压器的一次侧电压

一次侧电流

二次侧电压

二次侧电流

其中i＝1,2；则：

由(21)式解出p₁、q₁、m₁、n₁和p₂、q₂、m₂、n₂；

由于变压器绕组阻抗为常量，可列写矩阵方程求解；

由式(22)可解出X₁，X₁₂，即可算出短路电抗X_R＝X₁+X₁₂，如应用于三相配电变压器；

变压器的一次侧电压为：

一次侧电流为

二次侧电压为：

二次侧电流为：

其中i＝1，2；

由(23)式解出p_Ai、q_Ai、m_Ai、n_Ai、p_Bi、q_Bi、m_Bi、n_Bi和p_Ci、q_Ci、m_Ci、n_Ci(i＝1，2)，由(22)式得：

其中：R_A+jX_A＝Z_A为A相一次侧阻抗，R_a'+jX_a'＝Z_a'为A相二次阻抗在一次侧的归算值：R_B+jX_B＝Z_B为B相一次侧阻抗，R_b'+jX_b'＝Z_b'为B相二次侧阻抗在一次侧的归算值；R_C+jX_C＝Z_C为C相一次侧阻抗，R_c'+jX_c'＝Z_c'为C相二次侧阻抗在一次侧的归算值；

计算各相短路电抗值，即：

计算各相短路电抗值的平均值，该平均值即为此三相配电变压器的短路电抗值，即：

若配电变压器的连接组别为Yyn0则可直接通过上述方法计算出短路电抗，若为Dyn11则不能直接采用上述方法计算短路电抗，需要将三角形侧的线电流转化为相电流，然后才可计算短路电抗值；其与相电流的关系如下：

和

分别为A相、B相和C相线电流，

由(27)式和

得

由(28)式计算出A相、B相和C相的相电流后再根据上述方法求解配电变压器的短路电抗。

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