CN112269062B - 一种阀段模块元件阻抗测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀段模块元件阻抗测试仪，包括设备的外壳，所述外壳上设有总电源开关、测量按键、测试线插孔、液晶屏以及U盘插口，还包括主控单元、信号激励单元、信号采样单元以及显示单元；信号激励单元用于生成并提供一定电压和频率的激励信号至阀段模块电路中；信号采样单元用于采集阀段模块电路中待测元件的电压信号以及电流值；主控单元用于根据信号采样单元采集的阀段模块电路中的电流值通过计算得出待测元件的阻抗值；显示单元用于显示主控单元最终计算得出的待测原件的参数值；测量按键用于控制信号激励单元是否输出激励信号。本发明实现了换流阀阀段器件的不拆线测量，其测量精度高，测量速度快，测量出的参数值误差均在5％以内。

Description

一种阀段模块元件阻抗测试仪

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，具体涉及一种阀段模块元件阻抗测试仪。

背景技术

当输电距离较长、输送容量较大时，直流送电是优选的输电方案。特高压直流输电具备点对点、超远距离、大容量送电能力的特点，是我国西南大水电基地和西北大煤电基地的超远距离、超大容量外送的主要输电方式。换流站是高压直流输电系统主要组成部件之一，实现交流系统到直流系统的转换，是高压直流输电的核心技术。而换流阀是换流器的基本单元，是进行换流的关键设备。换流阀采用分层布置，由多个阀模块串联而成，换流阀单阀包含晶闸管级、阳极电抗器和均压电容等核心器件，这些器件的参数对于直流输电系统的稳定、可靠运行具有十分重要的意义，也因此，在直流输电工程投运以前以及设备检修期间，需要对换流阀中的核心器件进行检测试验，以确保换流阀电气性能符合设计要求，保证设备的安全和直流输电工程的可靠性。

直流输电系统中，换流阀是换流器的基本单元，是进行换流的关键设备。换流阀采用分层布置，由多个阀模块串联而成。换流阀单阀由78个晶闸管级(3个冗余)和12个阀电抗器串联而成。多个阀段构成一个单阀，阀段与单阀具有相同的电气特性，但仅承担部分阀电压。13个晶闸管级与2台阀电抗器串联后，再并联1台均压电容器组成一个阀段。因此，2个阀段组成1个组件，3个组件组成1个单阀。

国外厂商在阻抗测量设备的研发中起步较早，其技术己经足够成熟可靠，产品测量精度高，稳定性强，功能丰富，可以应用在很多尖端领域，而国内的阻抗测量研究起步较晚，进度也比较缓慢，各研究机构和商业公司在品牌、研发和销售等方面相比国外机构还有一定的差距。现有阻抗测试仪虽然精度高，但是不能实现对换流阀核心器件的不拆线测量，在对换流阀进行维护和检修时，需要逐个拆线测量，这种测量方式不仅费时费力，还可能损坏原有设备。尽管德国西门子推出了TLP687型晶闸管级阻抗测试仪，但是该设备仅能实现晶闸管级阻尼回路参数的不拆线测量，无法实现阳极电抗器和均压电容的不拆线测量。因此，急需研制一种新的专门针对换流阀核心器件进行测量的阻抗测试仪，提高维护和检修效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种阀段模块元件阻抗测试仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种阀段模块元件阻抗测试仪，包括设备的外壳，所述外壳上设有总电源开关、测量按键、测试线插孔、液晶屏以及U盘插口，还包括主控单元、信号激励单元、信号采样单元以及显示单元；

信号激励单元，用于生成并提供一定电压和频率的激励信号至阀段模块电路中，其输入端与主控单元连接，输出端用于与阀段模块电路连接；

信号采样单元，用于采集阀段模块电路中待测元件的电压信号以及电流值，其输出端与主控单元连接，输入端用于与阀段模块电路连接；

主控单元，为单片机，用于控制信号激励单元提供的激励信号的电压幅值及频率，以及根据信号采样单元采集的阀段模块电路中的电流值通过计算得出待测元件的阻抗值；

显示单元，用于显示主控单元最终计算得出的待测原件的参数值，其输入端与主控单元连接；

总电源开关，用于为整体仪器提供电源；

测量按键，与信号激励单元电连接，用于控制信号激励单元是否输出激励信号；

测试线插孔，用于插入高压测试线，所示高压测试线用于将信号激励单元与阀段模块电路中待测元件电连接；

液晶屏，用于显示显示单元中所示内容；

U盘插口，与主控单元连接用于插入U盘储存测试器件的数据。

进一步地，所述信号激励单元包括信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级，所述信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级依次相连，所述信号发生器的输入端与主控单元连接，所述输出级用于与阀段模块电路连接并提供信号激励单元中生成的一定电压和频率的激励信号。

进一步地，所述低通滤波器为7阶椭圆滤波器。

进一步地，所述信号采样单元包括采样电阻、I-V转换模块、缓冲放大模块、第一多路选择器、加法器以及有效值转换模块，所述采样电阻与阀段模块电路连接，所述I-V转换模块的输入端与采样电阻连接，所述缓冲放大模块的输入端与阀段模块电路的待测元件连接，所述I-V转换模块和缓冲放大模块的输出端均与第一多路选择器的输入端连接，所述第一多路选择器的输出端与加法器以及有效值转换模块的输入端连接，所述加法器以及有效值转换模块的输出端均与主控单元的ADC端口相连接。

进一步地，所述加法器和有效值转换模块与主控单元的ADC之间还连接有第二多路选择器。

进一步地，所述信号采样单元测均压电容的时候使用外部的幅值检测或有效值检测电路获得电压电流的幅值或者有效值；测其他对象的时候，采用ADC直接对电压电流信号采样，利用软件方法还原并分析信号。

进一步地，所示I-V转换模块为跨阻放大器。

进一步地，所述显示单元用于显示阀段模块电路中的阳极电抗器的电感、阻尼电阻的阻抗、阻尼电容的容抗、均压电容的容值。

进一步地，所述总电源开关为船型开关，所述测量开关包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关均为不带锁开关，当第一开关和第二开关同时按下时，才输出激励信号，所述显示屏为触摸屏，以人机交互控制主控单元。

进一步地，所述外壳上还设有温湿度传感器，所述温湿度传感器与显示单元连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明实现了换流阀阀段器件的不拆线测量，其测量精度高，测量速度快，经过仿真模拟验证，该方案无论电压精确到10mV，还是100mV，测量出的换流阀阀段器件参数值误差均在5％以内，除此之外，阀段数量越多，测量结果越精确。

附图说明

图1为阀段模块元件阻抗测试仪的整体结构示意图；

图2为阀段模块元件阻抗测试仪的系统框图；

图3为阀段模块元件阻抗测试仪的信号激励单元框图；

图4为阀段模块元件阻抗测试仪的无源7阶椭圆滤波器的电路结构图；

图5为阀段模块元件阻抗测试仪的电压采集原理框图；

图6为阀段模块元件阻抗测试仪的电流采集原理框图；

图7为阀段模块元件阻抗测试仪的有效值转换模块的全波整流电路结构图；

图8为阀段模块元件阻抗测试仪的有效值转换模块的高输入阻抗全波整流电路结构图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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

如图1和图2所示，一种阀段模块元件阻抗测试仪，包括设备的外壳，所述外壳上设有总电源开关、测量按键、测试线插孔、液晶屏、温湿度传感器以及U盘插口，还包括主控单元、信号激励单元、信号采样单元以及显示单元；

信号激励单元，用于生成并提供一定电压和频率的激励信号至阀段模块电路中，其输入端与主控单元连接，输出端用于与阀段模块电路连接；

信号采样单元，用于采集阀段模块电路中待测元件的电压信号以及电流值，其输出端与主控单元连接，输入端用于与阀段模块电路连接；

主控单元，为单片机，用于控制信号激励单元提供的激励信号的电压幅值及频率，以及根据信号采样单元采集的阀段模块电路中的电流值通过计算得出待测元件的阻抗值；

显示单元，用于显示主控单元最终计算得出的待测原件的参数值，其输入端与主控单元连接；

总电源开关，用于为整体仪器提供电源，总电源开关为船型开关；

测量按键，与信号激励单元电连接，用于控制信号激励单元是否输出激励信号，测量开关具体包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关均为不带锁开关，当第一开关和第二开关同时按下时，才输出激励信号；

测试线插孔，用于插入高压测试线，所示高压测试线用于将信号激励单元与阀段模块电路中待测元件电连接；

液晶屏，用于显示显示单元中所示内容，显示屏具体为触摸屏，以人机交互控制主控单元，从而控制信号激励单元等系统运作；

温湿度传感器，温湿度传感器与显示单元连接，以监测仪器附近的温湿度情况，并通过主控单元记录显示在显示单元上。

U盘插口，与主控单元连接用于插入U盘储存测试器件的数据。

主控单元的单片机，选其具体选用STM32F407系列，它主要完成LCD控制，DDS芯片控制，ADC控制和阻抗计算。STM32F407系列CPU最高频率168MHz，高速SPI和I²C可以和主流显示单元连接。3个速度为2.4MSPS或者7.2MSPS的ADC，采样频率满足系统低频部分需求，结合通用DMA实现采样数据高速缓存从而取代片外的ADC。

如图3所示，信号激励单元具体包括信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级，信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级依次相连，信号发生器的输入端与主控单元连接，输出级用于与阀段模块电路连接并提供信号激励单元中生成的一定电压和频率的激励信号。

DDS芯片选用AD9850，该芯片采用3.3V或5V电源供电，在时钟频率125MHz，可以产生最大40MHZ的正弦波。8位并行接口能够向其内写入频率和相位控制字。通过改变AD9850的DAC外接电阻，调节输出模拟信号电流输出量，从而改变输出信号幅度。DDS输出信号包含较多低频谐波，有源滤波器由于受到运放带宽的限制，难以满足系统频带内的滤波要求，一般使用无源椭圆低通滤波器来除去噪音。无源滤波器对阻抗匹配要求比较严格，所以最后要考虑阻抗匹配。为了最大程度滤除掉杂散，同时不影响原本的输入信号，所以滤波器的过渡带窄且衰减快，因此本系统设计了一个无源7阶椭圆滤波器，其电路结构如图4所示。

功率放大电路采用多级方案，AD9850输出信号幅值和功率有限，为了不受后级电路的影响，用射极跟随器进行隔离，经过滤波之后再进行放大。采用TL1037宽频带运算放大器对滤波后的信号放大。TL1037供电方式有双电源供电和单电源供电两种，带宽可以达到60MHZ，特别适合于高频信号的变换与传输。本设计中为了提高信号峰峰值的输出幅度，芯片电源采用±15V直流电源，这样可以保证在要求的带宽内得到一个相对较高的电压幅度。

关于信号采样单元，通过仿真验证，所加的信号源频率在10KHZ到5MHZ时，我们采样的信号带宽大于10K～5M，我们使用的单片机自带的ADC采样频率可以达到2MHZ，能够直接采样低于100KHZ的信号，根据采样定理和离散傅里叶变换，可以还原信号从而得到所测信号的表达式来计算最后的阻抗。但是当信号频率高于100KHZ的时候，由于ADC有转换时间，这种方法采到的信号不准确，对计算的结果影响较大。如果选用高速的ADC芯片大概需要25M的采样频率，这个级别的ADC都是并口通信，才能保证实时地获取采样结果。但是单片机的IO口速度有限，充当并口时达不到25M，无法满足数据采集需求。要解决速度问题，只能使用FPGA或者DSP做数据采集，但是这样提高了电路的成本和复杂程度。

在测量方案论证时，我们可以使用两组频率的激励信号得到电压电流有效值，进而求解方程组获得阻抗。因此，我们只需要测量信号的有效值即可计算阻抗参数。同时正弦信号有效值和幅值可以转换，所以测得有效值和幅值其中一个就能够计算得到阻抗参数。

经过上述分析，信号采样系统采用转换法和直接采样阀结合的方式，在测量时按采样信号频率的大小分为两种情况：测均压电容的时候使用外部的幅值检测或有效值检测电路获得电压电流的幅值或者有效值；测其他对象的时候，采用ADC直接对电压电流信号采样，利用软件方法还原并分析信号。

具体地，如图2所示，信号采样单元包括采样电阻、I-V转换模块、缓冲放大模块、第一多路选择器、第二多路选择器、加法器以及有效值转换模块，采样电阻与阀段模块电路连接，I-V转换模块的输入端与采样电阻连接，缓冲放大模块的输入端与阀段模块电路的待测元件连接，I-V转换模块和缓冲放大模块的输出端均与第一多路选择器的输入端连接，第一多路选择器的输出端连接有加法器和有效值转换模块，加法器和有效值转换模块的输出端均连接在第二多路选择器上，通过第二多路选择器与主控单元的ADC相连接。第二多路选择器用于进行档位切换，以保证进入主控单元的电压值在量程范围内。

如图5所示，为电压采集原理框图，当被测模块电压比较大时，需要衰减器先降压，如果电压小则需要放大。经缓冲放大的信号通过多路开关选择加法器或者有效值转换模块进行转换。频率低的通过加法器，将该模块的电压加一个直流分量使该信号全部都为正值进入ADC；频率高的进入有效值转换模块，将交流信号转换为直流有效值信号进入ADC。

如图6所示，为电流采集原理框图，为了测回路电流，使用I-V转换将电流转换为电压信号，由于待测对象，阻抗较大，为了激励设计简单，不设计很大功率的激励，那么回路中的电流是很小的。跨阻放大器(TIA)由于具有高带宽的优点，一般用于高速电路，漂移小，精度高，一般作为电流放大器，在这里非常适合，电路也十分简单，放大倍数可根据不同模块来选择。

有效值转换模块的信号有效值检测可以通过RMS-DC转换器来实现，这种芯片可以输入正弦信号输出直流信号就是该正弦信号的有效值，比如ADI公司的AD637。亦可采用整流法，将待测信号进行整流滤波后再进入ADC采样获取直流参数，然后通过数学计算得到有效值或者幅值。

如图7所示，是一个典型的精密全波整流电路，电路工作原理大致为：N1及外围电路构成正半波输入2倍压反相整流放大电路，N2为反相求和电路。若输入信号峰值为±2V的正弦波信号电压，则后级的输入点点输出为-4V对应输入正半波的电压信号；此信号经在N1反相输入端与输入信号相加(－4V+2V＝-2V)，得到-2V的脉动直流(在后级电路需要正的采样电压时)输入信号，又经N2反相求和电路，得到2V脉动直流信号。电路起到全波或桥式整流电路同样的作用，但整流线性和精度得到保障；

如图8所示，为高输入阻抗全波整流电路，此为高输入阻抗(输入信号进入N1、N2的同相输入端，输入信号电流近于零)全波整流电路，输入正半波期间，D1通，D2断，N2(此时为电压跟随器)将输入正半波送至Vo端；输入负半波期间，D1断，D2通，N1此时变身为2倍压同相放大器，其输出信号电压向Vi信号同时送入N2(此时变身为减法器)，经相减后输出负向的全波整流电压。

显示单元用于显示阀段模块电路中的阳极电抗器的电感、阻尼电阻的阻抗、阻尼电容的容抗、均压电容的容值，在主控单元利用ADC口对相关电流、电压数据进行采集后，再通过内部计算，将最终计算得出的参数值通过显示单元显示出来。

具体地，在进行测量的时候，先将设备的输出端子A、K与被测器件可靠连接，再将设备与外电源接通，按下电源开启设备；然后根据待测元件的类型通过液晶屏控制主控单元设计输出激励信号的电压与频率；设置好激励信号的参数后，由于测量按键为不带锁开关，因此按住测量按键，直到电压加到设定值后松开测量按键；此时信号采集单元经过缓冲放大电路得到被测元件的电压信号，另一路通过I-V转换模块，得到采样电阻上的电压信号，两路信号由第一多路选择器进行切换，根据待测对象选择直接进入单片机的ADC或者进入高频整流模块后再进入单片机，通过单片机得到测得的值计算出矢量电压或者有效值的大小，最后根据测量方案计算得到待测元件阻抗值，由液晶屏显示测量结果。

下面以测量换流阀晶闸管级和均压电容为例进行说明。

换流阀晶闸管级不拆线测量：

先在晶闸管级两端施加两个不同频率的交流信号，通过采样电阻得到电路中电流的幅值或有效值(在测量电流幅值或有效值时走加法器，采用ADC直接对电压电流信号采样，利用软件方法还原并分析信号)；然后利用电路规律进行等效，简化电路；最后，通过阻抗计算，可以得到阻尼电阻和阻尼电容的解析解。

具体阻抗计算原理：

式中，R_C为采样电阻；R为阻尼回路电阻；C为阻尼回路电容；U_m为激励电压幅值；I_1m为幅值是U_m频率是f₁的激励信号下采样电阻上的电流幅值；I_2m为幅值是U_m频率是f₂的激励信号下采样电阻上的电流幅值。

将上式变形后可得：

式中：ω₁为f₁对应的角频率；ω₂为f₂对应的角频率。

最终所计算得出的阻尼电阻和阻尼电容的值，通过主控单元控制显示在显示单元上。

换流阀均压电容不拆线测量：

在阀段两端施加两个不同频率，且频率均不小于1MHz的高频交流电压激励信号，通过采样电阻得到电路中电流的幅值或有效值(在测量电流幅值或有效值时走有效值转换模块，通过外部的幅值检测或有效值检测电路获得电压电流的幅值或者有效值)；然后利用电路规律进行等效，简化电路；最后，通过阻抗变换，可以得到均压电容的解析解。

电路总阻抗计算公式为：

式中：Z_总为电路总阻抗；R_c为采样电阻；n为串联的阀段个数；R为RPU板的电阻；y为均压电容的容抗，y＝-1/(ωC_G)，ω为f对应的角频率，C_G为均压电容。

将上式经过代入及化简：

式中：R为RPU板的电阻，C_G为均压电容，U_m为激励电压幅值，I_m为幅值为U_m频率为f的激励信号下采样电阻上的电流幅值，ω₁为f₁对应的角频率，ω₂为f₂对应的角频率，n为串联的阀段个数。

最终所计算得出的均压电容的值，通过主控单元控制显示在显示单元上。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：包括设备的外壳，所述外壳上设有总电源开关、测量按键、测试线插孔、液晶屏以及U盘插口，还包括主控单元、信号激励单元、信号采样单元以及显示单元；

信号激励单元，用于生成并提供一定电压和频率的激励信号至阀段模块电路中，其输入端与主控单元连接，输出端用于与阀段模块电路连接；

信号采样单元，用于采集阀段模块电路中待测元件的电压信号以及电流值，其输出端与主控单元连接，输入端用于与阀段模块电路连接；

主控单元，为单片机，用于控制信号激励单元提供的激励信号的电压幅值及频率，以及根据信号采样单元采集的阀段模块电路中的电流值通过计算得出待测元件的阻抗值；其中，当待测元件为换流阀均压电容时，用于换流阀均压电容不拆线测量的阻抗值的获取方法为：

在阀段两端施加两个不同频率，且频率均不小于1MHz的高频交流电压激励信号，通过采样电阻得到电路中电流的幅值或有效值，所述采样电阻与阀段模块电路连接；

利用电路规律进行等效并简化电路；

通过阻抗变换得到均压电容的解析解；

显示单元，用于显示主控单元最终计算得出的待测元件的参数值，其输入端与主控单元连接；

总电源开关，用于为整体仪器提供电源；

测量按键，与信号激励单元电连接，用于控制信号激励单元是否输出激励信号；

测试线插孔，用于插入高压测试线，所示高压测试线用于将信号激励单元与阀段模块电路中待测元件电连接；

液晶屏，用于显示显示单元中所示内容；

U盘插口，与主控单元连接用于插入U盘储存测试器件的数据。

2.根据权利要求1所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述信号激励单元包括信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级，所述信号发生器、低通滤波器、功率放大器以及输出级依次相连，所述信号发生器的输入端与主控单元连接，所述输出级用于与阀段模块电路连接并提供信号激励单元中生成的一定电压和频率的激励信号。

3.根据权利要求2所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述低通滤波器为7阶椭圆滤波器。

4.根据权利要求1所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述信号采样单元包括采样电阻、I-V转换模块、缓冲放大模块、第一多路选择器、加法器以及有效值转换模块，所述I-V转换模块的输入端与采样电阻连接，所述缓冲放大模块的输入端与被测模块连接，所述I-V转换模块和缓冲放大模块的输出端均与第一多路选择器的输入端连接，所述第一多路选择器的输出端与加法器以及有效值转换模块的输入端连接，所述加法器以及有效值转换模块的输出端均与主控单元的ADC端口相连接。

5.根据权利要求4所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述加法器和有效值转换模块与主控单元的ADC之间还连接有第二多路选择器。

6.根据权利要求4所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述信号采样单元测均压电容的时候使用外部的幅值检测或有效值检测电路获得电压电流的幅值或者有效值；测其他对象的时候，采用ADC直接对电压电流信号采样，利用软件方法还原并分析信号。

7.根据权利要求4所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述I-V转换模块为跨阻放大器。

8.根据权利要求1所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述显示单元用于显示阀段模块电路中的阳极电抗器的电感、阻尼电阻的阻抗、阻尼电容的容抗、或均压电容的容值。

9.根据权利要求1所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述总电源开关为船型开关，所述测量按键包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关均为不带锁开关，当第一开关和第二开关同时按下时，才输出激励信号，所述液晶屏为触摸屏，以人机交互控制主控单元。

10.根据权利要求1所述的阀段模块元件阻抗测试仪，其特征在于：所述外壳上还设有温湿度传感器，所述温湿度传感器与显示单元连接。

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