湯旭慧

摘 要： 系統(tǒng)用于對50 Hz交流電從A地經(jīng)數(shù)十千米（甚至數(shù)百千米）輸電線路輸送到B地后產(chǎn)生的電壓相角（或相位移）的在線測量。包括兩個功能完全相同的測試裝置：A號機(jī)和B號機(jī)，兩機(jī)在同步時鐘控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各記錄5 min左右數(shù)據(jù)后，分別將數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC機(jī)，通過NI/CVI LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行分析處理、計(jì)算并顯示輸出結(jié)果實(shí)現(xiàn)對電壓相角的及時監(jiān)控，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供有力保障。

關(guān)鍵字： 電壓相角； 對稱計(jì)數(shù)； 同步補(bǔ)償； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大容量、超高壓、遠(yuǎn)距離輸電日益增多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)控和保障需求日趨迫切。就近些年我國部分地區(qū)遭受罕見冰災(zāi)，導(dǎo)致輸電線路受損、甚至停運(yùn)的災(zāi)情來看，有效監(jiān)控電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)研究對突發(fā)災(zāi)情的預(yù)防和抗災(zāi)尤其重要。

從電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與系統(tǒng)控制來看，相角（或相位移）是反映系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要的狀態(tài)量，而其中電壓相角的大小直接反映了電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的狀況。如果相角能夠被準(zhǔn)確測量，一方面調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)能通過監(jiān)控電壓相角變化，及時發(fā)出調(diào)度命令；另一方面自動調(diào)節(jié)裝置能根據(jù)相角的變化控制發(fā)電機(jī)的功角，自動安全裝置可以采取緊急控制措施，如切機(jī)、甩負(fù)荷等，使系統(tǒng)受到的損害最小。這樣，相角這個狀態(tài)變量不僅能用于調(diào)度中心的集中監(jiān)控，也能用于分散的就地監(jiān)控以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，研究電力系統(tǒng)精確的相角測量技術(shù)，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)具有重要意義。

1 相角測量技術(shù)的國內(nèi)外研究概況

由于電壓相角的測量對電力系統(tǒng)具有重要意義，很早人們就開始探索各種測量電壓相角的方法。

早期的方法是將電網(wǎng)上送端的交流電壓波形通過專用通道傳送到受端處，并和受端處的電壓波形相比較、從而得出兩端的電壓相角。由于這種方法在異地通信傳輸上有很大的延時，造成測量精度不能滿足要求。

另一種方法是在電網(wǎng)上對兩點(diǎn)的電壓相位進(jìn)行同步采樣，將兩個采樣點(diǎn)的相位轉(zhuǎn)換值分別通過遠(yuǎn)程通道送到調(diào)度中心，經(jīng)波形恢復(fù)、數(shù)據(jù)分析比較而求得相角。這種方法要求異地兩個時鐘必須有較高的同步精度。由于電壓相角測量的是相距遙遠(yuǎn)的兩端點(diǎn)電壓之間的相位差，兩端采樣所使用的標(biāo)準(zhǔn)時鐘是有一定的誤差的，故測量的同步性以及信息在通信傳輸上（從送、受端某一端傳送到調(diào)度控制中心）的不等延時均會引起所測電壓相角的誤差?？梢运愠觯簩τ?0 Hz工頻量而言，1 ms的同步誤差即可產(chǎn)生18°的相位誤差。要保證相位誤差小于1°，就必須要求同步誤差不超過55 μs。所以，相角測量技術(shù)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)高精度同步的測量。

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的迅速出現(xiàn)，為研究電力系統(tǒng)電壓相角的測量技術(shù)提供了一種新的手段。對于在電網(wǎng)任意兩點(diǎn)上的采樣裝置而言，GPS系統(tǒng)提供的精確時間作為一個共同時間基準(zhǔn)。利用GPS定時進(jìn)行電壓相角測量的基本思路為：在送端和受端利用各GPS接收機(jī)產(chǎn)生的脈沖同步信號（如1 PPS），測出脈沖上升沿和50 Hz發(fā)電機(jī)電勢及母線電壓波形上升時過零點(diǎn)之間的時間，則電壓相角所對應(yīng)的實(shí)際時間為：

[t3=t2-t1±Δt]

其中，[Δt]為異地兩端的同步誤差；[t1]和[t2]為在異地兩端分別測得的時間。

經(jīng)編碼與測量時的時間一起，通過通信傳遞到同一個地方，如調(diào)度中心進(jìn)行計(jì)算得到電壓相角值。采用“共視法”實(shí)現(xiàn)GPS時間信號的傳遞進(jìn)行電壓相角測量的方案，如圖1所示。

圖1 采用“共視法”實(shí)現(xiàn)GPS時間信號的傳遞

進(jìn)行電壓相角測量的方案

這里所謂的“共視法”是指：在兩個觀測站或多個觀測站各設(shè)一臺GPS接收機(jī)，并同步觀測同一顆衛(wèi)星來測定兩用戶時鐘的相對偏差。利用GPS“共視法”進(jìn)行時間信號的傳遞，常常會受到如下因素的影響而產(chǎn)生誤差：衛(wèi)星時鐘相對GPS系統(tǒng)時的偏差（簡稱衛(wèi)星鐘差）、接收機(jī)時鐘與系統(tǒng)時的偏差、衛(wèi)星的軌道誤差、相對論效應(yīng)、大氣層效應(yīng)、電離層效應(yīng)、對流層延遲、接收機(jī)跟蹤環(huán)誤差、多徑與遮擋效應(yīng)、衛(wèi)星與接收機(jī)硬件偏差等等。雖然，“共視法”就是利用“對稱”的方法實(shí)現(xiàn)了消除衛(wèi)星鐘差的影響，同時明顯減弱衛(wèi)星的軌道誤差以及大氣效應(yīng)折射誤差的影響，但是其他因素的影響仍然存在，理論上所得相對鐘差可達(dá)數(shù)十個ns。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，據(jù)業(yè)界報道，現(xiàn)今利用上述方案對進(jìn)行電壓相角測試精度最高雖能達(dá)到1°的要求，但由于上述影響測試精度的因素很多，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會造成較大的測量誤差而不能滿足預(yù)定要求，導(dǎo)致工程成本非?？捎^（達(dá)上千萬元）；而且此測試方案只應(yīng)用于220 kV以上的電網(wǎng)中進(jìn)行粗密度測量，應(yīng)用范圍有限。

2 基于“對稱計(jì)數(shù)與同步補(bǔ)償”思路的電壓相角

測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑒于上述情況，投入研發(fā)新型的電力線路電壓相角測試儀。旨在研究一種經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用的測量方法，實(shí)現(xiàn)對電壓相角參數(shù)測試技術(shù)的補(bǔ)充，著重解決GPS技術(shù)存在的不足：如何降低測試成本；嘗試應(yīng)用于220 kV以下的電網(wǎng)中進(jìn)行對電壓相角的精密度測量。

這里提出了一種基于“對稱計(jì)數(shù)與同步補(bǔ)償”的思路，以實(shí)現(xiàn)異地高精度同步采樣實(shí)現(xiàn)電壓相角的測量。即A、B裝置經(jīng)在同一地進(jìn)行同步清零后，分別在A、B地同時進(jìn)行“對稱計(jì)數(shù)”，通過鎖定和分析計(jì)數(shù)歷時時間來確認(rèn)同步采樣的起始時刻，配合準(zhǔn)確測定計(jì)數(shù)時鐘系統(tǒng)誤差與一致性誤差等因素，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的“同步補(bǔ)償”從而達(dá)到高精度同步采樣電壓波形的目的；得到的采集數(shù)據(jù)利用NI/CVI LabVIEW開發(fā)平臺等高技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了電壓相角的自動測量、分析、顯示等多種功能。此系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路可闡述如下。

2.1 基于“對稱計(jì)數(shù)與同步補(bǔ)償”的思路實(shí)現(xiàn)異地高精度同步工作

這部分也就是要重點(diǎn)解決的技術(shù)關(guān)鍵問題和創(chuàng)新點(diǎn)。如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

2.1.1 測定時鐘源的系統(tǒng)誤差和一致性誤差

本系統(tǒng)包括功能相同的兩個測試裝置A號機(jī)和B號機(jī)，擬定它們均使用同型號同批次的高穩(wěn)定度、高精度恒溫晶振20 MHz作為時鐘源。通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析研究影響時鐘穩(wěn)定度、一致性偏差的因素，建立合理的誤差數(shù)學(xué)模型，以確保及時對同步時鐘進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

2.1.2 A、B機(jī)在同一地進(jìn)行統(tǒng)一同步清零并啟動“對稱計(jì)數(shù)”

在同一地同一時刻，使用同一同步脈沖對A、B機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行同步清零。注意：這個同步是絕對的同步。從此刻開始，兩機(jī)分別對各自的時鐘進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。假設(shè)A機(jī)就放置在A站準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，而B機(jī)將長途運(yùn)送到B站。

2.1.3 “對稱計(jì)數(shù)”狀態(tài)下A、B機(jī)進(jìn)行同步采樣

此時，A機(jī)和B機(jī)都已經(jīng)分別在A站和B站準(zhǔn)備就緒，只等待采樣命令的發(fā)出。當(dāng)分處異地的兩機(jī)上的“采樣開始鍵”按下后，A、B機(jī)將“同時”開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。注意：實(shí)際上A、B機(jī)上的按鍵不可能同時按下。如何解決這個問題？由于A、B機(jī)在絕對同步之后一直都處于累計(jì)計(jì)數(shù)的狀態(tài)——即“對稱計(jì)數(shù)”狀態(tài)，注意：最長計(jì)數(shù)時間為12 h，應(yīng)能滿足實(shí)際測量需要。當(dāng)“采樣開始鍵”按下的瞬間，A、B機(jī)將此時的歷時時間計(jì)數(shù)值鎖存（注意A、B機(jī)仍然還處于計(jì)數(shù)狀態(tài)），這樣A、B機(jī)就將自絕對同步清零操作開始至“采樣開始鍵”按下止的歷時時間數(shù)據(jù)記錄下來并送入各自的微處理器，這個數(shù)據(jù)也就是A、B機(jī)各自數(shù)據(jù)采集開始的準(zhǔn)確時間。

圖2 基于“對稱計(jì)數(shù)與同步補(bǔ)償”的思路

實(shí)現(xiàn)異地高精度同步工作過程

2.1.4 “同步補(bǔ)償”實(shí)現(xiàn)高精度同步

當(dāng)A，B機(jī)經(jīng)歷了5 min的數(shù)據(jù)采集和存儲后，可以將存儲的數(shù)據(jù)上傳入PC機(jī)上的NI/CVI開發(fā)平臺進(jìn)行分析。根據(jù)被記錄的歷時時間數(shù)據(jù)，經(jīng)過歷時時間分析比較，并配合時鐘源的系統(tǒng)誤差和一致性誤差進(jìn)行“同步補(bǔ)償”，找到A、B機(jī)在絕對同一時間段的有效采樣數(shù)據(jù)段，然后再進(jìn)行分析和波形恢復(fù)，從而計(jì)算出電壓相角參數(shù)。

2.2 新型電力線路電壓相角測試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)原理

本測試系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)和電壓相角測試系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，兩者通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電壓相角測試系統(tǒng)將從兩地采集到的數(shù)據(jù)分別上傳到上位PC機(jī)，通過NI/CVI內(nèi)置強(qiáng)大的測試分析和顯示功能進(jìn)行科學(xué)地分析、處理，經(jīng)過有效計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)同一時間段的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確對齊并實(shí)現(xiàn)波形恢復(fù)，從而計(jì)算相角參數(shù)。

電壓相角測試系統(tǒng)則主要由如圖3所示的六個模塊構(gòu)成：CPU處理單元ATMEGA128L、鍵盤輸入控制模塊、液晶顯示模塊、計(jì)數(shù)單元、高速采樣模塊及存儲單元構(gòu)成。

其中，系統(tǒng)采用具有12 位精度、內(nèi)置6通道采樣/保持放大器、雙極性輸入的A/D轉(zhuǎn)換器——ADS7864，在高精度同步時鐘的控制下，實(shí)現(xiàn)采集電力線路的電壓波形數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用AT45DB321D 4M FLASH存儲器實(shí)現(xiàn)在一個采樣脈沖周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)的采樣和科學(xué)存儲，以完成實(shí)時性較高的數(shù)據(jù)存儲任務(wù)（注意總采樣時間為5 min左右）。

系統(tǒng)的計(jì)數(shù)單元由時鐘源、異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、歷時時間鎖存模塊及串并轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。此單元確保計(jì)算出A、B裝置各自數(shù)據(jù)采集開始的準(zhǔn)確時間、并且輸出采樣脈沖支持高速采樣。計(jì)數(shù)單元還具有一清零輸入端口，該清零輸入端口可輸入同步脈沖，從而進(jìn)行同步清零。

圖3 電力線路電壓相角測試裝置設(shè)計(jì)框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)原理框圖進(jìn)行了各個模塊的電路設(shè)計(jì)制作與調(diào)試，具體包含：ATMEGA128單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FLASH接口模塊、計(jì)數(shù)鎖存與上傳系統(tǒng)模塊、計(jì)數(shù)清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試之后，進(jìn)行了上位機(jī)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)通信、界面顯示與控制、數(shù)據(jù)分析、波形恢復(fù)、同步補(bǔ)償與計(jì)算等功能軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試。

3.1 定制晶振的系統(tǒng)誤差測試

采用東莞市大普通信技術(shù)有限公司定制生產(chǎn)的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細(xì)原理框圖

按照如圖5所示設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)硬件電路，完成制板和硬件調(diào)試。在這個實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設(shè)置每連續(xù)5 min、10 min和20 min三種時間段計(jì)數(shù)后進(jìn)行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計(jì)數(shù)一致性誤差。

（2） 設(shè)置每連續(xù)1 h計(jì)數(shù)后再進(jìn)行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數(shù)據(jù)，測試其誤差累積結(jié)果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)測試：分別進(jìn)行每連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進(jìn)行一次同步清零的測試。

經(jīng)過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為0；4～8 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項(xiàng)目的應(yīng)用要求。并將系統(tǒng)誤差用于同步補(bǔ)償中。

3.2 基于本系統(tǒng)的電壓相角測試過程

首先系統(tǒng)上電初始化。主要完成系統(tǒng)主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進(jìn)行頁擦除工作。

當(dāng)完成初始化工作后，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，這時用戶可以開始進(jìn)行測試工作。系統(tǒng)提示用戶“請選擇按鍵”。

當(dāng)用戶按下“開始”鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程：當(dāng)用戶按下“結(jié)束”鍵后，則完成了數(shù)據(jù)采集過程。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中，則按下“上傳”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入基于串行通信的采樣數(shù)據(jù)上傳過程，這需要一段時間。

當(dāng)數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，系統(tǒng)提示用戶。后續(xù)則是在VI程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理的過程，最終得出相角差的結(jié)論。上位機(jī)測試結(jié)果如圖6，圖7所示，經(jīng)多次實(shí)踐測試，本系統(tǒng)成本低、工作穩(wěn)定可靠、測試精度滿足實(shí)際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關(guān)參數(shù)測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結(jié) 論

由于該測試系統(tǒng)成本低廉、應(yīng)用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數(shù)測試的發(fā)展方向，可廣泛應(yīng)用于各級供電部門和各個發(fā)電廠的電力線路參數(shù)測試、維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定，并且可輔助管理者科學(xué)地分析供電質(zhì)量、測試電網(wǎng)污染、掌握設(shè)備節(jié)能降耗的潛力，從而有效地抗災(zāi)救災(zāi)、促進(jìn)和推動節(jié)能降耗工作的開展。對促進(jìn)繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將具有很大的推動作用，具有深遠(yuǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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圖3 電力線路電壓相角測試裝置設(shè)計(jì)框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)原理框圖進(jìn)行了各個模塊的電路設(shè)計(jì)制作與調(diào)試，具體包含：ATMEGA128單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FLASH接口模塊、計(jì)數(shù)鎖存與上傳系統(tǒng)模塊、計(jì)數(shù)清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試之后，進(jìn)行了上位機(jī)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)通信、界面顯示與控制、數(shù)據(jù)分析、波形恢復(fù)、同步補(bǔ)償與計(jì)算等功能軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試。

3.1 定制晶振的系統(tǒng)誤差測試

采用東莞市大普通信技術(shù)有限公司定制生產(chǎn)的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細(xì)原理框圖

按照如圖5所示設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)硬件電路，完成制板和硬件調(diào)試。在這個實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設(shè)置每連續(xù)5 min、10 min和20 min三種時間段計(jì)數(shù)后進(jìn)行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計(jì)數(shù)一致性誤差。

（2） 設(shè)置每連續(xù)1 h計(jì)數(shù)后再進(jìn)行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數(shù)據(jù)，測試其誤差累積結(jié)果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)測試：分別進(jìn)行每連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進(jìn)行一次同步清零的測試。

經(jīng)過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為0；4～8 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項(xiàng)目的應(yīng)用要求。并將系統(tǒng)誤差用于同步補(bǔ)償中。

3.2 基于本系統(tǒng)的電壓相角測試過程

首先系統(tǒng)上電初始化。主要完成系統(tǒng)主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進(jìn)行頁擦除工作。

當(dāng)完成初始化工作后，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，這時用戶可以開始進(jìn)行測試工作。系統(tǒng)提示用戶“請選擇按鍵”。

當(dāng)用戶按下“開始”鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程：當(dāng)用戶按下“結(jié)束”鍵后，則完成了數(shù)據(jù)采集過程。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中，則按下“上傳”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入基于串行通信的采樣數(shù)據(jù)上傳過程，這需要一段時間。

當(dāng)數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，系統(tǒng)提示用戶。后續(xù)則是在VI程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理的過程，最終得出相角差的結(jié)論。上位機(jī)測試結(jié)果如圖6，圖7所示，經(jīng)多次實(shí)踐測試，本系統(tǒng)成本低、工作穩(wěn)定可靠、測試精度滿足實(shí)際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關(guān)參數(shù)測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結(jié) 論

由于該測試系統(tǒng)成本低廉、應(yīng)用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數(shù)測試的發(fā)展方向，可廣泛應(yīng)用于各級供電部門和各個發(fā)電廠的電力線路參數(shù)測試、維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定，并且可輔助管理者科學(xué)地分析供電質(zhì)量、測試電網(wǎng)污染、掌握設(shè)備節(jié)能降耗的潛力，從而有效地抗災(zāi)救災(zāi)、促進(jìn)和推動節(jié)能降耗工作的開展。對促進(jìn)繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將具有很大的推動作用，具有深遠(yuǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[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.

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[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] 劉光輝，范士鋒，劉海波.高壓輸電線路工頻阻抗的抗干擾測試[J].山東電力技術(shù)，2004，132（4）：66?68.

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[8] 周飛，沈明，王志浩，等.基于C8051的電力變壓器短路電抗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（9）：158?160.

[9] 盧惠輝，蘇成悅，張文嘉.電力系統(tǒng)諧波負(fù)載模型分析與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：115?118.

[10] 李家生，劉大茂，孫旭飛.低壓電力線信道阻抗測量與匹配[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（7）：161?163.

圖3 電力線路電壓相角測試裝置設(shè)計(jì)框圖

3 新型電力線路電壓相角測試儀的研制與測試

這里按照如圖4所示的本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)原理框圖進(jìn)行了各個模塊的電路設(shè)計(jì)制作與調(diào)試，具體包含：ATMEGA128單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)模塊（含輸入/輸出接口、串行通信接口等）、前端調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FLASH接口模塊、計(jì)數(shù)鎖存與上傳系統(tǒng)模塊、計(jì)數(shù)清零模塊、電源模塊。完成整個硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試之后，進(jìn)行了上位機(jī)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)通信、界面顯示與控制、數(shù)據(jù)分析、波形恢復(fù)、同步補(bǔ)償與計(jì)算等功能軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試。

3.1 定制晶振的系統(tǒng)誤差測試

采用東莞市大普通信技術(shù)有限公司定制生產(chǎn)的兩個型號為DAPU O23A?ECDN?20 MHz高精度恒溫晶振進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。這一對晶振的頻率精確度分別為[-0.85×10-8，][0.435×10-8，]日老化率分別為[3.67×10-10，][4.35×10-10。]

圖4 電力線路電壓相角測試裝置詳細(xì)原理框圖

按照如圖5所示設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)硬件電路，完成制板和硬件調(diào)試。在這個實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行兩個恒溫晶振的一致性誤差測試：

（1） 等時間間隔測試：在分別設(shè)置每連續(xù)5 min、10 min和20 min三種時間段計(jì)數(shù)后進(jìn)行一次同步清零的情況下，測試兩個高精度恒溫晶振的計(jì)數(shù)一致性誤差。

（2） 設(shè)置每連續(xù)1 h計(jì)數(shù)后再進(jìn)行一次同步清零的情況下測試，在此期間，每5 min或10 min記錄一次數(shù)據(jù)，測試其誤差累積結(jié)果是否具有線性特征。

圖5 恒溫晶振一致性誤差測試平臺

（3） 連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)測試：分別進(jìn)行每連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、8 h、15 h再進(jìn)行一次同步清零的測試。

經(jīng)過多方式多輪測試，這兩個高精度晶振可以保證在4 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為0；4～8 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為409.6 μs；8～15 h連續(xù)計(jì)數(shù)拷機(jī)工作下一致性誤差為819.2 μs；可以滿足本項(xiàng)目的應(yīng)用要求。并將系統(tǒng)誤差用于同步補(bǔ)償中。

3.2 基于本系統(tǒng)的電壓相角測試過程

首先系統(tǒng)上電初始化。主要完成系統(tǒng)主要芯片部件的初始化，其中要對FLASH整個芯片進(jìn)行頁擦除工作。

當(dāng)完成初始化工作后，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，這時用戶可以開始進(jìn)行測試工作。系統(tǒng)提示用戶“請選擇按鍵”。

當(dāng)用戶按下“開始”鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程：當(dāng)用戶按下“結(jié)束”鍵后，則完成了數(shù)據(jù)采集過程。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集過程中已存儲到FLASH中。此時系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行下一步驟的操作。

用戶需要將采集到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中，則按下“上傳”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入基于串行通信的采樣數(shù)據(jù)上傳過程，這需要一段時間。

當(dāng)數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，系統(tǒng)提示用戶。后續(xù)則是在VI程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理的過程，最終得出相角差的結(jié)論。上位機(jī)測試結(jié)果如圖6，圖7所示，經(jīng)多次實(shí)踐測試，本系統(tǒng)成本低、工作穩(wěn)定可靠、測試精度滿足實(shí)際需求。

圖6 本地電力線路電壓信號相關(guān)參數(shù)測試

圖7 兩地電力傳輸電壓相角差的測試

4 結(jié) 論

由于該測試系統(tǒng)成本低廉、應(yīng)用廣泛、測量精度高、操作簡單，并且體積小、重量輕、攜帶方便，符合未來電力線路參數(shù)測試的發(fā)展方向，可廣泛應(yīng)用于各級供電部門和各個發(fā)電廠的電力線路參數(shù)測試、維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定，并且可輔助管理者科學(xué)地分析供電質(zhì)量、測試電網(wǎng)污染、掌握設(shè)備節(jié)能降耗的潛力，從而有效地抗災(zāi)救災(zāi)、促進(jìn)和推動節(jié)能降耗工作的開展。對促進(jìn)繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將具有很大的推動作用，具有深遠(yuǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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[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.

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[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.

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[7] 聶桂根，劉經(jīng)南.GPS測時在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2005（4）：103?104.

[8] 周飛，沈明，王志浩，等.基于C8051的電力變壓器短路電抗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（9）：158?160.

[9] 盧惠輝，蘇成悅，張文嘉.電力系統(tǒng)諧波負(fù)載模型分析與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：115?118.

[10] 李家生，劉大茂，孫旭飛.低壓電力線信道阻抗測量與匹配[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（7）：161?163.