基于DSP的高压电容型电力设备介质损耗因数测量系统

基于DSP的高压电容型电力设备介质损耗因数测量系统朱宝森;司昌健;陈庆国;王新宇
【摘要】介质损耗因数是反映电力系统中高压容性设备绝缘状况的重要参数,通过对介损因数的测量可以及时发现电力设备中的绝缘受潮、劣化变质与局部缺陷等问题.从而保证电力系统的安全运行.本文阐述了介质损耗因数测量的基本原理.并且以TI公司TMS320F2812 DSP为控制与处理核心,对系统的各部分进行了设计,包括:信号传感、调理、采集和校准等单元.测试结果表明.本文所设计的硬件系统和算法具有较好的介质损耗因数测量准确度和抗干扰能力等优点.
【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》
【年(卷),期】2010(015)006
【总页数】5页(P21-24,29)
【关键词】介质损耗因数;测量;TMS320F2812;DSP
【作者】朱宝森;司昌健;陈庆国;王新宇
【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;吉林省电力科学研究院,吉林长春130021;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080
【正文语种】中文
【中图分类】TM930.2
0 引言
电容型电气设备主要是指电流互感器、电压互感器、套管、耦合电容等设备.电气
设备的安全可靠运行是实现整个电力系统稳定运行的基础，而电气设备（尤其是高压设备）事故大部分是由于绝缘故障而引起的.因此，及时有效地发现绝缘缺陷对
于保障电网的安全运行具有重要意义［1］.
介质损耗是衡量电容型设备绝缘水平的一项重要指标，而介质损耗因数ta nδ则是反映介质损耗大小的特征参量，经验证明，对于体积较小的电容型设备，测量其整体绝缘介质损耗因数tanδ可较灵敏地发现设备中的局部缺陷、受潮和劣化变质等现象.因此，测量tanδ对于判断电容型设备的绝缘状况十分重要［2］.
1 基本原理
在交流电场下的绝缘介质，由于介质电导、电介质极化和局部放电等原因，在其内部都有能量损耗，因此，在施加一个正弦电压U时通过介质的电流I并不是超前
于电压π/2角度，而是φ角度，介质损耗角δ=（π/2）－φ.只要求出电压与电流的初始相位和幅值，利用数学知识就可得到介质损耗因数的值［3］.本文采用谐波分析法完成对tanδ的测量.
谐波分析法测量tanδ的基本原理是:对由电压、电流互感器获取的被测设备的电压、电流信号进行等间隔同步采样，对采样得到的电压、电流数据进行谐波分解，求出基波电压信号与基波电流信号之间的相位差，最后再根据这个相位差与介质损耗角之间的关系求出介质损耗因数的值.
在实际测量中，由于各种影响因素的存在，不可能严格地实现同步采样.所以，同
步采样将会给测量结果带来较大的误差，为了减小误差，本文采用准同步算法对采样数据进行处理，关于准同步算法参见文［4］.
2 硬件电路设计
传统的介质损耗测量装置大多采用MCS51和8096系列微控制器作为CPU，其
优点是结构简单、实现方便、成本低、但是同时也具有处理能力较差、可扩展存储
空间小、运算速度较慢等缺点，难以完成较复杂的算法.考虑到在介质损耗测量系
统中，算法比较复杂、计算的点数多、计算量很大、精确度要求高，普通单片机不能满足较高的运算速度与精确度的要求，而DSP具有高速实时信号处理能力，计
算速度快、精确度高、与外部设备的接口也十分方便，因此本文采用美国TI公司
生产的TMS320F2812 DSP作为系统的CPU来实现对信号采集的控制以及采样
数据的处理.
TMS320F2812是美国TI公司新推出的一种32位定点DSP芯片，它既具有数字
信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合［5］.本文将利用TMS320F2812强大的数据处理能力来
实现对介质损耗因数的测量.
系统原理框图如图1所示.系统以DSP为核心，控制对电压电流信号的采样、处理、显示、与上位机进行通信以及其他外围电路的工作.A/D采样得到的信号在DSP中经过处理，得到电压与电流的基波相位和幅值并求得tanδ.测量结果通过显示设备显示或上传到上位机以进行进一步的分析处理.
图1 系统原理框图
2.1 互感器
在实际测量中，必须对输入的电压电流信号进行必要的处理，使之满足A/D的输
入要求.系统选用霍远科技生产的HPT225A电压互感器和HCT204AF电流互感器来获取被测电压电流信号.HPT225A采用高隔离度耐冲击的全树脂密封，精密小巧.它的额定输入电流为2mA，额定输出电流为2mA.使用时要将原边电压信号变换
为电流信号，需在原边串联一个合适的限流电阻.
电压互感器应用电路如图2所示，调节电阻R2的值即可得到合适的输出电压.电
容C2和电阻R3用来补偿相移，电容C3的作用是去耦和滤波，图中所有的电阻
均采用精密电阻.电流互感器HCT204AF的额定输入电流为5A，额定输出电流为
2.5mA，用法与电压互感器类似.
图2 电压互感器电路
2.2 校准电路
在被测信号进入A/D之前，要经过放大、滤波等信号调理电路，这些电路会产生
附加相位差，导致测量误差的增大.因此，引入一路校准信号来消除系统内部的附
加相位差的影响.在测量开始前，先将校准信号施加到系统的输入端，计算得到校
正值，然后再切换到被测信号，在完成对介损因数的测量后，利用校正值对测量结果进行校正.被测信号与校准信号之间的切换通过开关电路来完成.
如图3所示为开关电路，采用NEC公司生产的EC2－12NJ继电器来实现开关功能.由DSP控制继电器实现对系统的校准［6］.在DSP与继电器之间采用光耦
TLP521进行隔离.
图3 开关电路
2.3 信号调理电路
如图4所示，信号调理电路主要由50Hz有源带通滤波电路和放大电路组成.可以
通过改变电阻R19和R20的值来得到合适的放大倍数.如有需要，可再加入一级电压跟随电路来增大系统的输入阻抗，提高抗干扰能力.
图4 信号调理电路
2.4 A/D转换器
系统选用AD7657做为A/D转换芯片，AD7657是美国AD公司的一款高集成度、双极性、6通道、14位并行输出（串行可选）、同步采样的逐次逼近型模数转换器，该芯片基于iCMOS工艺制造，可满足工业领域对高分辨率、多通道、低功耗的要求，并且可直接与数字信号处理器TMS320F2812连接.
图5所示为 AD7657与 DSP的接口电路.AD7657采用+5V的数字电源（DVcc）和模拟电源（AVcc）供电，同时该器件的VDD接+15V，VSS接－15V电源.应
注意，AD7657的每个电源引脚以及REFCAPA、B、C引脚都需要接10μF和
100nF的去耦电容对.
图5 DSP与AD7657的接口电路
系统中AD7657使用自带的片上振荡器来执行转换，转换时间为3μS.H/S引脚接地，选择硬件工作模式.SER/PAR引脚接地，选择并行接口模式.RANGE引脚接地，选择±10V的输入电压范围.W/B引脚接地，使能字模式.利用DSP的PWM1口控制A/D的6路通道同时进行采样，AD7657的读、写、片选和复位等信号均由DSP产生［7］.
由于系统需要6路同步采样，并且每周期采样点数较多，TMS320F2812自身带
有两块4k×16位的SRAM和一块8k×16位的DRAM不能满足满足系统对RAM 容量的要求，所以，系统需要外扩存储，系统外扩的存储器芯片为IS61LV25616，大小为256k×16位.该芯片为3.3V供电，可以直接与TMS320F2812接口.
2.5 其他电路
除了以上的基本模块外，系统中还有一些辅助电路，如上位机通信、显示以及键盘输入等.键盘通过HD7279驱动芯片与DSP相连，DSP接受不同的键盘中断代码，完成相应的操作.
通信设备实现DSP芯片与外设之间的数据传输，把输出的数据或图形传输到显示
设备或者上位机中，实现良好的人机交流.
3 软件设计
本系统是在CCS环境下，利用C语言编程实现的.软件部分主要由采样控制、数据处理、DSP与上位机、显示设备、键盘的通信等程序组成.
系统的主程序流程如图6所示，系统初始化后判断是否存在键盘中断，如果有，
则根据键盘中断代码执行相应的中断子程序，如果不存在键盘中断则开始进行数据采样，在判断模数转换已经完成后，将采集到的数据送入数据处理模块子程序，完
成对tanδ的计算，然后将结果通过显示模块显示或通过串口上传至上位机.之后重复以上过程.
图6 主程序流程图
在采样中断子程序中，采样触发信号使程序开始进入采样，每采样一次，计数器就加1，然后判断采样点数是否满足要求，如果没有满足，则继续采样，直到采样点数满足要求，然后由DSP对采样数据进行处理，如图7所示［8］.
图7 A/D中断程序流程图
4 实验结果
为了验证准同步采样的谐波分析法用于介质损耗因数测量的效果以及测量系统的精确度，进行了模拟实验，实验电路如图8所示，其中电容Cx值为66.5μF，通过改变电阻Rx的值测得不同的介质损耗值，实验结果如表1所示.由实验数据可以看出，系统绝对误差小于0.0201%，具有较高的精确度.
图8 实验电路
表1 实验结果Rx值/kΩ 理论值/% 测量值/% 误差/%9.900 0.483 5 0.49 0.006 5 4.948 0.967 4 0.98 0.012 6 3.298 1.451 4 1.46 0.008 6 2.470 1.937 9 1.95 0.012 1 1.978 2.419 9 2.44 0.020 1 1.648 2.904 5 2.91 0.005 5
5 结语
随着电力系统对供电稳定性和可靠性要求的提高，人们对电容型设备的绝缘提出了比以往更高的要求.本系统选用TMS320F2812作为主控芯片，集成度高、速度快.在数据处理上，采用准同步算法与谐波分析法相结合的办法，有效提高了系统的抗干扰能力和测量精确度，具有很好的实用价值.
参考文献:
【相关文献】
［1］李国庆，庄重，王振浩.电容型电气设备介质损耗角的在线监测［J］.电网技术，2007，31（7）:55 －58.
［2］梅茹，黄洪全.基于DSP的介质损耗变频测量装置的研制［J］.自动化技术与应用，2007，26（7）:92 －96.
［3］邱昌容，曹晓珑.电气绝缘测试技术［M］.北京:机械工业出版社，2002.
［4］戴先中.准同步采样及其在非正弦功率测量中的应用［J］.仪器仪表学报，1984，5（4）:390 －396.
［5］徐科军，张瀚，陈智渊.TMS320X281X DSP原理与应用［M］.北京航空航天大学出版社，2006.
［6］NEC Data Sheet.Miniature Signal Relay EC2 Series［Z］.4th Edition，1999.
［7］Analog Devices Preliminary Technical Data Sheet.250kSPS，6 －Channeal，Simultaneous Sampling，Bipolar 12/14/16 － Bit ADC［Z］.Analog Devices Preliminary Technical Data sheet，2006.
［8］苏奎峰，吕强，常天庆，张永秀.TM320X281X DSP原理及C程序开发［M］.北京航空航天大学出版社，2008.。