智能变电站无线相位伏安测试仪的研制与应用

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·技术探讨·

智能变电站无线相位伏安测试仪的研制与应用

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＶｏｌｔ－ａｍｐｅｒｅＰｈａｓｅＴｅｓｔｅｒｆｏｒＳｍａｒｔ

Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ

王海波汪诗经陆振坤涂鑫国牛俊琪陈超

（国网芜湖供电公司，安徽芜湖241000）

摘要：相量测试、核相在变电站设备投运中起着关键的作用，对电网的安全运行举足轻重。为方便在智能站或相应的间隔投运时经常出现的远距离相量测试、核相工作，研制出了一套继电保护无线相位伏安测试仪。该测试仪在常规功能的基础上集成无线功能，且外形小巧，能够将仪器各个部分分开整理，使用方便，便于携带，有效缓解了基层工作人员的繁琐、低效和紧张工况，提高了现场工作效率。

关键词：智能变电站；无线相位伏安测试仪；研制

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｏｌｔ－ａｍｐｅｒｅｐｈａｓｅｔｅｓｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｔｈｅｎｅｗｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓａｎｄｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｇｒｉｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆａｃｉｌｉｔａｔｅｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅｐｈａｓｅｔｅｓｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｏｆｔｈｅｎｅｗｓｍａｒｔｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ．ａｓｅｔｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｖｏｌｔ－ａｍｐｅｒｅｐｈａｓｅｔｅｓｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｗｉｒｅｌｅｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｈａｓａｓｍａｌｌｅｒｆｏｒｍ，ｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｕｓｅａｎｄｅｓａｙｔｏｃａｒｒｙ．Ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｏｎ－ｓｉｔｅｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｖｏｌｔ－ａｍｐｅｒｅｐｈａｓｅｔｅｓｔｅｒ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

随着我国电力工业的不断发展及新技术的广泛应用，智能变电站成为变电站的发展趋势，并成为智能电网的重要组成部分。随着智能变电站的日趋增多，一些在传统变电站普及的继电保护相位伏安测试仪、测试方法在智能变电站中表现出繁琐、低效。智能变电站的网络结构和信息传输原理与常规变电站存在很大的不同，其互感器二次采样交流模拟量在智能终端柜处就地转换成光数字信号，通过光缆传送到保护屏和网络层。在工作现场，电压互感器（ＴＶ）和电流互感器（ＴＡ）二次合并单元之间的距离有时较远，给二次交流量的测试带来了极大的不便。因此，为了方便智能变电站中远距离相量测试和核相工作，基于无线通信原理，研制出了一套继电保护无线相位伏安测试仪。

可达１００ｍ），常规伏安测试仪在远距离相量测试、核相工作中日益表现出繁琐和低效，极大降低了现场工作效率。

（２）传统测试方法在智能变电站中进行核相或测相量时的主要步骤如图１所示。目前在变电站内使用的相位伏安表均采用一个主机、多个输入的工作方式；由图１可知，这样的工作方式必然会导致步骤２和步骤４的耗时耗力与两个测量屏柜的物理距离紧密相关。当母线ＴＶ控制柜与线路（或主变压器）间隔控制柜的距离较远时，测量仪器的接线与调试需耗费大量的时间，也存在因试验线短／开路而造成设备或线路误跳闸的可能，一般须由２人及以上才能完成。

（３）由以上可见，常规的相位伏安测试仪在智能变电站中缺点突出，消耗大量的人力、时间和资金。

1现状调查

（１）据调查，目前针对智能变电站中相应间隔投运时出现的远距离相量测试、核相工作，仍然采用常规的相位测试仪。由于智能变电站中ＴＶ合并单元与相应间隔的合并单元距离较远（有的甚至

2设计思路及软硬件结构

2.1设计思路

为了解决常规相位伏安测试仪在远距离相量测试、核相工作中繁琐、低效问题，智能无线相位

2

检查两端试验接线和试验装置

第35卷第2期2018年6月

否

开始

准备试验装置和试验用线步骤１

试验线拉至母线汇控柜并接至电压

端子步骤２

试验线接至线路（或主变）间隔电流端子步骤３

电压电流是否正确？步骤４

是

开始向量测试

拆除各种试验用线，整理收纳步骤６

结束

步骤５

图１继电保护常规伏安测试仪测试步骤框图

伏安测试仪需实现以下功能目标。

（１）支持电压、电流等电参数模拟量的测量计算与数模转换功能；

（２）主机和从机能够独立工作，以实现常规变电站同一地点的相位测试、核相工作；

（３）具备无线通信功能，使主机测试仪与从机测试仪能够稳定连接与传输数据，实现不同位置间电压、电流的频率及幅值、相位等电参数的同步测量。2.2软硬件结构

无线相位伏安测试仪主要分为硬件系统和软件系统两部分。

（１）硬件系统包括电压／电流测量模块、处理器模块、电源模块、串行无线收发模块和显示模块。电压／电流测量模块主要完成交流信号的滤波、整

采样整形模块方波模块Ａ／Ｄ模块方波模块Ａ／Ｄ模块形、放大和采样；处理器模块主要对交流输入信号（包括从串行无线收发模块接收到的交流信号）进行分析计算；电源模块为装置其他各个模块提供电能；串行无线收发模块用于主机和从机之间的通信和控制；显示模块显示测量和分析结果以及指示装置的工作状态，各个模块的组成关系如图２所示，主机或从机的内部结构如图３所示。主机输入端口从机输入端口电压测量电路电流测量电路处理器显示器串行无线收发模块电压测量电路电流测量电路处理器串行无线收发模块显示器图２硬件系统模块组成关系图

电压５００Ｖ输入ＲＴＣ模块工作指示注：红色为电源能量方向电流１０Ａ输入采样整形模块外部存储器ＭＣＵ无线模块ＵＳＢ特串口锁存模块键盘按键数字供电液晶电源逻辑控制液晶显示充电模块ＵＳＢ接口模拟供电模拟电源数字电源电池图３装置内部构成图

（２）软件系统中，当测试仪遇到任一事件时，首先判断确定事件的类型，然后再进入相应的处理模块，同时将之前测量时缓存中的事件数据覆

盖，并清除具体事件和全局事件的标志，其流程如图４所示。

第35卷第2期2018年6月

王海波，等：智能变电站无线相位伏安测试仪的研制与应用

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入口具体事件判断Ｒ串按ＤＴ口无定键Ｍ捕通线时处捉处Ｃ信处器理处Ａ处处处模理理模理理理理块模块块模模模块块模块块事件数据缓存清空清具体事件、全局事件标志返回图４系统各类事件处理流程图

3关键技术及创新点

3.1基于真有效值原理的电压/电流精确测量

（１）真有效值法是通过对输入信号依次进行取绝对值—平方／除法—取平均值”运算而获得交流信号的有效值，这样方法既便于设计电路，也可对任意波形的有效值进行测量，而且不受信号频率的限制，在保证测量准确度的前提下测量范围会更广。

（２）采用真有效值法的核心是采用ＴＲＭＳ／ＤＣ转换器，目前市场上这类单片的集成芯片很多，具有功能较完善、电路连接简单、电性能指标更容易满足等诸多优点，可以保证二次交流量采样的快速性和准确性，从而保证核相或测相量结果的真实可靠。

3.2基于“固定延时+软件修正”的信号同步测量

（１）在串行速率固定、通信帧长固定的情况下，串行无线短波收发模块的延迟时间亦固定，且可算可测。通过使用空运算程序来消耗从机中芯片的一定运算周期，从而达到修改从机的固定延时长度，以此来消除此固定时差，使得从机与主机同一时刻启动测量。

（２）采用“固定延时＋软件修正”的方法，不仅可避免硬件延时所带来的庞大复杂电路模块，

而且还可随时根据装置测试情况对延时长度进行修改，使任意条件下主机和从机都能保持良好的同步测量，进而使核相或测相量的结果更能反映实际情况，为线路或主变压器间隔的投运奠定安

全基础。

3.3基于串行无线短波通信的相位伏安测试

（１）智能变电站中的核相或测相量工作一般在户外现场不同位置的互感器汇控柜上进行，不同汇控柜之间的距离有时会很远。通过无线通信的方式，可避免常规测试方法中长试验线缆的应用所带来的安全隐患和测试不便等问题。

（２）采用串行无线短波通信的方式，可满足变电站内远距离通信，具有通信连接时间较短、抗干扰能力强、功耗低、灵敏度高、传输速率快、通信可靠性高等优点。通过串行无线收发模块，从机测量结果可传送至主机，与主机测量结果比对完成核相或测相量的工作，可大大减轻工作人员的负担，保证了人身、设备和电网的安全稳定运行。

4现场试验结果

4.1现场无线通信测试

（１）将无线相位伏安测试仪带到２２０ｋＶ梦溪变电站现场，分别在空旷空间下以及有遮挡物条件下测试装置的无线信号接收电平和无线通信距离的关系，测试结果如表１所示。本测试仪的发射功率为１０ｄＢ（１０ｍＷ），工作频率为４３３．９２ＭＨｚ，无线接收灵敏度为－９４ｄＢ。

表1无线信号接收电平和无线通信距离的测试表

测试距离/m接收电平/dB

测试距离/m接收电平/dB

50

-59.250-74.3空旷100-65.2有遮挡100-80.2条件

200-71.2物条件

200-86.1300-74.7300-89.7350

-86.1

350

-91.2

（２）由表１可知，无线通信距离能够达到预期的目标，满足芜湖地区２２０ｋＶ和１１０ｋＶ智能变电站内相量测试、核相工作距离的需求。4.2某变电站110kV线路712启动送电测试

（１）变电站内运行方式为：１１０ｋＶ线路７１２运行在Ｉ母，１１０ｋＶ母联６００断路器在合位，由ＩＩ母向线路７１２送电。其中，线路７１２ＴＡ极性指向母线，母联ＴＡ极性由ＩＩ母指向Ｉ母。经测量，１１０ｋＶ线路７１２智能汇控柜距１１０ｋＶＩ母ＴＶ汇控柜

“4

５４．６ｍ，母联６００智能汇控柜和１１０ｋＶＩ母ＴＶ汇控柜距离为２３．２ｍ。分别使用传统相位伏安测试仪、无线相位伏安测试仪进行相量测试工作，其测试数据如表２、表３所示。

表2220kV某变电站110kV线路712相量测试结果

电压７１２电流７１２电流测试耗时

基准／Ｖ间隔幅值／Ａ间隔相位／°（ｍｉｎ＊人数）

传统相

Ｕ相

０．４５８Ｕ相６１．２位伏安６０．１

Ｖ相０．４６１Ｖ相１８２．５４４．３

测试仪Ｗ相０．４５５Ｗ相３００．０无线相Ｕ相

０．４５７Ｕ相６０．０位伏安５９．７

Ｖ相０．４６０Ｖ相１８２．５８．０测试仪

Ｗ相

０．４５７

Ｗ相

２９９．１

表3220kV某变电站110kV线路600相量测试结果

电压基母联间隔电流母联间隔电

测试耗时准/V

600幅值/A600流相位/°（min*人数）传统相位

U相

０．４６１U相２４０．６伏安测试６０．１

V相０．４６５V相２．２２５．１

仪W相０．４５４W相１１９．８无线相位U相

０．４６１U相２４１．２伏安测试

５９．７

V相０．４６８V相１．０６．５仪

W相

０．４５０

W相

２４０．５

（２）经测试，本无线相位伏安测试仪在使用过程中，主机和从机之间无线通信稳定，无掉线情况；且在远距离无线电流电压幅值、频率、相位测试中，使用简单，操作方便，节约了大量的人力、财力和物力。

5应用情况

目前我国的智能变电站建设正在全面展开，以芜湖地区为例，从２０１３年开始，仅仅三年的时间就已经投运了１２座新建智能变电站。２０１６年８月，本测试仪在芜湖地区２２０ｋＶ梦溪变电站１１０ｋＶ线路扩建工程中现场试验测试，３个线路间隔和１个主变压器间隔均能顺利完成核相和测相量，平均耗时７．８ｍｉｎ＊人数，相较于以往传统的牵引较长试验电缆的方法，大大减轻了工作人员的负担，提高了工作效率，从而表明本测试仪是一款十分实用的现场测试工具。借助该测试仪，保护人员极大提高了后期智能变电站的基建验收、老变

第35卷第2期2018年6月

电站的智能化改造验收中相量测试、核相环节的效率，实用性非常好。

6结语

相量测试在智能变电站设备新投运中起着关键作用，对电网的安全运行举足轻重。本项目的推广应用，将进一步提高设备的安全稳定运行，而且本项目可以节约大量的人力资源、时间成本，有效提高基层工作人员的现场工作效率。同时，测试仪外形小巧，能够将仪器各个部分分开整理，使用快捷，便于携带，对增强供电企业核心竞争力有着重要意义，也正是国家电网企业精神“努力超越、追求卓越”的具体体现。

（收稿日期：

２０１８－０３－０９）参考文献：

[1]国家电网公司运维检修部.国家电网公司十八项电网重

大反事故措施（修订版）[M].北京:中国电力出版社，2012.

[2]刘琼章，张征平，陈艳峰.电力信号相位测量方法之探讨

[J].电测与仪表.2004，41(6):17-20.

[3]刘子瑞，张根周，穆明建.非接触式无线高压核相器的研

制[J].电网与清洁能源.2009，25((4)16-19.

作者简介：

王海波（1989-），男，本科，工程师，现从事电力系统继电保护运维和检修工作；

汪诗经（1989-），男，安徽芜湖人，博士，工程师/技师，现从事电力系统继电保护运维和检修工作；

陆振坤（1984-），男，本科，工程师/技师，现从事电力系统继电保护运维和管理工作。