基于ARM Cortex-M3内核的带录波功能消谐装置设计

基于ARM Cortex-M3内核的带录波功能消谐装置设计

王其林1，冯宗建1，张文1，黄基放1

（1 南方电网深圳供电局有限责任公司变电一所，广东 深圳 518000）

摘要: 本文在分析了国内外谐波检测技术的现状和发展方向的基础上，对电力系统中PT二次侧谐波监测、录波、消谐及其装置的实现进行了研究及设计，选择低功耗高性能Cortex-M3内核高速单片机作为核心处理器，设计并实现了带录波功能消谐装置，完成谐波监测、铁磁谐振阻尼、谐振前后电量录波、多种模式通信等功能。

关键词: 铁磁谐振;谐波; 过电压; 消谐装置; 阻尼电阻

—1—

0引言

根据统计数据显示，在电网中最频繁过电压故障，其在所有的事故中占比最多，严重影响系统的安全运行，其过电压的有外部过电压和内部过电压两种表现形式，譬如雷击就是常见外部过电压，其同部过电压主要是指谐振过电压、工频电压升高、操作过电压。

在电力系统应用中电阻和电容设备呈线性参数特性，而感性设备存在三种参数特性，在实际电力系统应用中，感性设备应用非常广泛，比如电压互感器、变压器等，这些感性设备与系统线路对地电容很容易形成振荡回路，而随着电力电子技术在电力设备中广泛应用，电力设备的非线性用电增多，大多都能产生谐波，在系统很容易出现电磁扰动，使感性设备与系统线路对地电容很容易形成振荡回路被激发成谐振现象，不同系统参数配置会出现不同类型的谐振过电压。尤其是PT铁磁谐振频繁发生，因为谐振时会产生过电压，严重威胁电力系统安全及其二次设备的正常运行，在实际应用中，铁磁谐振过电压可以在3～220千伏的任何系统中发生，特别是在35千伏及以下的电网中，几乎所有的内部过电压事故均由铁磁谐振引起，其铁磁谐振引起的过电压持续时间长，甚至可能长期存在。在分频谐振时，一般过电压并不高，但是PT的电流大，易使PT过热而爆炸；基波和倍频谐振时，一般电流不大，但是过电压很高，常使设备绝缘损坏，造成恶性事故，参考文献【1】中就指出在配电网中90%的破坏性故障为谐振过电压故障。

现有常用的微机消谐装置由于存储的数据量有限，均不具备有对故障前后的数据积累，为了解决上述技术问题，本文提出带录波功能消谐装置，属于新型智能化电力谐振消除装置，能迅速地消除各种频率的铁磁谐振,准确率高，数据完整便于故障分析，同时可根据用户需要将相关信息通过通讯接口传给上级监控系统，适用于无人值守变电站。

1铁磁谐振基本原理及特点

电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的，如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并或串联电容器组、高压设备的寄生电容为电容元件，而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容，这些元件组成复杂的LC震荡回路，在一定的能源作用下，特定参数配合的回路，诸如变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等与系统的电容元件形成共谐条件，激发持续的铁磁谐振，是电力系统常见的铁磁谐振现象，其使系统产生谐振过电压的表现，其铁磁谐振是由工频电源的能量供给得以维持，如果进行抑制或消耗这部分能量，铁磁谐振就可以抑制或消除。

发生铁磁谐振的主要原因是由于铁磁电感的磁通和电流之间的非线性关系，电压升高导致铁芯电感饱和所致。在中性点不接地系统中，如果不考虑线路的有功损耗和相间电容，仅考虑电压互感器L与线路的对地电容C0，当C大到一定值，目电压互感器不饱和时，感抗XL大于容抗XC0。而当电压互感器上电压上升到一定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗XL小于容抗XC0，这样就构成了谐振条件，下列几种激发条件可以造成铁磁谐振：

a.电压互感器的突然投入。

b.线路发生单相接地。

c.系统运行方式的突然改变或电气设备的投切。

d.系统负荷发生较大的波动。

e.电网频率的波动。

f.负荷的不平衡变化等。

其铁磁谐振其主要特点为：谐振回路中铁心电感为非线性的，电感量随电流增大、铁心饱和而下降；铁磁谐振需要一定的激发条件，使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等；铁磁谐振过电压一般不会非常高，过电压幅值主要取决于铁心电感的饱和程度；铁磁谐振存在自保持现象。激发因素消失后，铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在。

2铁磁谐振的分类

铁磁谐振从电压等级来分，一类是在66kv以及下中性点绝缘的电网中，由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合，在系统电压大扰动（如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等）作用下而激发产生的铁磁谐振现象；另一类是发生在220kv（或110kv）变电站空载母线上，当用其带断口均压电容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充电过程中，或切除（含保护整组传动联跳）带有电磁式电压互感器的空母线时，操作暂态过程使连接在空母线上的电磁式电压互感器组的一相、两相或三相激发产生的铁磁谐振现象，即串联谐振，简单地讲就是由高压断路器电容与母线电压互感器的电感耦合产生谐振由于谐振波仅局限于变电站空载母线范围内，也称其为变电站空母线谐振。

铁磁谐振从波形频率上有三种表现形式：

（1）基波谐振：一相对地电压降低，另两相对地电压升高超过线电压，或两相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出；

（2）分次谐波：三相对地电压同时升高、低频变动；

（3）高次谐波：三相对地电压同时升高超过线电压。

3带录波功能消谐装置的硬件实现

3.1硬件结构框图

图1：硬件结构框图

本文所研究的带录波功能消谐装置，用于变电站及电厂电压谐波监测及二次消谐等场合，主要包括数据检测模块、开关量输入输出模块、管理控制CPU单元、录波控制单元、数据存储单元、人机界面、通信模块，完成谐振监测、消谐和录波三大功能，用实现谐振外界激发条件以及谐振发生前征兆的捕捉、精准消谐故障、故障分析目的。

3.2 数据检测模块实现原理

数据检测模块完成将输入PT电量信号转换成数字信号送给CPU单元用于进行输入数据进行运算的功能，包括电量变换、运算放大、输出限流。

因为电力系统的原始模拟量的数值一般都非常大一般为100V，超过装置内部芯片和模数转换器件的输入电压的限量，因此需要通过互感器进行二次转换，变换到较低数量级，均降低到所选模数转换器件的电压限量之内，本专利设计中所述电量变换采用2mA: 2mA的低电流型电压变换器，其灵敏度高，在其输入端设计有限流电阻和保护电路，在其输出端通过高阻输入到所述运算放大器电路中，将电流信号再转换成电压信号，再经所述输出限流后直接输送所述管理控制CPU单元内置A/D变换端口，完成将输入PT电量信号转换成数字信号送给CPU单元用于进行输入数据进行运算；

3.3 开关量输入输出模块实现原理

开关量输入模块包括输入检测单元、输入电平变换，其中，输入检测单元检测外部开关量的状态变换成5V电平信号，再通过输入电平变换3.3V后输入到管理控制CPU单元用于外部开关状态判断；

开出控制驱动单元包括输出电平变换、光电隔离、驱动陈列、出口继电器、阻尼电阻功率模块。其中，输入检测单元检测外部开关量的状态变换成5V电平信号，再通过输入电平变换3.3V后输入到管理控制CPU单元用于外部开关状态判断；开出控制驱动单元是由管理控制CPU单元发出的3.3V控制电平信号经输出电平变换成5V后，驱动光电隔离的原边，再由光电隔离的副边驱动驱动陈列芯片，由驱动陈列芯片输出控制继电器得电与失电，从而控制输出接点的开与闭；阻尼电阻功率模块，由输出电平变换、光电隔离后进行直接驱动，首先由所述的管理控制CPU单元发出命令，再由所述输出电平变换负责将GPIO端口发出的3.3V控制电平信号经输出电平变换成5V电平信号，再驱动光电隔离的原边，再由光电隔离的副边驱动阻尼电阻功率管器件开与闭；

3.4 管理控制CPU单元实现原理

管理控制CPU单元是通过功能程序的完整设计，完成数据运算、故障分析、逻辑判断、数据通信等功能，其数据存储单元通过大容量、低成本Flash存储方案，完成对故障时大量的录波数据的存储，与所述管理控制CPU单元进行数据交换，按指定的格式存储在大容量、低成本Flash中，用于数据的下载、调用、转存，此种存储方式的设计可提高存储能力和装置的可靠性。人机界面包括LCD显示屏、信号指示灯，其中LCD显示屏采用串口触摸屏，实现对装置运行中监测到的实时状态数据、操作设置参数、故障数据显示及波形查看等功能，信号指示灯采用LED指示灯，用于运行及指示谐振、装置故障、接地、过电压四种故障状态的直观指示。

3.5 通信功能单元实现原理

通信功能单元包括TCP通信、485通信、232通信、USB通信四种通信接口。其中，TCP通信采用带spi接口、集成了 MAC 和 PHY的ENC28J60 单颗芯片，通过SPI 接口和MCU 通信，MAC + PHY 完成了TCP/IP物理层和数据链路层功能单元，可用远程设备或上位机进行录波数据的传输、下载；所述485通信是将TTL电平通过485通信芯片以485通信模式输出的通信方式，可用于上位机通过485通信格式进行实时数据、故障数据、设置参数通信传输；所述232通信是将TTL电平通过232通信芯片以232通信模式本地通信方式，可用于本地进行运维的端口；所述的USB通信采用CH376通信芯片与单片机的串行口连接，设计采纳的通信芯片内置处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件、通讯接口固件、文件系统的管理固件，用于常用的USB存储设备和SD卡的转存和数据下载。

3.6 消谐控制的实现原理

本文研究的装置实现，是采用可控硅触发器实现PT二次开口角短路对谐振的抑制阻尼作用，实现原理是利用电压过零型光电耦合器和双向晶闸管组成集成先进的过零触发电路来实现消谐阻尼，这种设计取代了由分立元件组成的功放电路及脉冲变压器等驱动环节，简化了触发控制电路的结构，并提高了控制器的可靠性，当系统出现谐波时，MCU只需控制输出指令控制驱动电平的高低，既可触发双向可控硅导通与切除，开关在电流过零之后会自行关闭。这样

MCU达到有效可靠控制可控硅的导通及导通时间，消除有害谐波。

4带录波功能消谐装置的软件实现

本文研究的装置实现，主要功能包括数据采集运算程序、录波控制管理程序、谐振故障逻辑判断程序、输入输出控制程序、人机界面控制程序、通信管理程序，下面对重点介绍数据采集运算程序、谐振故障逻辑判断程序、录波控制管理程序其流程。

4.1主程序

带录波功能消谐装置的软件实现初始化后，循环执行数据采集运算、数据录波缓存、故障判断、正常运行显示、输入检测、输出控制、通信控制程序等功能程序单元，其中数据采集运算、故障录波缓存与故障判断融为体，由中断方式进入。

图2：主程序流程图 图3：数据采集流程图

4.2 数据采集运算程序

数据采集运算程序主要是完成对输入模拟量进行数据采集、换算及录波数据时间点与对应瞬时值进行存储与排队挤出操作过程。

4.3 录波控制管理程序

录波控制管理程序是通过设定的启动方式启动录波程序，完成对于输入电量的故障前3个周波及故障后9个周波的数据进行录波处理；谐振故障逻辑判断程序是通过采集到信息量进行谐振故障识别的过程；

—1—

图4：故障录波控制流程图 图5：故障判断流程图

—1—

4.4 故障识别程序

故障识别程序主要是根据故障数据特征，完成对谐振类型和故障类型的判断。

5 结论

本文对电力系统谐振理论进行了简述，重点对带录波功能消谐装置的硬件实现、软件设计思路及程序实现进行了详细分析，在电路设计时采取了相应的硬件、软件抗干扰措施，切实提高了装置的可靠性。

参考文献：

[1]魏菊芳,唐庆华,王飞,陈沛然,颛孙旭,卞星明.小电流接地系统电压互感器铁磁谐振过电压与抑制措施仿真分析[J].电网与清洁能源,2015,31(12):48-56.

[2]何龙,谭栋,李勇,刘海波,吴伟丽,陈宝旭.用于铁磁谐振过电压故障辨识的VMD参数优化方法研究[J/OL].数学的实践与认识:1-13[2022-09-06]

[3]张超,王宾,张海,刘宗杰,朱海鹏,袁冰.中性点直接接地电网单相串联铁磁谐振检测与类型辨识[J/OL].电力系统自动化:1-13[2022-09-06].

[4]卢洁,任贝婷,陈黎,肖洒,任乔林,汤迎春,肖亚平.二次消谐装置测试系统研究[J].通信电源技术,2018,35(11)

[5]李轩,夏小晴.非线性负荷现场录波计量装置的研制及应用[J].内蒙古电力技术,2022,40(02)

[6]马兴明,孙国强,王丽娜.基于Cortex-M4处理器的分布式故障录波装置的研究与设计[J].黑龙江电力,2021,43(03)

—1—

收稿日期:  yyyy-mm-dd；修回日期: yyyy-mm-dd

基金项目：xxx基金资助项目(基金编号); xxxx研究项目(项目编号)

Project supported by the ……（提供基金的相应英文）