输电线路阻抗角测量系统设计

王凯悦

（国网合阳县供电公司）

随着社会现代化程度的发展，城市用电量大幅度上升，电力系统的容量越来越大，电压等级越来越高，伴随着现代电网络错综复杂，致使现代电网中输电线路走廊日趋狭窄［1］。输电线路是电能输送的载体，所以输电线路的参数测量至关重要，无论是在空间架设电线还是地下电缆巡回排线，用电负荷的增大都对输电性能的要求极高。在国内，输电线路阻抗角的测量研究较少，其中卢明［2］等研究架空输电线路及电力电缆工频参数的测量，但没有对阻抗角的测量做具体解释。刘阳［3］等研究输电线路阻抗参数预测方法，但是对阻抗角的测量解释不全面。曾燕［4］等利用R-L模型对输电线路进行仿真分析但是没有实物设计。科研工作者为了在狭小的空间中更好地利用出线走廊，铺设更合理的电网络，同杆架设或变形架设的双回及多回输电线路［5］，本文主要研究输电线路阻抗角的测量，输电线路的测量误差对电能质量造成的影响巨大，不容忽视［6］。

测量输电线路阻抗角的本质是测量电压与电流的相位差，因此测量输电线路的电压与电流值至关重要。本系统的设计主要由电压互感器电路、电流互感器电路、信号调理整形电路、微控制器单元电路（Microcontroller unit，MCU）组成，信号调理电路主要包括电流电压转换电路、偏置电路和低通滤波电路。此系统中MCU选择STM32F103做主控芯片，STM32F1中有3路片内AD转换器，其中AD转换精度为12位，精度适中，可以胜任输电线路的电网变换中单相交流电［7］。MCU将采集到的信号进行简单处理后，通过USB串口与上位机通信，上位机显示有关的信号值。最后通过Matlab软件利用互相关算法测量相位角。总体方案设计思路如图1所示，其中上位机显示界面已经实现。

图1 总体设计方案图

系统主要的硬件电路包括互感器电路、信号调理电路、MCU电路。

2.1 互感器电路设计

一般情况下，输电线路的电压较高，直接测量电压值是非常危险的，所以此设备需要通过降压变压器来转换，也就是互感器。本次设计的电压互感器测量范围为450V左右的交流电。在阻抗角测量过程中，主要使用电压互感器与电流互感器，互感器可以将高压变低压、大电流变小电流，为后续的测量电路提供有用信号。标准的小电压与小电流对测量仪器起到保护作用，既能使结果测量准确，也可以延长测量仪器的使用寿命。本次设计的系统是在互感器的前面还添加保险丝FU，以防线路中冲击电流过大，烧坏互感器。如图2所示为互感器电路简易图。

图2 互感器电路

2.2 信号调理回路

信号调理电路主要包括二阶有源滤波电路和信号转换电路，由于STM32的片内ADC输入范围为0～3.3V，所以还需要添加偏置电压，将输入电压的范围调整为0～3.3V。二阶有源滤波电路主要是滤除信号中的无用信号与杂散信号，保留有用信号供后续电路处理。信号变换电路为带同相的比例放大有源低通滤波电路，通过调整R5和R6的比值，调整信号的放大或衰减。图3为信号调理电路示意图。

图3 信号调理电路

电流信号和电压信号测量方法相似，唯一不同的是需要将电流信号转化为电压信号，因为STM32的AD转换模块只能识别电压信号。此系统中MCU可以采集3路模拟信号，所以经过互感器处理的信号可以适用于此MCU。

2.3 微控制器外围电路设计

微控制器外围电路主要由启动电路、复位电路、有源晶振电路和电源转换电路组成。微控制芯片选择为STM32F103，此MCU为ARM架构系列芯片，具有工作频率高、FLASH内存大、通信接口多等优点。复位电路主要进行设备重启、初始化，让电路回复到最初的状态。晶振电路类似于人的脉搏一样，为系统提供时钟信号。启动电路可以为用户选择存储模块。

3.1 系统主流程

ARM开始工作时，首先就要初始化，ARM片内AD开始采集信号，采集到的模拟量送到AD转换器，AD转换就会把模拟量转换为数字量，数字量在ARM的采集之下，加上其他各个模块的综合处理，电流和电压的数字量就会通过串口显示在上位机。如果显示值没有超过阈值，程序就会继续循环，电压电流值就会逐次循环测量，直至达到想要的结果为止。MCU的主流程图如图4所示，其中最主要的是系统初始化与中断优先级设置。软件设置时可以采用寄存器函数，也可以采用库函数版本，寄存器函数需要进行相关的寄存器配置，标准库函数只需调用函数库即可。

图4 MCU主流程图

3.2 T0中断服务子程序

中断服务程序贯穿整个源程序，子程序部分是MCU运行必不可少的服务程序，当中断发生时，需要各个子程序间相互起作用，子程序是主程序嵌套循环中重要部分，各个子程序之间的运行时间急促，在代码较少的情况下，基本是同时发生的，比如采样、按键、显示或报警电路等。

3.3 AD转换

AD转换包括采样、量化、编码。输电线路的电压电流信号通过电压互感器电流互感器就可以测得电压电流模拟量，而这个模拟量需要AD转换才能得到数字量，所以必须用AD转换器，AD转换器的EOC触发器复位之后，即可开始转换，紧接着就有延时过程，判断是否转换完成。如果转换完成，就要判断是否采样完成，否则都必须循环。如果电压电流在允许的范围内，AD就可以正常进行，EOC触发器重新复位，然后读取AD转换后的数据，然后存数，结束转换的过程。

主要的软件都做了详细介绍，所有的软件流程都是相互牵制的，如果其中一部分软件出现问题，整个系统都会出现瘫痪。当下位机的采集部分单独工作时，ARM的软件会孤立于上位机独自工作，这是部分电路的优势所在。整个系统关联性比较强，整体效果也比较理想。

采集到电压信号和电流信号后，求其互相关函数，互相关函数零时刻的值与其余时刻余弦值成正比，通过正比例的关系，求出相位差，因此可以获得阻抗角：

离散化计算：

通过调整采样点数k，同时计算电压信号x与电流信号y的自相关与互相关函数，可以计算阻抗角。k值越大，精确度就会越高，相对误差越小。运行结果如图5所示。

图5 Matlab运行结果

目前电力系统越来越复杂，电网结构越来越密集，因此对输电线路的基本参数要求也越来越多，精度会越来越高。通过以上软硬件结合，可以准确采集到电压和电流值，再利用Matlab程序计算两个值的互相关函数、自相关函数，可以求出两者的阻抗角。随着技术的发展，线路参数测量项目会更多，以确保电网络的安全，所以使用Matlab程序计算的方法推广前景良好，应用乐观。

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