论文总字数：21479字

摘 要

电力系统中，高电压部分的物理量是不能用仪器进行直接测量的。电压互感器正是这样一种可以将交流电压按照规定比例降低到可以用仪表直接测量的范围的一种设备。对于三相交流电，我们通常按照一定的接法将三个单相PT接在一起对其进行测量。在PT投运前或维修后很容易出现极性接错接反的情况，造成继电保护设备的误动，产生不必要的损失。因此，对传统变电站来说，在电压互感器投入运行前，必须对它的接线方式进行校验以防止极性接反或者相序接错。

本文设计了一种基于GPS的电压互感器原副边相位测试系统，利用GPS的同步授时功能产生同步采样的脉冲。以此实现一次侧电压量和二次侧电压量的同步采集。此脉冲发生模块主要使用来自GPS的时钟秒脉冲信号作为原副边的时钟信号的同步基准，产生一种在电压互感器原副边同步的采样脉冲信号。该采样脉冲信号对来自GPS卫星的同步时钟秒脉冲信号进行处理修正，使得PT原副边可以同步进行采样。采集到数据后，将原副边同步采集的相位结果进行比较，并给出电压互感器的极性判据。

关键词：GPS 电压互感器 同步采样脉冲 CPLD 相位测试

Abstract

The research of primary/secondary side phase sequence testing of PT based on GPS

In power system，the physical quantities of the high voltage can not be measured directly by the measuring apparatus. Voltage transformer is such an instrument that can reduce AC voltage proportional based on some regulations, which can be testified directly in the range of measuring apparatus. In the measurement of three-phase line voltage，we usually connect three single-phase voltage transformers to a certain connection mode. Before PT is been put into operation or after the maintenance, it is likely to appear the errors like wrong polarity，which may cause maloperation of relay protection equipment that cost unnecessary loss. Therefore, for the traditional substation, before the voltage transformer is been put into operation, the staff must check the connection mode in order to prevent the reversed polarity or wrong phase sequence.

This paper designed a kind of PT primary/secondary side phase sequence testing system based on GPS, which using GPS synchronous timing function to produce synchronous sampling pulse that finally realize the synchronous collection from both sides of voltage. This pulse generating module mainly use clock pulse signal from GPS as the synchronization reference of both sides and produce sampling pulse at both sides of voltage transformer. This sampling pulse track the second pulse signal from GPS satellites, which can ensure the synchronization of sampling of the both sides of PT. After collected data, compared the phase result of synchronization of sampling from both sides, and the polarity of the voltage transformer criterion is given.

Key words: GPS， voltage transformer， synchronous sampling pulse， CPLD， phase test

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

§1.1 课题研究背景 1

§1.1.1 GPS技术在电力系统中的应用 1

§1.1.2 电压互感器 1

§1.2 以往的PT极性校验方法 2

§1.2.1 干电池法 2

§1.2.2 绝缘电阻表法 3

§1.3 研究意义 3

§1.4 主要工作 4

§1.5 本文主要结构 4

第2章 基于GPS的信号采集模块总体设计 5

§2.1 GPS全球定位系统系统简介 5

§2.2 NEO-5Q芯片 5

§2.2.1 模块简介 5

§2.2.2 Neo-5Q的引脚功能 7

§2.3 运用GPS进行交流相量的同步采集 7

§2.3.1 基于GPS芯片的交流电量的采集方法 7

§2.3.2 数据采集系统 8

§2.4 同步采样脉冲发生模块设计 8

第3章 同步采样脉冲发生模块设计 10

§3.1 同步采样脉冲模块设计 10

§3.1.1 数字鉴相器的设计 11

§3.1.1.1 基本原理 11

§3.1.1.2 数字鉴相器的设计 11

§3.1.1.3 数字鉴相器的功能仿真 12

§3.1.2 数字环路滤波器的设计 13

§3.1.2.1 数字环路滤波器的原理与设计 13

§3.1.2.2 数字环路滤波器的结果仿真 14

§3.1.3 数字压控振荡器的设计 14

§3.1.3.1 数字压控振荡器的原理与设计 14

§3.1.3.2 数字压控振荡器功能的实现仿真 15

§3.1.4 信号调节模块的设计 15

§3.2 同步采样脉冲发生模块性能测试 15

§3.3 本章小结 16

第4章 电压互感器的相位判断 17

§4.1 电压互感器二次回路满足的基本要求 17

§4.2 电压互感器二次回路相位的判断原理 17

§4.3 极性与相序错误类型 17

§4.4 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

参考文献： 22

致 谢 23

绪论

课题研究背景

GPS技术在电力系统中的应用

中国仍然是一个发展中国家，其电力系统有其自身的特点，例如发电机与负载之间的联系较弱，电网覆盖面大以及大功率传输等等。在电网研究者们看来，他们最为关注的问题莫过于它的监测功能以及对于系统安全的控制。但由于一些非技术因素，中国大陆在最初的几年没有将GPS系统引入到电力系统中。第一篇关于GPS系统的论文大概就是在1994出版的。当时的一套GPS信号接收机的价格超过2000美元。此后，应用GPS系统来提高电力系统运行能力开始被越来越多的研究者和操作者所认知，并且这个领域发表了许多论文。

将GPS技术应用在中国电力系统中的研究工作可以分为以下几个方面：

•精确定时

•故障定位（基于行波）

•参数测量

•相量测量

电压互感器

在电力系统中，一次设备主要是指高电压一侧的，是电力系统的主体部分。承担电能的生产，输送和分配任务。而二次设备（即不直接和电能产生联系的设备）则是为运行和维护的工作人员提供运行的工作状况或生产指挥的信号所需的低压电气设备，以此对一次设备进行控制、调节、保护和监测，其重要性不言而喻。将一次回路与二次回路连接起来的正是互感器。作为互感器而言，电压互感器是不允许短路的。因此对传统变电站来说，在新站或改造站投运之前或者涉及到PT二次回路的更改变动场合时，必须在送电前对变电站内各组电压二次回路进行仔细检查及试验，以确保各电压回路连接正确。因此，在电压互感器投入运行之前，必须对其接线方式进行校对验证。

电压互感器二次绕组接线方式主要有三相三绕组完全星型、两相不完全星型（V、v）和三相五柱式接线方式。

三相三绕组电压互感器完全星形接线，如图1-1所示。电压互感器一次绕组和二次绕组接成完全星形接线，其一次绕组中性点不接地，而二次绕组的中性点直接接地，只能对相间电压进行检测，广泛适用于小接地电流系统。

图1-1 三相三绕组完全星型接线接法示意图

两台单相电压互感器不完全星型接线如图1-2所示。电压互感器只能测量相间电压，而不能测量相对地电压，主二次侧绕组采用B相接地的方式，适用于3~20kV的小电流接地系统。

图1-2 两相不完全星型接线图（V、v）

三相五柱式电压互感器完全星形接线见图1-3，该互感器一次侧接线和二次侧接线采用星型连接的互感器，中性点直接接地，辅助二次绕组采用开口三角形接线方式，该接线方式既能测量相对地电压，又可以测量相间电压以及零序电压，广泛使用于3-35kV小接地系统中。

图1-3三相五柱式接法示意图

以往的PT极性校验方法

干电池法

见图1-4，将干电池作为电压互感器的激励接在一次侧。在电压互感器的的二次侧接上直流微安表。接好线后，将K合上，在试验开关合闸瞬间，观察主流微安表的指针摆动方向来判断PT二次极性的正反。若毫安表指针正偏，且断开K后毫安表的指针往负方向偏，则说明电压互感器为减极性。否则为加极性。

图1-4干电池法测PT极性

绝缘电阻表法

使用绝缘电阻表法测量电压互感器极性，在户外PT一次侧接入2500V的绝缘电阻表，同时在户内二次设备的端子排上用微安表测量电流方向，接线图如图1-5所示。在绝缘电阻表摇到最大值时合开关Q,观察二次侧微安表的指针摆动方向。

图1-5绝缘电阻表法测PT极性

上述两种校验方法缺点十分明显：同一时间，只能对互感器某一相电路进行测试，换相测试时必须拆下来重新接线，并且在二次侧需要有相应的工作人员对采集到的电信号进行观察测量，然后再分析比对得出结论。这样测量，不仅操作复杂而且存在一定的安全隐患。

研究意义

变电站互感器二次极性检测是利用一次侧和二次侧采集到的电压向量进行幅值和相位的比较来完成的。因此，一次侧发送至二次侧的电压向量需贴上时间标签，保持与二次侧电压向量同步，以保证每次比较的幅值和相位量是同一时刻两侧的采样结果。这就需要一个统一的系统时钟。由于采样脉冲的不同步所带来的不同地点的不同步采集问题的由于GPS系统的出现而得以解决，全球定位系统能够十分准确地提供秒脉冲和对应秒脉冲的国际标准时间。目前国际社会对于GPS的精度要求使得可以利用它的高精度可靠性的卫星授时方法来实现电力系统的同步采样。目前基于GPS的同步授时功能已经十分广泛的应用于电力系统综合自动化的同步时钟系统中。

本文采用GPS同步授时方法，利用秒脉冲（1PPS）形成同步采样脉冲供AD采样使用，以保证一次侧和二次侧异地之间数据的同步采集。

主要工作

一次侧、二次侧的采集装置按照统一固定的频率对信号进行采样。同步采集系统通过控制DSP芯片、CPLD和GPS模块产生的秒脉冲形成同步采样信号，是各个采集系统在某个预先设定时间开始同步采样。由于系统不同，晶体电路的振动频率多少也会不同，这样会给采样频率带来的累积误差，为了消除此误差，下一秒的脉冲到来之时，将秒脉冲与生成的采样脉冲的频率再同步一次，这样，不仅采样装置可以确保在同一时刻开始进行采样，还可以保证每次采集电量的时间都能同步。激励装置在电压互感器一次侧施加正弦电压，测试系统在电压互感器原边和副边采集电压相位信号，利用GPS的同步授时功能实现原边和副边电压的同步采集。将原副边同步采集的相位结果进行比较，来判别电压互感器原副边的接线情况。

本文主要结构

本文先通过使用GPS芯片NEO-5Q产生同步的时钟信号，然后在第三章中重点使用Quartus II软件进行仿真，设计出根据GPS时钟信号产生的同步脉冲采集模块，使得电压互感器原副边的时钟能够实现同步采集。在第四章中给出了针对于常用的几种电压互感器的接法（三相三绕组，两相不完全星型以及三相五柱式）的极性判据，并列举了几种极性反接和相序错误的情况。

基于GPS的信号采集模块总体设计

GPS全球定位系统系统简介

全球定位系统（Global Positioning System），简称GPS，是美国从本世纪 70 年代开始研制的，于 1994 年建成，耗资 200 亿美元的新一代卫星导航与定位系统，它可以提供地理坐标以及海拔的三维定位，同时还可以提供统一的时间信息。^[17]它拥有着非常广泛的应用价值和发展潜力，其原因是它不仅具有十分精密的三维导航与定位能力，可以全方位、全天候、连续实时的进行导航和定位，同时它还有具有世界统一认可的时间系统。近 10 年来，随着GPS 定位技术迅速发展，硬、软件的不断完善，除了给普通交通工具提供定位和导航，它极高的定位精确程度同时还被应用于卫星轨道的测量、导弹的远程制导等军事高科技领域，同时其他应用领域也在不断开拓。^[8]

目前，随着GPS成为蜂窝移动通信和互联网之后的第三新经济增长点，随着其技术方面研究的深入，GPS独特的定位导航，定时和频率校正，精确测量方面的功能，已经参与了许多领域应用设备的研制。

NEO-5Q芯片

模块简介

GPS部分主要负责提供标准时间信号，在此，我们采用瑞士 u-blox 公司所生产的NEO-5Q 芯片，它成本低，体积小，同时采用u-blox公司特有的最新研发出的微弱信号攫取技术，以确保装备此芯片的模块无论装备何种天线，无论在何种位置，不仅可以实施快速定位，还能够拥有最佳的定位效果。

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