一种无线相位测量装置的制作方法

本公开涉及智能变电配电相关技术领域，具体的说，是涉及一种无线相位测量装置。

背景技术：

随着智能数字变电站大量应用，二次设备的安装地点及运行环境发生了巨大变化，不同电压等级的母线、开关的互感器二次信号在合并单元处直接转化为数字信号，通过光纤网络传送到中心控制室。合并单元简称MU，是指对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用的装置。在新装的继电保护装置带电负荷校验中，包括三相通流模拟带电负荷试验中，由于合并单元分布在不同位置，导致二次信号的电压、电流之间相位测试极为不便，为了对测试点之间互感器的电压(或电流)信号进行相位检查，采用相位表进行测量，必须采用拖线的方式测量。对于大型变电站拖线距离可达几百米，且从一个测试点到另一个测试点可能绕过多重障碍，复杂的测试环境导致走线错综复杂，测量效率低，且长距离拖线容易产生安全隐患。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种无线相位测量装置,解决了现有技术中的相位测量需要拖线实现测量安全性低的问题，通过在无线相位测量装置上设置基于Lora的无线通信模块，实现了无线数据通讯范围内不受空间限制，通过设置高精度温补晶振使得时间同步速度快，大大提高测量精度、测量效率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种或多个实施例提供了一种无线相位测量装置，包括通过无线连接的无线相位测量主机和无线相位测量分机；

无线相位测量装置主机包括主机处理器、第一信号采集处理模块、第一无线通信模块、第一时钟信号源模块和时间脉冲生成模块；所述主机处理器分别与第一信号采集处理模块、第一无线通信模块、第一时钟信号源模块和时间脉冲生成模块连接；

无线相位测量分机包括分机处理器、第二信号采集处理模块、第二无线通信模块、第二时钟信号源模块和时间脉冲捕获模块；所述分机处理器分别与第二信号采集处理模块、第二无线通信模块、第二时钟信号源模块和时间脉冲捕获模块连接。

进一步的，无线相位测量分机还包括分机显示屏和按键，所述分机显示屏和按键分别与分机处理器连接。

进一步的，第一信号采集处理模块包括依次连接的第一二次信号采集模块、第一信号放大模块和第一模数转换模块；第二信号采集处理模块包括依次连接的第二二次信号采集模块、第二信号放大模块和第二模数转换模块。

进一步的，第一时钟信号源模块和第二时钟信号源模块分别采用高稳定性温补晶振或恒温晶振。

进一步的，所述第二无线通信模块和第一无线通信模块分别为Lora无线通信模块。

进一步的，所述Lora无线通信模块采用SX1278芯片。

进一步的，所述主机处理器为STM32F407VET6，所述主机还包括时间脉冲输出端口，时间脉冲生成模块包括依次连接的处理器的TIM5_CH1端口、抗干扰电阻和时间脉冲输出端口。

进一步的，所述分机处理器为STM32F407VET6，所述分机还包括时间脉冲捕获端口，时间脉冲捕获模块包括依次连接的处理器的TIM2_CH1端口、抗干扰电阻和时间脉冲捕获端口。

进一步的，时间脉冲输出端口为耳机口。

进一步的，时间脉冲捕获端口为耳机口。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开的无线相位测量装置，通过设置无线传输模块，实现了变电站继电保护中二次信号相位及幅值的测量，避免了长距离拖线造成的安全隐患，提高了测试效率并提高测试精度。

(2)本公开的无线相位测量装置采用高稳定性温补晶振，稳定性高，温度漂移小作为时间基准，提供的时间时钟精确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是根据一个或多个实施方式的无线相位测量装置的结构图；

图2是本公开的一种时间同步方法流程图；

图3是本公开的一种无线相位测量方法流程；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图所示，一种无线相位测量装置，包括通过无线连接的无线相位测量主机和无线相位测量分机；

无线相位测量装置主机包括主机处理器、第一信号采集处理模块、第一无线通信模块、第一时钟信号源模块和时间脉冲生成模块；所述主机处理器分别与第一信号采集处理模块、第一无线通信模块、第一时钟信号源模块和时间脉冲生成模块连接。第一信号采集处理模块包括依次连接的第一二次信号采集模块、第一信号放大模块和第一模数转换模块；

无线相位测量分机包括分机处理器、第二信号采集处理模块、第二无线通信模块、第二时钟信号源模块和时间脉冲捕获模块；所述分机处理器分别与第二信号采集处理模块、第二无线通信模块、第二时钟信号源模块和时间脉冲捕获模块连接。无线相位测量分机还包括分机显示屏和按键，所述分机显示屏和按键分别与分机处理器连接。第二信号采集处理模块包括依次连接的第二二次信号采集模块、第二信号放大模块和第二模数转换模块。

所述主机显示屏可以采用触摸彩屏，触摸彩屏的型号可以为FD96，界面显示清晰、内容全面；所述分机显示屏可以采用点阵液晶屏及按键板进行显示及操作，设备轻巧、携带方便。

所述分机及主机处理器同时具备高速数据处理能力，负责对采样的数字信号进行高速FFT运算，获取特定信号频率的相位及幅值信息。主机处理器的型号可以为带有DSP和FPU指令的Cortex-M4或Cortex-M7系列处理器，且为保证充足的数据缓存空间，处理器RAM不小于128KB，例如STM32F4系列中的高性能处理器或者STM32F7系列处理器，分机处理器的型号可以与主机处理器型号一致，兼顾处理器性能与经济性，本公开中主机与分机可以采用STM32F407VET6处理器。

所述第一二次信号采集模块和第二二次信号采集模块可以相同，二次信号采集模块包括电压信号采集电路及电流信号采集电路，用于采集变电站二次设备的二次信号；电压信号采集电路为将不小于2M的高稳定性分压电阻与电压互感器一次侧串联，在电压互感器二次侧增加采样电阻，施加在采样电路上的电压信号就是我们需要的二次电压信号；电流信号采集电路为开合式电流钳，电流钳的采样精度不小于5‰，量程不小于10A，电流钳输出端的电流信号经采样电路转变为电压信号送至信号放大模块做进一步处理。

所述信号放大模块用于对采样信号做进一步放大处理，以实现数模转换模块转换位数的高效利用和测量精度的提高；信号放大模块可以选用差分运放芯片INA128及低电压失调芯片OP07，在信号放大电路中可通过并联100p电容实现低通有源滤波。

所述模数转换模块采用16位高精度AD转换器，电压信号及电流信号的采样时间点可单独控制，以实现硬件电路引起的相位偏差的微调；同时，采用FSMC接口通讯，实现采样数据与处理器的快速传输；本实施例模数转换模块可以采用AD7606芯片。

所述第一和第二无线通信模块可以采用Lora无线通信模块，可实现低功耗下的远距离传输，且通讯模块采用组网方式，可实现一主机、多分机的无线数据和无线指令的传输。当设置多个分机时，各分机的第二无线通信模块分别与主机的第一无线通信模块建立无线连接，进行数据的传输。基于Lora技术的网络层协议主要是LoRaWAN，定义了网络通信协议和系统架构，LoRaWAN的通信系统网络是星状网架构。主要分为以下三种，第一个，点对点通信，就是A点发起，B点接收。第二个，星状网轮询，一点对多点的方式，一个中心点和N个节点，由节点出发，中心点接收然后确认接收完成，下一个节点继续上传，直到N个节点完成，这算一个循环周期。第三个，星状网并发，也是一点对多点的通信，不同的是多个节点可以同时与中心点通讯，这样就节约了节点的功耗，避免了个别节点的故障而引起网络的瘫痪，网络的稳定性得到了提高。本实施方式中采用星状网并发通讯方式。Lora无线通信模块包括LoRa芯片和芯片外围电路，可以选用SEMTCH公司的SX1278芯片。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。

时间脉冲生成模块用于主机生成采集信号的时间脉冲信号，时间脉冲捕获模块捕获主机发出的时间脉冲信号的上升沿；所述主机还包括时间脉冲输出端口，所述分机还包括时间脉冲捕获端口，所述时间脉冲输出端口和时间脉冲捕获端口可以为耳机口。STM32F407VET6处理器的TIM5_CH1端口兼具32位定时器和高低电平输出功能，时间脉冲生成模块的结构为将处理器的TIM5_CH1端口通过抗干扰电阻连接至无线相位测量装置主机的时间脉冲输出端口，如果为耳机孔，将TIM5_CH1端口通过抗干扰电阻连接至耳机孔的正极，将耳机孔的地线与处理器的地线连接；STM32F407VET6处理器的TIM2_CH1端口兼具32位定时器和输入捕获中断功能，时间脉冲捕获模块结构为将分机处理器TIM2_CH1端口经抗干扰电阻连接至无线相位测量装置分机的时间脉冲捕获端口，如果为耳机孔，将TIM2_CH1端口通过抗干扰电阻连接至耳机孔的正极，将耳机孔的地线与处理器的地线连接；在进行主机和分机的同步时通过双公头耳机线连接，实现主分机脉冲信号的传输。

本公开的第一时钟信号源模块和第二时钟信号源模块可以采用相同的晶振，时钟信号源模块可以选用高稳定性温补晶振或者为恒温晶振，所述高稳定性温补晶振，相位误差取决于晶振的稳定性(即温漂)。所述高稳定性温补晶振温漂可轻松满足0.05ppm以下。所述高稳定性温补晶振温漂适用环境为-20℃～80℃，在常规的现场测量环境下温度变化一般不会超过20℃，且接近室温，此环境下温漂可控制在0.01ppm。

采用高精度温补晶振加ARM定时器中断产生的脉冲信号校准，校准灵活性高，开机30s即可实现时间校准。现有高精度温补晶振精度±5ppm，稳定性可达±0.05ppm。

晶振的倍频测量将现有20MHz以下晶振倍频至100MHz以上后测量频率稳定性，将测量精度提高一个数量级。使得最终的时间偏差控制在±0.01ppm。

将上述一种无线相位测量装置分别设置在变电站二次设备的二次信号各个合并单元的电压或者电流的入线处，将其中的一个无线相位测量装置设为主机，将其余的无线相位测量装置设为分机，通过无线传输就能够进行分机和主机采集信号的传输，首先在信号采集前主机和分机通过有线连接进行无线相位测量装置的时间上的同步，主要为以主机的晶振精度作为参考精度，将分机晶振精度校正后与主机保持一致。使用上述装置可以采用现有技术中使用相位表进行测量的方法进行相位的测量，通过本装置的无线测量装置可以将拖线通信更换为无线通信，增强了系统测量的安全性和效率。

本公开还公开了如下的时间同步方法和相位测量方法，通过同步方法的改进和相位测量方法的改进进一步调高系统的测量精度。

一种时间同步方法，如图2所示，用于主机和分机的时间同步，所述主机和分机分别为无线相位测量装置，所述分机可以设置多个，采用如下步骤实现主机和分机的同步：

步骤1、晶振倍频：将主机的晶振频率按照设定的倍数进行倍频处理作为主机的时钟信号；

主机的晶振频率按照设定的倍数进行倍频处理是将现有十几兆、几十兆的温补晶振通过主机内部的处理器倍频至二百兆以上，以保证后续系统32位定时器分辨率达到1/100M，从而能够测量0.01ppm的晶振偏差。倍频的倍数可以根据需要达到的分辨率要求进行设置。

步骤2、生成时间脉冲：根据主机的时钟信号通过主机定时器定时生成时间脉冲信号；

时间脉冲生成通过时间脉冲输出端口输出高低电平模拟时间脉冲信号，时间脉冲信号高低电平由无线相位测量装置定时器溢出中断决定，从而产生时间间隔相等的时间脉冲信号，所述时间脉冲信号仅需主机产生并作为基准信号源，所述时间脉冲信号的上升沿为主机定时器溢出中断点。

步骤3、时间脉冲捕获：分机通过时间脉冲捕获方式获取主机生成的时间脉冲信号；

具体为将主机与分机的接地端共地，并将主机时间脉冲输出端与分机时间脉冲捕获端口连接，分机记录时间脉冲上升沿到来时的定时器值。时间同步点为将主机时间脉冲信号上升沿与分机定时器溢出中断点同步。

步骤4、时间间隔校验：计算分机接收的时间脉冲信号的两个脉冲之间的时间间隔值的平均值，所述平均值作为分机脉冲间隔定时器溢出值；具体为将两个相邻的输入捕获的分机定时器值做减法运算后得到的值为分机定时器需要修改的时间间隔值，并将该时间间隔值作为分机定时器溢出值；所述时间间隔值可以多次采样、滤波处理，以保证校准的精度。

计算分机接收的时间脉冲信号的两个脉冲之间的时间间隔值的平均值的方法具体为：

采集主机的时间脉冲信号的至少两个脉冲的时间值；

计算两个脉冲的时间值之差获得两两相邻的脉冲之间的时间间隔值；

将计算的时间间隔值进行滤波处理，并计算时间间隔值的平均值；

所述滤波处理方法为计算多个脉冲时间间隔值，并根据晶振频率和脉冲信号的时间间隔确定标准的计数器值，并根据晶振的精度将计算计数器值限定于较窄的区间，删除区间外的异常数据，对其余有效数据做平均值运算，最后将运算结果加0.5并取整，得到平均时间间隔值。

步骤5、脉冲同步校验：分机通过时间脉冲捕获方式获取脉冲同步校验，当分机捕获到主机的脉冲时，清零分机同步定时器计数值并启动新的分机同步定时器溢出中断。脉冲同步校验同样通过时间脉冲捕获方式获取，当分机输入捕获端捕获到新的主机时间脉冲信号上升沿时，清零分机同步定时器计数值并启动新的分机同步定时器溢出中断。

所述时间脉冲捕获方式具体为：将主机时间脉冲生成模块与分机的时间脉冲捕获模块连接，当分机获取主机的时间脉冲信号的脉冲的上升沿时，分机记录为接收了一个脉冲的输入。

为便于描述，本申请的无线相位测量装置主机和无线相位测量分机可以直接简称为主机和分机，本公开中提到的主机均指代无线相位测量装置主机，本公开中分机均指代无线相位测量装置分机。

一种无线相位测量方法，如图3所示，包括如下步骤：

在各个合并单元处分别设置无线相位测量装置，其中设置一个无线相位测量装置主机，多个无线相位测量装置分机；主机设置好之后可以不移动，当分机的数量不足，分机可以为移动式的，当检测好当前合并单元处的相位后，可以将设置在当前位置的分机移动到其他合并单元处再进行测量。

(1)以主机的时钟作为基准，将分机按照主机的时间进行同步，使得分机与主机的时间及采样时间间隔一致；采样的时间间隔在主机上设定可以设定为任意的时间间隔，具体可以为1s、2s、3s、5s等；以主机的时钟作为基准，将分机按照主机的时间进行同步的方法可以采用上述的一种时间同步方法。

(2)同步采样：主机和分机分别在同一时间点同时采集变电站二次设备的二次信号作为采集信号；采集的二次信号一般为电压或电流信号。

(3)数据处理：主机和分机分别对各自采集的信号进行数字滤波处理获得采集信号的相位和幅值；所述数字滤波处理具体为对采样信号快速傅氏变换。传统的交流电压电流表的幅值测量是将正弦波整流滤波后得到直流信号,并采样获取幅值信息,利用此方法直流干扰、噪声、非工频干扰信号均被转化成了直流信号，导致测量数据存在偏差，随着干扰的增大，偏差可能数倍、数十倍的增加。而采用FFT(快速傅里叶变换)将时域信号转换为频域信号，可滤除直流信号及杂波干扰。本公开的方法直接利用高速AD转换采样全波信号，测量数据稳定。

(4)数据发送分机将处理后的相位和幅值信息通过无线发送至主机；

(5)主机将分机发送的采集信号的相位和幅值信息与主机在同一时间点采集的采集信号的相位和幅值进行矢量运算，获得分机信号滞后主机采样信号的相位差；

所述矢量运算具体为：主机的相位值减去分机的相位值，差值为分机信号滞后主机采样信号的角度；

还可以在主机中设置变比，根据变比可以实现二次信号与一次信号的自由切换。

(6)数据相应：将矢量运算的相位结果传输至分机，比较矢量相位运算结果和理论相位值是否一致，如果一致，输出结果1：采集信号的相位正确，并执行步骤(7)；否则，输出结果2：采集信号的相位错误；

(7)以设定的次数重复执行(2)-(6)，如果每次步骤(6)输出都是结果1，则相位正确；如果每次步骤(6)输出都是结果2，则相位错误；次数的设定根据具体的需要设定,设定次数可以大于等于1。

相位正确说明线路连接正确，无故障，变压器可以正常运行。当多次检测输出的结果为相位错误，说明变压器可能连接错误，需要检修。多次测量是为了去除测量装置可能出现的测量误差。例如可能出现在合并单元的信号采集处测量装置卡夹在电流电压入线处接触不良，从而引起测量误差。

所述理论相位值是指变压器按照一定的接线方式连接后，各相之间的电压或者电流信号之间存在的理论相位差。

主机与分机在所述时间同步点同时并等间隔采样，对计算获取的相位做减法运算得到的相位差即为主机与分机的相位。其相位精度可达每小时不超过1°，具体计算如下：

3600×10^-8×360×50＝0.648°

上式中3600代表一小时为3600s，10^-8代表0.01ppm(百万分之零点零一)，360代表一个周期为360°，50代表工频下50Hz；

所述主机和分机之间的通讯控制还包括：分机控制主机数据的存储、分机对主机数据的查阅、主机控制分机关机。所述分机控制主机数据的存储指分机发送指令，将主机当前屏幕内接收并显示的分机采样值及基准电压(或电流)幅值及频率保存，以便后续查阅；所述分机对主机数据的查阅指分机调阅主机接收的分机(包含但不限于本分机)经矢量运算的相位、幅值信息及主机基准电压(或电流)幅值及频率信息，以便检查试验进度和是否有测量点遗漏等；主机控制分机关机指主机误操作关机需要主分机重新校验或者测试完成需要关闭分机以维持电量的持续利用时主机发送指令信息，分机接收后自动关机的行为。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。