基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統的制作方法

專利名稱：基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于變壓器變比測量技術領域，是一種基于虛擬儀器技術 的變壓器變比測量系統。(二)
背景技術：
根據GB1094-1996《電力變壓器標準》、DL/T596-1996中華人民 共和國電力行業標準《電力設備預防性試驗規程》要求，在裝備過程、 安裝前及進行大修后需要對電力變壓器的主接線、分接頭的變比進行 測定。可見，變比是變壓器的重要參數之一。變比參數的惡化可以反 映變壓器的很多故障。例如可以檢查線圈匝數是否正確、分接頭焊接 質量，查明線圈短路、斷路，分接頭開關的故障和錯誤，也可查明分 接開關手柄位置與箱內分接開關對應情況，査出分接引線裝配問題。 同時，變比測試的精度也隨現代化的發展成為影響電能質量的重要環 節。例如兩臺并列運行的變壓器要求短路阻抗匹配，具有相同鐘點， 變壓比相差不能超過0.5%。否則，兩變壓器間將產生環流電流，損 耗增加，嚴重時將導致變壓器發生故障，如繞組短路、斷路、擊穿、 變形、燒毀等。通過市場調査，現有的變比測試系統在測試精度和適 用范圍上有所欠缺，所以有必要研究一種可用于特殊接線方式的高精 度變比測量系統。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系 統，本測試系統采用了虛擬儀器的設計思想，硬件及結構統一設計， 既適應了儀器發展的潮流趨勢，又提高了儀器設備的檔次，更為重要 的是可更好地服務于不同需求的電力用戶。本發明的技術方案 一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統， 其特征在于它是由三相信號源電路、功放電路、高/低壓側控制電路、 信號調理單元、數據采集單元以及包含有變比測量程序的CPU控制器 構成；三相信號源電路輸入端接功放電路，連接到被測變壓器；同時 高/低壓側控制電路部分輸入端接被測變壓器兩側三相，輸出端接信 號調理單元，通過數據采集單元進入cpu控制器；cpu控制器反饋接 回數據采集單元，同時接三相信號源和高/低壓側控制電路部分；cpu 控制器輸入/出端口連接鍵盤輸入和顯示器輸出。上述所說的三相信號源電路是由cpld， rom, dac7644和用于幅 值控制的串行d/a組成；rom由cpld控制，根據試驗要求設置的信 號頻率及其相位關系得到對應的工作時鐘和分時生成rom的地址信號、讀寫控制、dac7644的片選、通道地址和啟動轉換等控制信號， 將滿足相位關系的波形數據寫入d/a的相應通道，并將各通道數據同 時啟動輸出，得到滿足頻率、相位要求的等幅值信號。dac7644的輸 出信號作為幅值控制的串行d/a的參考信號，通過cpu可對各路信號 的幅值進行控制。上述所說的功放電路是由包括運算放大器和電阻的同向比例電 路組成；跟隨器將信號提取，由同向放大電路進行電壓放大，由驅動 和功率單元進行功率放大，保護檢測單元實時檢測被測信號，得到的測試電壓且具有一定的功率，輸出電壓和輸入電壓信號呈線性關系， 并且可控。上述所說的高/低壓側控制電路是由高壓側繼電器電路及低壓側 繼電器電路組成；高壓側繼電器電路的輸出端連接到低壓側繼電器電 路的輸入端；所說的電路中有實現對高壓側繼電器電路及低壓側繼電 器電路進行兩次非同相測試的特種變壓器測試的繼電器。上述所說的信號調理單元是由cpld器件、8片d/a轉換器件、8片運算放大器、晶振、地址設置電路與低通濾波電路組成；各模擬通 道的放大倍數控制數據采用同一移位寄存器的輸出，每一個通道數據 的輸出都進入每路d/a的移位寄存器，8片d/a的鎖存器控制更新被 選中的調理回路的放大倍數信號。上述所說的數據采集單元是由cpld、 pc總線、模-數轉換芯片 max 125、晶振、地址設置跳線以及中斷設置跳線組成，包括各相關 接口和控制編程；在cpld芯片與pc總線之間有中斷設置跳線，cpld 上連接有地址設置接口， cpld上連接有模-數轉換芯片，模-數轉換 芯片上連接有晶振；完成對工控機地址總線數據進行譯碼的cpld是 本采集卡的核心，產生的邏輯控制信號控制各個單元的工作狀態； CPLD要求控制數據的位數和A/D轉換器的位數相匹配；數據采集單 元中設置有地址譯碼、讀數據寄存器、寫數據寄存器、控制通道寄存 器、啟動觸發器、中斷響應寄存器，通過讀寫相應的寄存器實現數據 輸入與輸出。上述所說的包含有變比測量程序的CPU控制器是由硬件乘法器、 累加器及輸入輸出控制器構成，硬件乘法器的輸出連接到累加器的輸 入，累加器的輸出連接到輸出輸出控制器的輸入。上述所說的CPU控制器的變比測量程序分為以下步驟(1)程序 開始，掛斷RTAI程序模塊，啟動信號源輸出，運行WiniGui界面。 (2)開始測試，判斷類型，相數測量相選擇。(3)將命令送入FIFOl。 然后RTAI驅動硬^f牛執行測量，將結果送入FIF02。 (4)界面顯示， 保存操作與否。本發明的工作原理三相信號源電產生三相對稱正弦波信號；經 功放電路完成該信號的電壓放大和功率放大，得到需要的測試電壓且 具有一定的功率并送至被測變壓器；高/低壓側控制電路左右邊分別 為高、低壓側繼電器電路，由CPU控制開關的關斷或導通選擇測量相 或短路相的信號通過控制K1(K1') K3 (K3')選擇測量相，控制K4 (K4，) K6(K6，)選擇短路相；三相電源法時，繼電器K1(K1，) K3 (K3，)均吸合，繼電器K4 (K4，) K6(K6，)保持開路；單相電 源法時，根據具體的變壓器控制相應的繼電器；選通的信號根據CPU 控制信號調理電路進行信號的隔離、濾波和放大，使其在數據采集卡 最佳測量范圍以內；數據采集電路將調理信號采樣對模擬信號進行模 數轉換并送至CPU中，由功能測試和分析程序完成計算并實時顯示。本發明的優越性在于1、適合各種連接方式的變壓器接線組別， 包括單相變壓器、三相變壓器的Y/Y、 Y/A、 A/Y、 △/△、 Y/Z、 △ /Z接線方式，Scott變壓器、Kubler變壓器等，隨著計算模型的補 充，還可用于其他特種變壓器的測試；2、內部配置三相測試電源， 解決現場獲取三相電源困難的問題和實現組別測試功能；3、可以采 用單相電源法進行變比測試，并且采樣率可在AD允許范圍內調整， 保證了較高的測試精度；4、接線簡單，只需將變壓器高、低壓側6 個端子與儀器對應連接，其余工作由儀器自動控制實現；5、為保證
設備和人身安全，儀器內部設置了極性保護功能，測試接線錯誤時自 動切斷測試電源并給出告警信息；6、將測量數據儲存成文件，便于 數據分析和分類管理。

.附圖1為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 的整體結構框圖。附圖2為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的三相信號源電路結構圖。附圖3為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的功放電路結構圖。附圖4為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的高/低壓側信號取樣電路結構圖。附圖5為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的信號調理電路結構圖。附圖6為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的同步數據采集卡電路結構圖。附圖7為本發明所涉一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統 中的變比測量程序流程圖。 具體實施例方式實施例 一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統(見圖1)， 其特征在于它是由三相信號源電路、功放電路、高/低壓側控制電路、 信號調理單元、數據采集單元以及包含有變比測量程序的CPU控制器 構成；三相信號源電路輸入端接功放電路，連接到被測變壓器，由 CPU控制器控制三相信號源電路產生三相對稱正弦波信號，經功放電 路完成該信號的電壓和功率放大，并將該信號送至被測變壓器；同時高/低壓側控制電路左右邊分別為高、低壓側繼電器電路，高/低壓側 控制電路部分輸入端接被測變壓器兩側三相，輸出端接信號調理單元，通過數據采集單元進入CPU控制器；CPU控制器反饋接回數據采集單元，由CPU控制繼電器(J1-J6)的導通或關斷，將相應的相電壓信號經過差分放大和信號調理電路送入同步數據采集卡進行數據的采集，完成模擬信號到數字信號的轉換，同時CPU控制器接三相信號
源和高/低壓側控制電路部分；CPU控制器輸入/出端口連接鍵盤輸 入和顯示器輸出，采集的數據將在CPU中通過分析程序完成計算，并 顯示結果。上述所說的三相信號源電路(見圖2)是由CPLD， RAM, DAC7644 和用于幅值控制的串行D/A組成。ROM由CPLD控制，根據試驗要求 設置的信號頻率及其相位關系得到對應的工作時鐘和分時生成ROM 的地址信號、讀寫控制、DAC7644的片選、通道地址和啟動轉換等控 制信號，將滿足相位關系的波形數據寫入D/A的相應通道，并將各通 道數據同時啟動輸出，得到滿足頻率、相位要求的等幅值信號。 MC7644的輸出信號作為幅值控制的串行D/A的參考信號，通過CPU 可對各路信號的幅值進行控制。上述所說的功放電路(見圖3)是由運算放大器和電阻構成的同 向比例電路組成，跟隨器將信號提取，由同向放大電路進行電壓放大， 由驅動和功率單元進行功率放大，保護檢測單元實時檢測被測信號， 得到的測試電壓且具有一定的功率，輸出電壓和輸入電壓信號呈線性 關系，并且可控。上述所說的高/低壓側控制電路(見圖4)左右邊分別為高、低 壓側繼電器電路，通過控制K1(K1') K3 (K3')選擇測量相，控制 K4(K4') K6(K6')選擇短路相。三相電源法時，繼電器Kl (Kl，) K3 (K3，)均吸合，繼電器K4 (K4，) K6(K6，)保持開路。單相電 源法時，根據具體的變壓器控制相應的繼電器。所有繼電器可控，從 而實現了對某些需要進行兩次非同相測試的特種變壓器的測試。上述所說的信號調理電路(見圖5)是由CPLD器件、8片D/A轉 換器件、8片運算放大器、晶振及地址設置電路組成，在實際實現過 程中還增加了低通濾波電路。各模擬通道的放大倍數控制數據采用同 一移位寄存器的輸出，因此任一個通道數據的輸出都會進入每路D/A 的移位寄存器，但是由于D/A的鎖存器控制信號單獨控制，因此只有 被選中的調理回路的放大倍數才會被更新。上述所說的數據采集電路(見圖6)是由CPLD、模-數轉換芯片 MAX 125、地址設置跳線、中斷設置跳線組成，所有的操作均通過對 特定的地址讀/寫完成，因此接口和編程控制都非常方便。CPLD是本
采集卡的核心，能夠對工控機地址總線數據進行譯碼，所產生的邏輯控制信號對各個單元的工作狀態起控制作用。CPLD除了要滿足相應 的時序要求外，還要求控制數據的位數和A/D轉換器的位數相匹配。 為此設計了地址譯碼、讀數據寄存器、寫數據寄存器、控制通道寄存 器、啟動觸發器、中斷響應寄存器，所有的操作都是通過讀寫相應的 寄存器實現。上述所說的包含變比測量程序的軟件(見圖7)是由操作系統， 各功能測試和分析程序構成，采用LINUX下的RTAI和MINIGUI分別 進行硬件的驅動和用戶界面的編制，兩者通過FIFO通訊；由用戶在 上層界面中選擇變壓器類型和需測試相，用戶選擇"確定"選項后， 界面MINIGUI程序按規定通訊規約將控制字存入FIFO 1中，底層RTAI 硬件驅動程序在0. 01秒的定時下不斷的從FIFO讀數， 一旦讀出符合 測量要求的控制命令，即啟動硬件電路進行測試，底層電路測試完畢 后，將結果寫入FIF02，上層界面在0. 1秒定時下不斷讀取，并將結果顯示出來。上述所說的變比測量程序分為以下步驟(1)程序開始，掛斷 RTAI程序模塊，啟動信號源輸出，運行WiniGui界面。(2)開始測 試，判斷類型，相數測量相選擇。(3)將命令送入FIFOl。然后RTAI 驅動硬件執行測量，將結果送入FIF02。 (4)界面顯示，保存操作與 否。
權利要求
1、一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統，其特征在于它是由三相信號源電路、功放電路、高/低壓側控制電路、信號調理單元、數據采集單元以及包含有變比測量程序的CPU控制器構成；三相信號源電路輸入端接功放電路，連接到被測變壓器；同時高/低壓側控制電路部分輸入端接被測變壓器兩側三相，輸出端接信號調理單元，通過數據采集單元進入CPU控制器；CPU控制器反饋接回數據采集單元，同時接三相信號源和高/低壓側控制電路部分；CPU控制器輸入/出端口連接鍵盤輸入和顯示器輸出。
2、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統，其特征在于所說的三相信號源電路是由CPLD， ROM, DAC7644 和用于幅值控制的串行D/A組成；ROM由CPLD控制，根據試驗要求 設置的信號頻率及其相位關系得到對應的工作時鐘和分時生成ROM 的地址信號、讀寫控制、DAC7644的片選、通道地址和啟動轉換等控 制信號，將滿足相位關系的波形數據寫入D/A的相應通道，并將各通 道數據同時啟動輸出，得到滿足頻率、相位要求的等幅值信號。 DAC7644的輸出信號作為幅值控制的串行D/A的參考信號，通過CPU 可對各路信號的幅值進行控制。
3、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量 系統，其特征在于所說的功放電路是由包括運算放大器和電阻的同向 比例電路組成；跟隨器將信號提取，由同向放大電路進行電壓放大， 由驅動和功率單元進行功率放大，保護檢測單元實時檢測被測信號， 得到的測試電壓且具有一定的功率，輸出電壓和輸入電壓信號呈線性 關系，并且可控。
4、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量 系統，其特征在于所說的高/低壓側控制電路是由高壓側繼電器電路 及低壓側繼電器電路組成；高壓側繼電器電路的輸出端連接到低壓側 繼電器電路的輸入端；所說的電路中有實現對高壓側繼電器電路及低 壓側繼電器電路進行兩次非同相測試的特種變壓器測試的繼電器。
5、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統，其特征在于所說的信號調理單元是由CPLD器件、8片D/A轉 換器件、8片運算放大器、晶振、地址設置電路與低通濾波電路組成; 各模擬通道的放大倍數控制數據采用同一移位寄存器的輸出，每一個 通道數據的輸出都進入每路D/A的移位寄存器，8片D/A的鎖存器控 制更新被選中的調理回路的放大倍數信號。
6、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量 系統，其特征在于所說的數據采集單元是由CPLD、 PC總線、模-數轉 換芯片MAX125、晶振、地址設置跳線以及中斷設置跳線組成，包括 各相關接口和控制編程;在CPLD芯片與PC總線之間有中斷設置跳線， CPLD上連接有地址設置接口， CPLD上連接有模-數轉換芯片，模-數 轉換芯片上連接有晶振;完成對工控機地址總線數據進行譯碼的CPLD 是本采集卡的核心，產生的邏輯控制信號控制各個單元的工作狀態； CPLD要求控制數據的位數和A/D轉換器的位數相匹配；數據采集單 元中設置有地址譯碼、讀數據寄存器、寫數據寄存器、控制通道寄存 器、啟動觸發器、中斷響應寄存器，通過讀寫相應的寄存器實現數據 輸入與輸出。
7、 根據權利要求1所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量 系統，其特征在于所說的包含有變比測量程序的CPU控制器是由硬件 乘法器、累加器及輸入輸出控制器構成，硬件乘法器的輸出連接到累 加器的輸入，累加器的輸出連接到輸出輸出控制器的輸入。
8、 根據權利要求7所說的一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量 系統，其特征在于所說的CPU控制器的變比測量程序分為以下步驟(l)程序開始，掛斷RTAI程序模塊，啟動信號源輸出，運行WiniGui 界面。(2)開始測試，判斷類型，相數測量相選擇。(3)將命令送入 FIFOl。然后RTAI驅動硬件執行測量，將結果送入FIF02。 (4)界面 顯示，保存操作與否。
全文摘要
一種基于虛擬儀器的變壓器變比測量系統，其特征在于它是由三相信號源電路、功放電路、高/低壓側控制電路、信號調理單元、數據采集單元以及包含有變比測量程序的CPU控制器構成。本發明的優越性在于1.適合各種連接方式的變壓器接線組別；2.內部配置三相測試電源；3.可以采用單相電源法進行變比測試，并且采樣率可在AD允許范圍內調整，保證了較高的測試精度；4.接線簡單，只需將變壓器高、低壓側6個端子與儀器對應連接，其余工作由儀器自動控制實現；5.為保證設備和人身安全，儀器內部設置了極性保護功能，測試接線錯誤時自動切斷測試電源并給出告警信息；6.將測量數據儲存成文件，便于數據分析和分類管理。
文檔編號G01R29/20GK101162245SQ20071015039
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月26日 優先權日2007年11月26日
發明者吳平安, 周雪松, 安小東, 康文廣, 張躍均, 邵寶福, 馬幼捷 申請人:天津理工大學