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1、1 概述 WXZ196系列微机消谐装置是我公司针对电力部门和用户由于铁磁谐振而时常发生的电压互感器（PT）烧毁甚至爆炸的恶性事故，在广泛征求用户意见的基础上，新近研制生产的一种智能消谐装置。它以美国Atmel公司的精简指令集(RISC)单片微控制器ATmega128为采样运算、逻辑判断和控制中心（CPU），经大功率、无触点消谐元件为出口，以点阵液晶显示器（LCD）、信号指示灯、触摸按键和微型打印机及RS485现场通讯总线为人机接口，配以智能化的软件，组成了技术和原理先进、使用简单方便的“傻瓜型”诊断、消谐、记录装置。该装置实时显示系统时钟及PT开口三角电压17HZ、25HZ、50HZ、150H
2、Z四种频率的电压分量，可以区分过电压、铁磁谐振及单相接地，并配置通信接口把各种故障信息传送至有关部门，适用于无人值守变电站。2 型号说明 W X Z 196 - 规格代码 合创公司微机产品代码 装置 消谐 微机型 表2-1规格代码配置外型尺寸宽高深(mm)开孔尺寸宽高(mm)打 印 机串行通讯1有无2781851302281792有有2781851302281793无无1621821601281794无有162182160128179注： 对于WXZ196-1和WXZ196-3型装置，由于不配备串行通讯口，故无下述说明中与 通讯有关的项目。 对于WXZ196-3和WXZ196-4型装置，由于不
3、配备打印机，故无下述说明中与打印 有关的项目。3 使用条件3.1 户内使用，并且室内通风良好。3.2 海拔高度2Km。3.3 环境温度-10503.4 相对湿度90%3.5 大气压力80110Kpa。3.6 周围介质无导电尘埃与导致金属或绝缘损坏的腐蚀性气体、霉菌等。4 技术参数4.1 工作电源DC/AC100-260V4.2 功耗4.2.1 电源回路 DC220V30W或AC220V30VA4.2.2 交流电压回路 1VA4.3 交流额定电压 100V4.4 可以根据用户要求特制。5 装置特点5.1 CPU采用美国Atmel公司精简指令集(RISC)单片微控制器ATmega128，数据采集、
4、运算、逻辑判断、控制输出等速度快，精度高，自带“看门狗”(Watchdog)电路，抗干扰、自检及自恢复等能力强。5.2 采用12864点阵液晶显示器(LCD)，全中文化，显示信息丰富。5.3 智能化软件技术，原理先进，性能稳定，安全可靠。5.4 实时显示系统日历、时钟、PT开口三角电压4种频率：3分频(17Hz)、2分频(25Hz)、工频(50Hz)、3倍频(150Hz)的电压分量。5.5 可以判别过电压、铁磁谐振及单相接地，并对铁磁谐振迅速消除。5.6 对各种故障均可给出告警信号并显示、打印和保存有关信息。5.7 微型打印机可以及时打印输出故障报告 (故障类型、故障时间及PT开口三角电压4种
5、频率的电压分量)。5.8 有记忆功能，可存储10次最近发生的故障信息，掉电后不丢失。5.9 消谐元件出口功率大、无触点。5.10 通过菜单提示和面板按键整定，调试和维护简单、方便。5.11 接线简单，安装方便。5.12 硬件、软件冗余设计，抗干扰能力强。5.13 适用于各种电压等级的PT。5.14 配置通信接口把各种故障信息传送至有关部门，适用于无人值守变电站。5.15 配置有压敏元件，可对铁磁谐振进行实时在线消除。5.16 使用了最优决策算法，寻找合理的消除点，使消谐操作更趋合理。6 工作原理6.1 PT产生铁磁谐振的原因电力系统中有大量的储能元件，如电压互感器、变压器、电抗器等电感元件，电
6、容器、线路对地电容、断路器的断口电容等电容元件。这些元件组成了许多串联或并联振荡回路。在正常的稳定状态下运行时，不可能产生严重的振荡。但当系统发生故障或由于某种原因电网参数发生了变化，就很可能发生谐振。譬如在中性点非有效接地系统中：一相断线接地，受电变压器和相间电容；电压互感器和线路对地电容；空载变压器和空载长架空线电容所形成的振荡回路，都有可能发生谐振。谐振常常引起持续时间很长的过电压。电压互感器一类的电感元件在正常工作电压下，通常铁心磁通密度不高，铁心并不饱和，如在过电压下铁心饱和了，电感会迅速降低，从而与电容产生谐振，这时的谐振称作铁磁谐振。铁磁谐振不仅可在基频下发生，也可在高频和低频下
7、发生。正常运行时，电压互感器开口三角的电压(3U0)理论上是0V，在实际中一般也不超过10V。系统发生单相接地故障时，3U0将迅速升高到30V，有时更高，达到120V，形成过电压。当系统上电时，由于三相不同期等原因（存在有如瞬时接地故障等的现象，）会在电压互感器中产生很大的谐波电流，导致互感器内部铁芯饱和，使二次侧的波形发生畸变，当畸变足够大时，就形成了铁磁谐振。另外也有因磁滞损耗和涡流损耗而形成谐振的情况。在形成的谐波含量中，16.667Hz，25Hz，150Hz三种成分比重较大，其他的分量相对很小，一般忽略。6.2 铁磁谐振产生的条件6.2.1 中性点非有效接地系统；6.2.2 非线性电感
8、元件和电容元件组成的振荡回路。回路线性状态时的自振频率小于某次低频谐振频率，当铁芯饱和而电感减小时，回路自振频率增加到恰好等于某次低频的谐振频率；6.2.3 振荡回路中的损耗足够小，所以谐振实际上发生在系统空载或轻载时；6.2.4 电感的非线性要相当大；6.2.5 有激发作用，即系统有某种电压、电流的冲击扰动，如跳、合闸，瞬间短路等。6.3 铁磁谐振消除原理装置实时监测PT开口三角电压，运用DFT算法计算出零序电压四种频率的电压分量。本装置较目前市场上同类设备增加了压敏元件，该元件的电抗随谐波电压而变化，从而破坏PT铁磁谐振的产生条件。达到了实时在线消除运行过程中瞬态谐振的目的，极大地降低了谐
9、振产生的可能性。如压敏元件未能完全消除PT产生的铁磁谐振，则瞬间启动大功率消谐元件予以消除。在消谐过程中，使用了最优决策算法，即寻找合理的消除点我们知道，谐波电压中16.667Hz(17Hz)，25Hz，150Hz谐波分量叠加在50Hz的基波上，将使基波波形发生严重畸变，在消谐元件出口消谐时，如不区分具体的消除点，就很容易造成PT运行的不安全，并且出口在谐波的过零点时就没有意义。所以根据最优决策理论，应该寻找那些基波过零点与谐波峰值之间的黄金分割点(0.618)进行消除，这样既可以消除谐振又能保证基波不受或少受影响(图61)。当谐振发生时，每隔一微小时间段启动一次大功率消谐元件，启动3次算作一
10、段，如果在第一段消谐过程中未能完全消除，隔一定时间启动第二段，若仍未能完全消除，则隔一定时间启动第三段。之后如谐振故障依然存在，则为了PT安全的考虑，不再启动大功率消谐元件，只用压敏元件予以实时在线消除。直到谐振完全消除。6.4 动作判据6.3.1 谐振判据：17Hz谐波电压17V，25Hz谐波电压25V，150Hz谐波电压33V。6.3.2 接地判据：基波电压30V。6.3.3 过压判据：基波电压120V。6.3.4 返回系数：93.75%。tttV000aba=0.618b图61 消谐选点示意图合成波形基波波形谐波波形7 使用说明装置加电自检后进入运行状态，绿色“运行” 指示灯闪烁，液晶显
11、示器(LCD)实时显示PT开口三角17Hz、25Hz、50Hz和150Hz四种频率的电压分量(图71)。 17Hz：000 V 25Hz：000 V 50Hz：000 V 150Hz：000 V图71 03年08月08日 13时48分53秒图72在运行状态下按 或 键可以切换显示界面为日历时钟状态(图72)，或由显示日历时钟状态切换回显示谐波电压状态(图71)。在运行状态下，若系统发生接地、过电压故障或PT产生铁磁谐振，装置判断出故障类型，点亮面板相应指示灯，通过装置端子发出相应的告警信号，同时在液晶上交替显示故障类型、时间(图73)和谐波数据(图74)，并根据用户整定情况触发打印故障报告 (
12、图75)。同时与后台监控装置实时通讯，上传当前运行状况，详细通讯规约见第10节“通讯规约”。如故障类型为PT铁磁谐振，则瞬时启动消谐元件予以消除。 接地故障 03年08月08日 13时48分53秒图73谐 17Hz：000 V波 25Hz：000 V数 50Hz：032 V值 150Hz：000 V图74退回在运行状态下按 键进入调试状态，此时显示调试主菜单(图75)。如为WXZ196-3型装置，调试主菜单如76。光条位于第一项，按 或 键可移动光条，按 键进入光条所在项的子菜单。图75 修改时钟: 系统配置 系统自检2 故障报告图76 修改时钟系统自检2 故障报告7.1 修改时钟(图77)回
13、车按 或 键可移动光标，按 或 键修改时间数值，修改完毕后按 键确认，按 回车键取消修改，并返回主菜单。修改数值时，按 或 键不放，可连续增减数值，以便快速整定。7.2 系统配置(图78) 03年08月08日 13时48分53秒图771.打印机开关 2.装置通讯地址 3.通讯波特率图78退回回车按 或 键可移动光条，按 键进入光条所在项的子菜单。需注意的是，整定完毕后必须按 键返回上级菜单。7.2.1 打印机开关(图79)回车此时光标位于当前整定状态，可按 或 键移动光标修改整定值，修改完毕后按退回键确认，按 键取消修改，并返回上一级菜单。 1.打印机开关 打开 关闭图797.2.2 装置通讯
14、地址(图710)9退回回车此时显示当前装置通讯地址，按 或 键修改数值，修改完毕后按 键确认，按 2.装置通讯地址 01图710 3.通讯波特率2400 4800 9600图711键取消修改，并返回上一级菜单。修改数值时，按 或 键不放，可连续增减数值，以便快速整定。地址范围为199。7.2.3 通讯波特率(图711)回车此时光标位于当前整定状态，可按 或 键移动光标修改整定值，修改完毕后按退回键确认，按 键取消修改，并返回上一级菜单。波特率可在2400、4800、9600三种之中选择。7.3 系统自检(图712)回车按 或 键可移动光条，按 键执行光条所在项的功能。7.3.1 指示灯检查(图
15、713)退回 1.指示灯检查 2.打印机检查 3.继电器检查 4.查看采样值图712正在检查指示灯按“退回”键返回图713此时面板接地、过压、谐振、异常红色指示灯闪烁。按 键返回上一级菜单。 感谢使用 合创消谐装置图7147.3.2 打印机检查此时打印机打印测试信息(图714)7.3.3 继电器检查(图715)回车按下 键，光条所在项对应的继电器打开或闭合，同时液晶上显示其状态。7.3.4 查看采样值(图71)液晶显示当前采样值，在此状态下，若有系统故障，装置不动作。此功能仅用于对通道的增益和采样精度进行校准。 接地信号：关闭 过压信号：打开 谐振信号：打开 异常信号：打开图715 查看故障报
16、告 清除故障报告图7167.4 故障报告回车执行该项功能时显示如图716所示子菜单。按 或 键可移动光条，按 键执行光条所在项的功能。 确实要打印吗？ 确定 取消图717 确实要清除吗？ 确认 取消图7187.4.1 查看故障报告 接地故障 03年08月08日 13时48分53秒 17Hz: 000V 25Hz: 001V 50Hz: 032V 150Hz: 000V图719回车退回回车回车退回回车首先显示最新的故障报告，按 键翻看下一个故障信息。如无故障记录，在主菜单按 键后无反应；查看完毕后或按 键返回主菜单。查看故障报告时，若按下 键，将询问用户是否打印(图717)该报告，此时可按 或
17、键移动光标进行选择，选中“确认”项后按 键进行打印(图719)并返回故障查看状态；按下 键或选中“取消”项并按下 键，返回故障查看状态。装置最多可存10重报告。7.4.2 清除故障报告(图718)回车退回按 或 键移动光标进行选择，选中“确认”项后按 键清除所有故障报告，并返回主菜单；按下 键或选中“取消”项并按键，取消清除操作并返回主菜单。注意： 在调试状态如果1分钟未按键，则自动返回运行状态。退回 在调试状态下按 键返回运行状态。 在调试状态下若发生系统故障，由于装置未投入运行，故不动作。8 打印机使用说明8.1 打印纸宽44.50.5mm，厚0.07mm，纸卷外径50mm。8.2 兰色色
18、带装于可拆卸色带盒中。8.3 前面板上有两个按键(SEL-联机/脱机，LF-走纸/停纸)、联机指示灯、出纸口。8.4 同时按下SEL和LF键，打印机进入自检状态，打印输出打印机自带的标准字符集。8.5 打印机联机时指示灯亮，脱机时指示灯灭。按SEL键可切换联机/脱机状态。8.6 在脱机状态下，按LF键开始走纸，再按下LF键停止走纸。8.7 需更换打印纸时，打开装置面板，取下纸轴，更换纸卷后重新安好纸轴，将打印纸穿入出纸口，并加电走纸，待纸穿过出纸口后使之停止走纸。8.8 需更换色带时，取下打印机的面罩，出纸口下部的黑色塑料盒即为色带盒，将其沿垂直面板方向小心拔出。更换后按拔出时的相反步骤将其安
19、装。8.9 故障处理如果打印机不打印，首先看打印机的联机指示灯亮否，打印机只能在联机状态（指示灯亮）时才能打印。如联机指示灯不亮，按SEL键，若仍不亮，检查是否通电；如果指示灯亮，但不打印或打印不正常，可进行打印机自检检查。如果故障不能排除，请更换打印机或联系维修。8.10 打印机与主机相连的电源线和数据线若拨下，请记住插脚方向，以便恢复。8.11 严禁带电操作。9 通讯规约9.1 通讯接口9.1.1 接口标准为RS485。9.1.2 工作方式为串行，异步，半双工。9.1.3 数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，低位在前。9.1.4 通讯速率为2400或4800或9600
20、波特。9.2 通讯方式采用主从查询方式。监控系统(主站)周期性依次查询各保护或监测装置(从站)，被查询装置按所接收的命令产生相应的动作并按相应报文帧格式进行应答。主站可随时插入各种类型报文，检索从站信息，或对从站进行控制操作。9.3 报文格式报文采用单帧格式，长度不固定。报文长度指报文内容长度，代码和指故障特征码、报文长度、报文内容之和的低16位值。报文的基本单位为字节，每个字节为一个8位组，每字节根据报文类型的不同可作为二进制数或BCD码或ASCII码等。9.4 报文类型9.4.1 监控向装置下发查询报文(表91) 表91字节偏移报文内容报 文 说 明000EBH同步头01090H020EB
21、H03090H04002H起始符05ADDR装置地址(根据装置整定值设置)06055H命令特征码主站周期性依次向各从站查询有无故障信息上传，从站应答主站查询命令。若当前有故障，则上送当前故障报文(表95)，若同一故障一直存在，则发送故障首次启动时的报文，只有当故障消失并重新启动或故障类型发生变化时，才发送新的故障报文；若当前无故障，则上送无故障报文(表94)；但自上次查询以来曾经产生过故障，则上送最新的故障报文。之后若再次查询，则上送无故障报文。9.4.2 监控向装置下发远方复归报文(表92) 表92字节偏移报文内容报 文 说 明000EBH同步头01090H020EBH03090H04002
22、H起始符05ADDR装置地址(根据装置整定值设置)06056H命令特征码9.4.3 装置向监控上传复归应答报文(表93) 表93字节偏移报文内容报 文 说 明000EBH同步头01090H020EBH03090H04002H起始符05ADDR装置地址(根据装置整定值设置)06CODE命令特征码(57为复归不成功；58为复归成功)07000H结束符9.4.4 装置向监控上传无故障报文(表94) 表94字节偏移报文内容报 文 说 明000EBH同步头01090H020EBH03090H04002H起始符05ADDR装置地址(根据装置整定值设置)06005H命令特征码07000H结束符9.4.5 装
23、置向监控上传故障报文(表95) 表95字节偏移报文内容报 文 说 明000EBH同步头01090H020EBH03090H04002H起始符05ADDR装置地址(根据装置整定值设置)06050H命令特征码07010H报文长度08TYPE故障类型(接地为11H；谐振为22H；过压为33H)09YEAR(低8位)年(压缩BCD码格式)10YEAR(高8位)11MONTH月(压缩BCD码格式)12DAY日(压缩BCD码格式)13HOUR时(压缩BCD码格式)14MINUTE分(压缩BCD码格式)15SECOND秒(压缩BCD码格式)16V17Hz(低8位)17Hz谐波电压值17V17Hz(高8位)1
24、8V25Hz(低8位)25Hz谐波电压值19V25Hz(高8位)20V50Hz(低8位)50Hz基波电压值21V50Hz(高8位)22V150Hz(低8位)150Hz谐波电压值23V150Hz(高8位)24SUM(低8位)代码和25SUM(高8位)26003H结束符10 调试大纲和模拟试验10.1 装置校准10.1.1 液晶显示检查给装置加电，详细检查液晶显示是否完好，有无缺字、缺划、乱码等，显示应清晰。如显示颜色过淡或过重，则打开面板，调节面板上的电位器RW1。10.1.2 通道校准给装置加电，使用继电保护测试仪或调压器(并入电压表)给装置零序电压端子加一定电压，当所加电压较大时，可切换到系
25、统自检菜单中的查看采样值下，观察采样值的大小。调节后板上的电位器RW1，使液晶显示与实际所加电压一致。10.1.3 通道精度检查检查所加电压与显示电压之间的误差不超过2%，停顿一定的时间，以观察其稳定度。10.2 功能测试10.2.1 校时给装置加电，进入修改时钟菜单，进行时间校准。10.2.2 系统配置打印机开关设为打开；装置通讯地址设为01；通讯波特率设为2400。10.2.3 系统自检依次检查指示灯、打印机、继电器。10.2.4 清除故障报告将现有故障报告清除。10.3 模拟试验10.3.1 接地用继电保护测试仪或调压器(可并入电压表，以便准确地查看电压输出)给装置零序电压端子加电压，由
26、低于30V缓慢升到30V，装置动作：点亮接地指示灯，闭合接地告警继电器(用万用表测量其输出接点，应处于导通状态)，打印故障信息，通过串口上传故障信息。将电压缓慢下降，在不低于28.125V时，由于返回系数的存在，该故障仍继续存在。低于28.125V时，故障返回。但此时指示灯、接地告警继电器仍保持，打印机在打印完该故障后自动停止，串行通讯由上传故障报文变为上传无故障报文。查看故障报告，应当显示记录故障动作时刻的信息。此电压值可能低于门坎值30V但高于返回值28.125V，如29V。10.3.2 过压用继电保护测试仪或调压器(可并入电压表，以便准确地查看电压输出)给装置零序电压端子加电压，由低于1
27、20V缓慢升高到120V，装置动作：点亮过压指示灯，闭合过压告警继电器(用万用表测量其输出接点，应处于导通状态)，打印故障信息，通过串口上传故障信息。将电压缓慢下降，在不低于112.5V时，由于返回系数的存在，该故障仍继续存在。低于112.5V时，故障返回。但此时指示灯、过压告警继电器仍保持，打印机在打印完该故障后自动停止，串行通讯由上传故障报文变为上传无故障报文。查看故障报告，应当显示记录故障动作时刻的信息。此电压值可能低于门坎值120V但高于返回值112.5V，如115V。10.3.3 谐振用继电保护测试仪或频率发生器给装置零序电压端子加16.667Hz频率的电压，由低于17V缓慢升到17
28、V，装置动作：点亮谐振指示灯，闭合谐振告警继电器(用万用表测量其输出接点，应处于导通状态)，打印故障信息，通过串口上传故障信息。将电压缓慢下降，在不低于15.9375V时，由于返回系数的存在，该故障仍继续存在。低于15.9375V时，故障返回。但此时指示灯、谐振告警继电器仍保持,打印机在打印完该故障后自动停止，串行通讯由上传故障报文变为上传无故障报文。查看故障报告，应当显示记录故障动作时刻的信息。此电压值可能低于门坎值17V但高于返回值15.9375V，如16V。25Hz、150Hz试验方法同理。谐振模拟实验的原理接线图如图101。当装置内部的大功率消谐元件启动时，会产生很大的暂态冲击电流，这
29、会对实验仪器产生不利的影响甚至使其损坏。为了避免此情况发生，应在试验回路中串接如图所示的灯泡或电阻，以便限制电流的大小。灯泡或电阻的功率一般在30W100W(阻值5001500)之间即可。谐波发生器或继电保护测试仪WXZ196-X型微机消谐装置图101 谐振模拟实验原理接线图11 维护事宜11.1 时间校准定期查看设备的时钟，一般情况下不须调整，若发现日期及时钟不准时，可按7.1对时间进行校准。如时钟停止走时，可能由于时钟晶振被人为干扰，断电后将主板上的电池取下，然后重新安装，加电后调整时间即可。若仍未解决，可能是电池损坏或失效，请与厂家联系维修。11.2 通道校准定期检测装置的采样值是否准确
30、，若不准确可按10.1.2校准。11.3 复归键的功能在装置因系统故障或模拟实验而动作时，复归键用来复归信号指示灯和告警继电器。11.4 复位键的功能若装置偶然出现用户不能识别的状态，如液晶花屏等，复位键可使其恢复。11.5 安装注意事项11.5.1 安装时勿使装置表面磨损，特别是面膜，以免影响美观及用户的正常使用。11.5.2 尽量保持条形码的完整，以便日后厂家对设备进行跟踪维护。11.5.3 接线时请务必将装置端子的“屏蔽地”与屏体外壳或大地相连。11.5.4 接线时须用力均匀，以免损坏端子。12 订货须知12.1 装置的型号及数量12.2 如不满足3的使用条件，订货时予以说明。13 附图
31、WXZ196-1微机消谐装置 17Hz：000 V 25Hz：000 V 50Hz：000 V 150Hz：000 V复归复位退回回车SEL LF太原合创自动化有限公司电源运行接地过压谐振异常图131 WXZ196-1型微机消谐装置面板布置图WXZ196-2微机消谐装置 17Hz：000 V 25Hz：000 V 50Hz：000 V 150Hz：000 V复归复位退回回车SEL LF太原合创自动化有限公司电源运行接地过压谐振异常通讯图132 WXZ196-2型微机消谐装置面板布置图WXZ196-3微机消谐装置 17Hz：000 V 25Hz：000 V 50Hz：000 V 150Hz：00
32、0 V复归复位退回回车太原合创自动化有限公司运行接地过压谐振异常电源图133 WXZ196-3型微机消谐装置面板布置图WXZ196-4微机消谐装置 17Hz：000 V 25Hz：000 V 50Hz：000 V 150Hz：000 V复归复位退回回车太原合创自动化有限公司运行接地过压谐振异常通讯电源图134 WXZ196-4型微机消谐装置面板布置图图135 后板布置与端子排布图1电源(AC/DC220V)2电源(AC/DC220V)3PT开口三角电压U04PT开口三角电压U05告警信号公共端6接地告警信号7过压告警信号8谐振告警信号9异常告警信号10屏蔽地11串行通讯RS485-A12串行通
33、讯RS485-BFUSE保险管OI电源开关图136 二次原理接线图控制电源控制电源接入PT开口三角接入信号电源接地告警信号过压告警信号谐振告警信号异常告警信号屏蔽地RS485串行通讯147102581136912WXZ196-X微机消谐装置+XM-XM+KM-KM3U0ABBBB图137 WXZ196-1(或2)型装置外形尺寸图2271201301421782781851021792282554-7图138 WXZ196-1(或2)安装开孔尺寸图图139 WXZ196-3(或4)型装置外形尺寸图1161501601631781621821021791281464-7图1310 WXZ196-3(或4)安装开孔尺寸图111256789103412 微 控 制 器实时时钟光电隔离及冗余抗干扰回路压敏消谐元件大功率消谐元件抗干扰及滤波回路显示器键 盘指示灯光电隔离RS485 光 电 隔 离J1J2J3J4+24VAC/DC220 DC DC DC通讯电源图1311 装置原理方框图 2009年9月
