電子式互感器校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電子式互感器替代電磁式互感器是電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，但是由于電子式互感器結(jié)構(gòu)的特殊性，難以應(yīng)用電磁式互感器校驗(yàn)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，因此電子式互感器校驗(yàn)方法及其裝置的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，如何準(zhǔn)確地檢驗(yàn)電子式互感器對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、計(jì)量和控制具有重要意義。

電子式互感器分為電壓互感器和電流互感器兩種，對其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號仍然由電磁式互感器獲得。待測信號則針對不同情況分為兩類：

模擬信號輸出：對電壓互感器而言，輸出范圍在1.625-6.5V之間，對電流互感器而言，其輸出范圍在22.5-4000mV之間;

數(shù)字信號輸出：是模擬信號的等距抽樣序列。對應(yīng)這兩種情況，電子式互感器的比差均可按照電磁式互感器的比差定義來進(jìn)行計(jì)算，但是相差則依據(jù)情況的不同而有所變化，這源于數(shù)字信號輸出時(shí)數(shù)據(jù)處理和傳輸時(shí)間帶來的延遲。因此，數(shù)字信號輸出時(shí)的相位誤差應(yīng)當(dāng)在測得的相位差中減去額定相位偏移和額定延時(shí)時(shí)間構(gòu)成的相位移。

對模擬信號輸出的電子式互感器，由于其輸出為弱電信號，不具備驅(qū)動能力，因此難以用現(xiàn)有的電磁式互感器校驗(yàn)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，必須考慮將其和標(biāo)準(zhǔn)電磁式互感器的模擬輸出信號均進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后利用計(jì)算機(jī)或微處理器進(jìn)行分析處理。 而對數(shù)字信號輸出的電子式互感器，由于標(biāo)準(zhǔn)信號為模擬信號，也應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再進(jìn)行處理。

目前常用的方法是數(shù)字校驗(yàn)方法，其借助數(shù)據(jù)采集裝置將標(biāo)準(zhǔn)電磁式互感器和待測電子式互感器輸出信號讀入計(jì)算機(jī)，通過軟件分析計(jì)算得出電子式互感器的精度等級。該方法可進(jìn)一步細(xì)分為直接法和差值法兩種，前者除得到精度結(jié)果之外，還可以得到諧波、電子式互感器輸出幅度及相位等附加信息，但其對采集裝置的要求很高;后者對采集裝置的要求不高，但要求電子式互感器輸出和標(biāo)準(zhǔn)電磁式互感器輸出須嚴(yán)格相等。除硬件方面的要求之外，兩者在對信號的分析處理方面異曲同工，多采用傅里葉變換的方法求取各路采集信號的基波分量。目前，基于數(shù)字校驗(yàn)方法的校驗(yàn)裝置多基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，為了消除電網(wǎng)頻率波動對校驗(yàn)結(jié)果的影響，又都采用基于高數(shù)據(jù)采集率的校驗(yàn)方法，這些都不利于校驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，也難以利用嵌入式微處理器構(gòu)建便攜式智能化校驗(yàn)裝置。

本文描述電子式互感器校驗(yàn)儀系統(tǒng)，基于德州儀器OMAP-L138雙核芯片;系統(tǒng)包含2路二次電壓測量;2路二次電流測量;1路模擬小信號測量;2路(61850)光纖通道;2路RJ45網(wǎng)絡(luò)接口;1路(FT3)光纖通道;電同步信號輸入/輸出接口;光同步信號輸入/輸出接口;1路 USB2.0，10/100M以太網(wǎng);1路RS232;基于有限次迭代與最小二乘法的組合測量原理實(shí)現(xiàn)了頻率的快速準(zhǔn)確測量，隨后結(jié)合準(zhǔn)同步算法的基本原理進(jìn)行信號基波分量的提取，兩者的結(jié)合有效解決了因電網(wǎng)頻率波動而導(dǎo)致的非同步采樣對校驗(yàn)結(jié)果的影響問題。

圖 1電子式互感器校驗(yàn)裝置系統(tǒng)硬件框圖

圖1給出了電子式互感器校驗(yàn)儀系統(tǒng)原理框圖，待校驗(yàn)的ECT有模擬和數(shù)字2種輸出，其中模擬輸出是采集的數(shù)字信號D/A變換后的輸出。依據(jù)IEC60044-7/8 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電子式互感器輸出的數(shù)字量和模擬量均需校驗(yàn);

電子式互感器校驗(yàn)儀的基本原理：首先將被測電子式電流互感器的高壓端和標(biāo)準(zhǔn)電磁式電流互感器的高壓端串聯(lián)接到高壓側(cè)(對電子式電壓互感器的校驗(yàn)采用的是并聯(lián)方式)。對于標(biāo)準(zhǔn)電磁式互感器輸出的信號，先經(jīng)過切換電路選擇電壓/電流互感器的處理電路，通過二階壓控低通濾波電路進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過采樣/保持電路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，使模擬信號數(shù)字化;被測電子式互感器的數(shù)字信號，由以太網(wǎng)接口按照電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)接口的傳輸協(xié)議對其接收。標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號在微處理器中進(jìn)行比較，按照電子式互感器的數(shù)字輸出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差定義計(jì)算出比差、相位差，實(shí)現(xiàn)對電子式互感器的校驗(yàn)工作。

電子式互感器校驗(yàn)儀的AD采集電路的精度要求較高，按照精度高兩個(gè)等級的原則，電路精度需要保證在0.02%，采用22位A/D?？梢孕?zhǔn)0.1 級及以下準(zhǔn)確級的電子式互感器。

電子式互感器的相位差與傳統(tǒng)的電磁式互感器的相位差不同，原因是電子式互感器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出量是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的延時(shí)，這一延時(shí)對相位差的影響會很大，把它當(dāng)成相位差是不恰當(dāng)?shù)模娮邮交ジ衅鞯南辔徊詈拖辔徽`差不能等同。電子式電流/電壓互感器的數(shù)字輸出相位差是一次側(cè)某電流/電壓出現(xiàn)時(shí)刻與二次側(cè)對應(yīng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)啟動傳輸?shù)臅r(shí)刻的時(shí)間差。電子式互感器的相位誤差(φw)則等于相位差(φ)減去由于額定相位差(φe：電子式互感器因選用的技術(shù)產(chǎn)生的額定相位差)和額定延時(shí)時(shí)間(tdr：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理和傳輸所需時(shí)間的額定值)所引起的偏移量。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為：φw­=φ-φe-2πftdr

由于數(shù)字輸出要求與時(shí)鐘脈沖同步，相位誤差是時(shí)鐘脈沖與數(shù)字傳輸值對應(yīng)的一次電流采樣瞬時(shí)值時(shí)間差。

電子式電流/電壓互感器輸出的數(shù)字信號是一系列的數(shù)值序列，是模擬信號的等距采樣，電子式電流互感器的數(shù)字量輸出表述式為：

Is(n)= √2Issc*sin(2πftn+φs)+isdc(n)+isres(n)

n=1,2…,N

其中，is(n)為合并單元輸出的數(shù)字輸出量，代表一次電流的瞬時(shí)值;Issc為合并單元輸出的基波有效值;isdc(n)指數(shù)字部分的二次直流輸出;isres(n)包括諧波和次諧波分量的二次剩余電流輸出;n為數(shù)據(jù)組計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù),即采樣次數(shù);tn為一次電流第n次數(shù)據(jù)組的抽樣時(shí)刻;f為基頻頻率;φs為二次相位移。

同理，可以推出電子式電壓互感器的數(shù)字輸出表述式為[17]：

us(n)= Us*√2*sin(2πftn+ψs)+Usdc(n)+usres(n)

n=1,2…,N

電流誤差(比差ε%)是電子式電流互感器引入到電流的測量中由于實(shí)際變比不等于額定變比所引起的誤差。

ε%=(Krd*Is-Ip)/Ip*100%

其中：Krd是額定變比;Ip是isres(n)=0時(shí)的實(shí)際一次電流的有效值;Is是當(dāng)isdc(n)+ isres(n)=0時(shí)的數(shù)字輸出二次電流的有效值。

同理可以定義電子式電壓互感器的比差。

ε%=(Krd*Us-Up)/Up*100%

本文描述基于德州儀器OMAP-L138雙核芯片的電子式互感器校驗(yàn)儀系統(tǒng)，通過采集標(biāo)準(zhǔn)和待測信號后，實(shí)現(xiàn)了對信號的采集、數(shù)據(jù)處理和分析等，利用校準(zhǔn)算法可計(jì)算出各信號的基波分量，進(jìn)而得到待測電子式互感器的精度指標(biāo)，其基本工作過程對其他情況下電子式互感器的校準(zhǔn)同樣適用。通過現(xiàn)場測試使用，本校驗(yàn)儀具有方便、快速、穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場使用。

參考文獻(xiàn)

1.IEC60044-7，Instrument Transformers-part 7:Electronic Voltage Transducer.

2.IEC60044-8，InstrumentTransformers-part 8:Electronic Current Transformers.

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5.余春雨.電子式互感器數(shù)字輸出校準(zhǔn)系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，2004.

6.錢政，李童杰，張翔.電子式互感器校驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23(11)：1316—1319.

7. 張蓬鶴,何俊佳，陸以彪，王保盛.電子式互感器誤差校驗(yàn)裝置的研究. 電測與儀表,2009年第01期

8.曹團(tuán)結(jié),尹項(xiàng)根,張哲,等.電子式互感器數(shù)據(jù)同步的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào),2007,49(2): 108-113.

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宋述勇(1971-)，男，山西交城人，高級工程師，1995年畢業(yè)于武漢大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)試驗(yàn)與研究工作。

李瑞(1981-)，男，山西臨汾人，2012年畢業(yè)于太原理工機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，博士，從事繼電保護(hù)試驗(yàn)與研究工作。

郝偉(1979-)，男，山西太原人，工程師，2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士研究生，從事繼電保護(hù)試驗(yàn)與研究工作。

隨著數(shù)字化變電站的快速發(fā)展，電子式互感器因其克服了傳統(tǒng)電磁式互感器絕緣和磁飽和等問題的優(yōu)勢，在數(shù)字化變電站建設(shè)中占據(jù)重要地位。