電子式互感器校驗儀的設(shè)計與實現(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裝置進行校驗，因此電子式互感器校驗方法及其裝置的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點，如何準確地檢驗電子式互感器對電力系統(tǒng)繼電保護、計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，對其進行校準時，標準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行計算，但是相差則依據(jù)情況的不同而有所變化，這源于數(shù)字信號輸出時數(shù)據(jù)處理和傳輸時間帶來的延遲。因此，數(shù)字信號輸出時的相位誤差應(yīng)當(dāng)在測得的相位差中減去額定相位偏移和額定延時時間構(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裝置進行校驗，必須考慮將其和標準電磁式互感器的模擬輸出信號均進行A/D轉(zhuǎn)換后利用計算機或微處理器進行分析處理。 而對數(shù)字信號輸出的電子式互感器，由于標準信號為模擬信號，也應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再進行處理。

目前常用的方法是數(shù)字校驗方法，其借助數(shù)據(jù)采集裝置將標準電磁式互感器和待測電子式互感器輸出信號讀入計算機，通過軟件分析計算得出電子式互感器的精度等級。該方法可進一步細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準電磁式互感器輸出須嚴格相等。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)字校驗方法的校驗裝置多基于計算機實現(xiàn)，為了消除電網(wǎng)頻率波動對校驗結(jié)果的影響，又都采用基于高數(shù)據(jù)采集率的校驗方法，這些都不利于校驗過程的實時實現(xiàn)，也難以利用嵌入式微處理器構(gòu)建便攜式智能化校驗裝置。

本文描述電子式互感器校驗儀系統(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現(xiàn)了頻率的快速準確測量，隨后結(jié)合準同步算法的基本原理進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結(jié)果的影響問題。

圖 1電子式互感器校驗裝置系統(tǒng)硬件框圖

圖1給出了電子式互感器校驗儀系統(tǒng)原理框圖，待校驗的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 標準規(guī)定，電子式互感器輸出的數(shù)字量和模擬量均需校驗;

電子式互感器校驗儀的基本原理：首先將被測電子式電流互感器的高壓端和標準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采用的是并聯(lián)方式)。對于標準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行濾波，然后經(jīng)過采樣/保持電路進入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準接口的傳輸協(xié)議對其接收。標準信號和被測信號在微處理器中進行比較，按照電子式互感器的數(shù)字輸出標準規(guī)定的誤差定義計算出比差、相位差，實現(xiàn)對電子式互感器的校驗工作。

電子式互感器校驗儀的AD采集電路的精度要求較高，按照精度高兩個等級的原則，電路精度需要保證在0.02%，采用22位A/D?？梢孕?.1 級及以下準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)字數(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)時將產(chǎn)生一個相當(dāng)大的延時，這一延時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刻的時間差。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)和額定延時時間(tdr：數(shù)字數(shù)據(jù)處理和傳輸所需時間的額定值)所引起的偏移量。

數(shù)學(xué)表達式為：φw­=φ-φe-2πftdr

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

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)組計數(shù)器的計數(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時的實際一次電流的有效值;Is是當(dāng)isdc(n)+ isres(n)=0時的數(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儀系統(tǒng)，通過采集標準和待測信號后，實現(xiàn)了對信號的采集、數(shù)據(jù)處理和分析等，利用校準算法可計算出各信號的基波分量，進而得到待測電子式互感器的精度指標，其基本工作過程對其他情況下電子式互感器的校準同樣適用。通過現(xiàn)場測試使用，本校驗儀具有方便、快速、穩(wěn)定等特點，非常適合實驗室及現(xiàn)場使用。

參考文獻

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

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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)于太原理工機械設(shè)計及理論專業(yè)，博士，從事繼電保護試驗與研究工作。

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，從事繼電保護試驗與研究工作。

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。