電子式互感器校驗(yàn)儀的研究

陳建波

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030009）

隨著國家智能電網(wǎng)十二五規(guī)劃的出臺及特高壓、超高壓輸電技術(shù)、數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，作為電力系統(tǒng)最重要的高壓設(shè)備之一，用于繼電保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)測、電力系統(tǒng)分析等作用的電磁式互感器，基于自身絕緣復(fù)雜、磁飽和、鐵磁諧振、易燃易爆、動態(tài)范圍小、頻帶窄等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展需求。取而代之的數(shù)字式互感器正在以更安全、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)陸續(xù)在國內(nèi)外高壓、超高壓乃至特高壓智能變電站中推廣應(yīng)用，為電網(wǎng)智能化保護(hù)控制起到了至關(guān)重要的作用。保證互感器穩(wěn)定可靠安全運(yùn)行就顯得特別重要。作為測量互感器誤差的儀器互感器校驗(yàn)儀，是電力、計(jì)量檢測部門檢定互感器不可缺少的設(shè)備。傳統(tǒng)電工式互感器校驗(yàn)儀采用了補(bǔ)償式零值平衡法，亦即用手動調(diào)盤的方式，控制校驗(yàn)儀內(nèi)部微差源產(chǎn)生矢量去補(bǔ)償、抵消，由被測互感器和標(biāo)準(zhǔn)互感器之間差值產(chǎn)生矢量，從而得到被測互感器的誤差。電工式互感器校驗(yàn)儀工作性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，但精度較低，操作繁瑣，不支持自動化測量。數(shù)字式互感器校驗(yàn)儀主要采用矢量分解法，亦即校驗(yàn)儀直接采集被測互感器和標(biāo)準(zhǔn)互感器之間差值電壓或差值電流，進(jìn)行矢量分解、計(jì)算，從而得到被測互感器的誤差。自動化程度高，操作簡單，很容易智能化。

1 校驗(yàn)系統(tǒng)原理

電子式互感器輸出為數(shù)字信號或小電壓信號，故不能用電工式測差法對其校驗(yàn)，而需采用直接比較法，即通過比較標(biāo)準(zhǔn)互感器與被測互感器頻域中的基波分量有效值與相位實(shí)現(xiàn)。

1.1 電子式電流互感器校驗(yàn)原理

以標(biāo)準(zhǔn)電磁式電流互感器輸出信號為基準(zhǔn)，一次側(cè)與被測電子式電流互感器串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸出電流的大小。24位A/D采集卡（PCI-4474）采集標(biāo)準(zhǔn)電磁式電流互感器二次側(cè)輸出信號，低壓側(cè)的合并單元接收二次側(cè)的電子式電流互感器輸出的電流信號。由工控機(jī)提供時鐘同步信號對兩者同步采樣，并經(jīng)數(shù)字濾波、DFT運(yùn)算等得出電子式電流互感器比值誤差和相位誤差。

電子式電流互感器檢定裝置原理框圖如圖1所示。

1.2 電壓互感器校驗(yàn)原理

電子式電壓互感器校驗(yàn)原理與電子式電流互感器校驗(yàn)原理類似，不同的是一次側(cè)被測電子式電壓互感器與標(biāo)準(zhǔn)電磁式電壓互感器并聯(lián)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸出電壓的大小。標(biāo)準(zhǔn)PT的二次側(cè)接標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器100V（100/3 V）/1.5V并送入24位A/D采集卡（PCI-4474）。

圖1 電子式電流互感器校驗(yàn)原理圖

電子式電壓互感器檢定裝置原理框圖如圖2所示。

圖2 電子式電壓互感器校驗(yàn)原理圖

2 系統(tǒng)組成

2.1 標(biāo)準(zhǔn)互感器

使用標(biāo)準(zhǔn)互感器的目的是為校驗(yàn)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，且必須可溯源。其精度要比被測互感器精度高兩個等級以上，如校驗(yàn)0.2級互感器，精度須達(dá)萬分之一，提高系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在其通道數(shù)目，輸入范圍、輸入方式等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中，最重要的參數(shù)是采樣率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，故此最初設(shè)計(jì)時我們選用Agilent3458A數(shù)字多用表，其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，在速度與精度上可長期滿足科研開發(fā)性能要求，且可溯源，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，體積較大。

為降低成本，利于產(chǎn)品推廣，我們選用PCI-4462高精度數(shù)據(jù)采集卡代替3458A數(shù)字多用表，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，體積較小，缺點(diǎn)是采集卡不能溯源。測試小信號時其超強(qiáng)抗干擾能力使其優(yōu)勢更加突出，同時該卡和LabⅥEW軟件均由NI公司生產(chǎn)，兩者高度兼容，縮短了開發(fā)過程，加快了研發(fā)進(jìn)度，同時可提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.3 合并單元

遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元是電子式互感器的接口裝置。合并單元在一定程度上實(shí)現(xiàn)了過程層數(shù)據(jù)的共享和數(shù)字化，可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，通過以太網(wǎng)絡(luò)接口控制器發(fā)送信息。采用外同步觸發(fā)方式。

合并單元主要硬件介紹:

（1）網(wǎng)絡(luò)接口控制器采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議以太網(wǎng)控制器，速率為10Mbps，自動檢測所連接的介質(zhì)，跳線模式、pnp模式和RT模式三種接口模式，符合IEEE802.3協(xié)議;內(nèi)置16 kB的SDRAM，支持8位或16位數(shù)據(jù)總線。

（2）DSP芯片DSP采用的是TI公司的16-bit定點(diǎn)DSP TMS320F206，控制A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波處理，運(yùn)算速度40MIPS，改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，有1條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線，流水線操作，有高度并行32-bit算術(shù)邏輯單元、16*16-bit并行硬件乘法器、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集，從而使該芯片速度高、操作靈活。具有超強(qiáng)抗干擾能力、數(shù)據(jù)處理能力，且能耗較低，價(jià)格便宜。

2.4 取樣電阻

將電流互感器二次電流變成電壓信號，萬分之一精度。

2.5 待檢電子式互感器

經(jīng)合并單元的二次輸出應(yīng)符合IEC60044.8通訊要求。

2.6 工控機(jī)

工業(yè)級系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，通過通信規(guī)約為IEEE488.2的PCI-GPIB卡與標(biāo)準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器相連。

2.7 上位機(jī)軟件

虛擬儀器技術(shù)人機(jī)界面的LabVIEW軟件是NI公司2008年8月新推出的最新軟件;圖形化編程語言（G語言）;內(nèi)建的編譯器;采用數(shù)據(jù)流模型，自動實(shí)現(xiàn)的多線程;輕松調(diào)用DLL、CIN 節(jié)點(diǎn)、ActiveX、.NET或 MATLAB腳本節(jié)點(diǎn);內(nèi)建600多個分析函數(shù)、用于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理;方便的子VI程序設(shè)計(jì)。在此軟件基礎(chǔ)上開發(fā)出的虛擬儀器，通過計(jì)算采集到的標(biāo)準(zhǔn)信號與被測信號，得到校驗(yàn)結(jié)果。軟件界面顯示實(shí)時測量波形，及比差、角差等檢定參數(shù)，還可顯示MU的相關(guān)信息（如ASDU個數(shù)等），并自動生成檢定報(bào)告和數(shù)據(jù)報(bào)表。除比差、角差外，還可記錄頻率、比率、頻差以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)量等，便于更加系統(tǒng)和綜合地分析互感器性能。

3 數(shù)字算法

上位機(jī)分別讀取數(shù)表和合并單元的數(shù)據(jù)，然后通過離散傅立葉變換計(jì)算比差和角差:

式中:ip——一次電流;

式中:Krd——額定變比。

相位誤差:

當(dāng)然，由于電網(wǎng)頻率在波動，信號計(jì)算、處理、傳輸都有延時，現(xiàn)場干擾又大，因此要準(zhǔn)確計(jì)算出比差和角差并非易事。

is——二次數(shù)字輸出;

n——數(shù)據(jù)組計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù);

tn——一次電流的第n次數(shù)據(jù)組被抽樣的時刻;k——累加周期數(shù);

Ts——兩次采樣之間的時間間隔。

額定頻率下比值誤差用f1時的傅立葉變換系數(shù)來計(jì)算:

4 試驗(yàn)測試

為測試校驗(yàn)系統(tǒng)的正確性，用標(biāo)準(zhǔn)信號源提供信號，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測量比差及角差，證實(shí)其精度優(yōu)于5/10 000，能對0.2級及以下數(shù)字輸出電子式互感器進(jìn)行檢定。同時根據(jù)電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)測試方法，對0.2級電流、電壓互感器進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地校驗(yàn)，校驗(yàn)通道C相，結(jié)果如下:

4.1 電子式電流互感器

制造廠:南京南瑞繼保電氣有限公司;型號:PCS-9250-EAC-35-2000;額定一次電流:2000A;方式:數(shù)字式;準(zhǔn)確級:0.2S;合并單元:PSMU602。C相電流測試結(jié)果見表1。

表1 C相電流測試結(jié)果

4.2 電子式電壓互感器

制造廠:江蘇西電南自智能電力設(shè)備有限公司;型號:PSET6330VTGS;額定一次電壓:330000/√3V;二次輸出標(biāo)準(zhǔn):IEC61850-9-2-2004;二次輸出準(zhǔn)確級:0.2/3P;合并單元:PSMU602。C相電壓測試結(jié)果見表2。

表2 C相電壓測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，上述兩類電子式互感器均達(dá)到0.2級精度。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)多地多次現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)IEC61850-9-1及IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，精度可達(dá)5/10000，能兼顧對0.2級及以下模擬輸出及數(shù)字輸出的電子式電流、電壓互感器校驗(yàn)進(jìn)行檢定，為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵性作用。

［1］劉延冰.電子式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［2］羅承淋.電子式互感器互數(shù)字化變電站［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［3］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工程出版社，2003.