基于LabVIEW模擬輸出型電子式互感器誤差調試系統(tǒng)

尚秋峰， 趙夢瑩， 呂鵬鵬(華北電力大學電子與通信工程系，河北保定071003)

基于LabVIEW模擬輸出型電子式互感器誤差調試系統(tǒng)

尚秋峰， 趙夢瑩， 呂鵬鵬
(華北電力大學電子與通信工程系，河北保定071003)

電子式互感器誤差調試的研究有著重要的理論意義和實用價值。采用LabVIEW軟件設計了一個模擬輸出型誤差電子式互感器的調試系統(tǒng)，并完成了相應的界面設計。應用該系統(tǒng)可實現(xiàn)誤差測試和分析，滿足各項功能的設計及測試要求。

電子式互感器；誤差調試；傅里葉算法；LabVIEW

電子式互感器是構造智能變電站非常重要的一次設備，在電力系統(tǒng)通信中起到不可或缺的重要作用。隨著2007年國家標準的頒布實施，我國已經(jīng)發(fā)展到電子式互感器工程實際應用階段[1]。電子式互感器的廣泛應用使得對其參數(shù)性能的測試、調試、校準成為了一項必不可少的工作，本文應用Lab-VIEW虛擬儀器建立了一個模擬輸出型的電子式互感器誤差調試系統(tǒng)，用來提高互感器的準確度和可靠性。

1 電子式互感器誤差分析

電子式互感器的誤差調試[2]，就是比較變比相等的標準互感器和待測電子式互感器的二次輸出，并測量輸出差值。該差值是一個矢量，可分解成比值誤差(比差)和相位誤差(角差)兩個分量。

以電子式電流互感器為例，電子式互感器的比值誤差定義如下：

式中：Krd為額定變比；Ip為實際一次電流的方均根值；Is為二次轉換器輸出的方均根值。

傳統(tǒng)電磁式互感器的相位差是一次電流的向量和二次電流的向量差，即：

而電子式互感器傳輸數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)會有延遲，所以得到的相位差與傳統(tǒng)電磁式互感器定義不同，被定義為相位誤差，即：

式中：φ為相位差；φb為額定相位偏移；φd為延遲時間相位，φd=2πftd，td為延遲時間。

2 整體方案

對于電子式互感器的誤差調試方式，可按電子式互感器輸出信號分為模擬和數(shù)字兩種調試方法。

模擬調試方法是將工頻信號輸入到升流/升壓器，將其輸出的信號分別接至被測電子式互感器與標準互感器，其中，電子式電流互感器采用串聯(lián)方式，而電子式電壓互感器采用的是并聯(lián)方式。然后分別將被測電子式互感器和標準互感器輸出信號連接至輸出調理電路進行輸出調理，最后將調理后的兩路信號輸入PC機，PC機通過采集卡采集兩路信號，并將采集到的信號輸入調試軟件，在調試軟件中實現(xiàn)對電子式互感器的調試工作，如圖1所示。

數(shù)字調試方法與模擬調試方法類似，區(qū)別是將被測電子式互感器一路的輸出信號連接至合并單元進行IEC61850-9-2規(guī)約解析后直接送入PC機，而同步信息由調試軟件向合并單元和采集卡返回。

本文討論的是利用模擬方法進行誤差調試。

圖1　模擬輸出型電子式互感器誤差調試系統(tǒng)框圖

3 硬件設計

數(shù)據(jù)采樣選用ADS8556芯片進行同步采樣，采樣速率為630 kb/s，信噪比為91.5 dB，允許電壓輸入范圍在±12 V之間，工作溫度范圍為－40～125℃，可以滿足工作需求。另外，在各通道加入前置跟隨電路和RC濾波網(wǎng)絡，提高通道的輸入阻抗和抗干擾性能。圖2為AD采集電路原理。

模數(shù)轉換部分選用TMS320VC5409處理芯片。該DSP芯片采用程序與數(shù)據(jù)獨立訪問的哈佛結構，并且擁有分頁的存儲器訪問機制，運算速度高達150 MIPS。

數(shù)據(jù)通信模塊采用DM9000A進行以太網(wǎng)通信電路的設計，這一芯片的優(yōu)點是性價比高，封裝的引腳少，有利于PCB信號的走線設計。

圖2　AD采集電路原理

4 軟件設計

虛擬儀器作為一種可以方便靈活地測量、分析和處理信號的工具，近年來得到了廣泛應用[3]，以圖形化編程語言Lab-VIEW虛擬儀器作為誤差調試系統(tǒng)的開發(fā)平臺。該軟件具有很強的信號分析、數(shù)據(jù)處理能力，也有著模塊化、智能化、多功能、低成本的操作優(yōu)點，可以滿足本調試系統(tǒng)的設計要求[4]，因此，采用LabVIEW編寫了一個電子式互感器誤差調試系統(tǒng)。

首先進行參數(shù)配置，設置好被測設備型號、準確等級、采樣速率、采樣模式等信息后，驅動DAQ采集卡，分別采集被測電子式互感器和標準互感器兩路信號，將輸出值分別送入數(shù)據(jù)調理模塊。調理后讀取兩路采樣數(shù)據(jù)序列，計算誤差，將計算出的數(shù)據(jù)記錄下來，并繪制誤差曲線，如圖3所示。

4.1數(shù)據(jù)采集

通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程。完成采樣參數(shù)配置后，分別采集被測電子式互感器和標準互感器的電壓/電流值，并將輸出值分別送入數(shù)據(jù)調理模塊。

4.2數(shù)據(jù)調理

數(shù)據(jù)調理[5]采用傅里葉算法實現(xiàn)，它的基本思路來自傅里葉級數(shù)，本身有著濾波的作用。

首先假設被采樣的模擬信號為周期性時間函數(shù)，除了基波以外還含有不衰減的直流分量和各次諧波。而各次諧波的相位可以是任意值，因此把它分解成任意振幅值的正弦、余弦項的和，表示如下：

圖3　LabVIEW誤差調試系統(tǒng)軟件流程

式中：n=0,1,2,……；an和bn分別表示各次諧波正弦項和余弦項的振幅，而a1，b1的值可根據(jù)傅里葉級數(shù)計算得出。

任意次諧波的振幅和相位：

式中：n為諧波次數(shù)。

由此，可得有效值和相角：

圖4即為采用傅里葉算法進行數(shù)據(jù)調理的LabVIEW程序模塊：利用式(5)、式(6)求得an、bn的值，加權后再利用式(7)、式(8)推出有效值和相角。

圖4　數(shù)據(jù)調理部分LabVIEW程序

4.3數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)輸出部分是將經(jīng)過調理后的被測電子式互感器和標準互感器測得的電壓/電流有效值和相角分別輸入到兩路采集通道，并按照互感器誤差的定義求得比差和角差。然后，將記錄比差、角差的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)組中。將記錄數(shù)據(jù)的數(shù)組初始化后，按照設定的記錄數(shù)據(jù)的數(shù)量逐次記錄入數(shù)組中。這樣做一方面可以保存和打印實驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存為文本，并通過保存的路徑輸出，另一方面可將記錄的數(shù)據(jù)用于繪制曲線圖。此曲線圖包含誤差曲線和設定的誤差上、下限值，如圖5所示。繪制曲線比單純的數(shù)據(jù)文本輸出更加清晰直觀，也可以在測試過程中一目了然地觀察測試過程。

圖5　比差、角差測試曲線

系統(tǒng)的界面設計如圖6所示，使用選項卡具體劃分各部分功能區(qū)域，使用方便、操作便捷。界面預留了部分空間，用于功能拓展。在以后的工作中，還可以實現(xiàn)誤差補償、數(shù)據(jù)打印等功能。

5 測試結果

表1是其中一次的測試結果記錄。通過記錄的實驗數(shù)據(jù)可以看出，該調試系統(tǒng)的設計滿足電子式互感器誤差調試系統(tǒng)的設計要求。建立此軟件平臺對電子式互感器的各項參數(shù)進行調試分析，可以實現(xiàn)互感器誤差調試、校驗工作，記錄有關數(shù)據(jù)，繪制誤差曲線圖，可以測出互感器的誤差，實現(xiàn)對電能參數(shù)的調試，最終可以提供給實際生產(chǎn)中的開發(fā)人員做參考，滿足實際開發(fā)工作需要。

圖6　電子式互感器誤差調試系統(tǒng)界面

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6 結論

電子式互感器在現(xiàn)代化的變電站智能系統(tǒng)中起著重要的作用，對其參數(shù)性能的測試、調試具有重要的理論意義和實用價值。本文以傅里葉算法作為數(shù)據(jù)調理依據(jù)，利用LabVIEW軟件設計了模擬輸出型電子式互感器的誤差調試系統(tǒng)，并設計了系統(tǒng)相應的界面，應用該系統(tǒng)可實現(xiàn)誤差測試和分析，提高系統(tǒng)的可靠性和準確度。測試結果表明，本文所設計的電子式互感器誤差調試系統(tǒng)滿足各項功能的設計及測試要求。

[1]張志.電子式電流互感器在線校驗關鍵技術及相關理論研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[2]呂勇軍.電子式互感器誤差及校驗方法研究[J].儀表技術，2010 (9):1-2，18.

[3]寧偉紅，于文斌.以LabVIEW為開發(fā)平臺的電子式互感器校驗儀設計[J].電網(wǎng)技術，2009，33(5):85-89.

[4]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京:清華大學出版社，2012.

[5]丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001:97-103.

Error debugging system for electronic transformers with analog output based on LabVIEW

SHANG Qiu-feng,ZHAO Meng-ying,LV Peng-peng
(Department of Electronics and Communication,North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China)

Electronic transformer error debugging research had important theoretical and practical value.An error debugging system for electronic transformers with analog output based on LabVIEW software was designed,and the corresponding interface design was completed.The system could be applied to achieve error testing and analysis, and the requirements of various design and testing functions were satisfied.

electronic transformer;error debugging;Fourier algorithm;LabVIEW

TM 933

A

1002-087 X(2016)01-0199-04

2015-06-12

尚秋峰(1968—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向為現(xiàn)代傳感與測量技術、實時信號處理。