一種用于電子式互感器相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)字移相方法

程含渺，徐 晴，紀(jì) 峰，穆小星，陳 剛，田正其，胡 ?。?國家電網(wǎng)公司電能計量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院），江蘇南京009；.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

一種用于電子式互感器相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)字移相方法

程含渺1，徐 晴1，紀(jì) 峰1，穆小星1，陳 剛1，田正其1，胡 琛2
（1.國家電網(wǎng)公司電能計量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院），江蘇南京210019；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

電子式互感器的采集器在采樣模擬信號時一般有固定的相位誤差，影響了測量準(zhǔn)確度，需要使用移相方法校正相位誤差。針對數(shù)字移相方法，提出了基于最小二乘擬合的數(shù)字移相算法，推導(dǎo)出了數(shù)字移相遞推式，并仿真分析了移相算法的性能。結(jié)果表明，該算法均具有較高的移相分辨率和移相精度，且能保證幅值準(zhǔn)確度。將該算法應(yīng)用于基于Rogowski線圈的電子式互感器，準(zhǔn)確度比較測試驗(yàn)證了該算法的可行性和有效性。

電子式互感器；相位偏差；數(shù)字移相；最小二乘擬合

0 引言

電子式互感器主要由傳感器、采集器和合并單元三部分組成，由于其優(yōu)越的傳感性能、絕緣性能和性價比優(yōu)勢而大量應(yīng)用于智能電網(wǎng)的建設(shè)［1－3］。在設(shè)計和制造時，由于傳感器原理和采集器前端的信號調(diào)理電路，采集器輸出的采樣信號在相位上滯后于實(shí)際一次輸入信號，所以有必要研究如何對該模擬相位差進(jìn)行補(bǔ)償。

目前主要采取2種方法補(bǔ)償相位差：一種是在采集器中引入模擬移相電路對輸入的模擬信號進(jìn)行移相［4－6］，另外一種是在采集器中采用數(shù)字移相方法對采集器輸出信號進(jìn)行移相處理［7－10］。模擬移相電路受到了電子元器件長期穩(wěn)定性的制約，增加的模擬電路環(huán)節(jié)既增加了采集器的功耗，又容易受到自然環(huán)境和電磁環(huán)境影響量的干擾，降低了設(shè)備的可靠性。近年來，電子式互感器相位差補(bǔ)償?shù)难芯扛嗟丶性诶脭?shù)字移相方法來校正相位。文獻(xiàn)［7］將模擬移相電路數(shù)字化，并采用相位均衡方法實(shí)現(xiàn)校正數(shù)字移相的非線性相位，運(yùn)算過程復(fù)雜。文獻(xiàn)［8］提出了一種短數(shù)據(jù)窗移相算法，利用3個采樣點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)移相計算。文獻(xiàn)［9，10］以該算法為基礎(chǔ)做了更深入的工作，取得了較好的效果。但從短數(shù)據(jù)窗移相算法推導(dǎo)過程可以看出其準(zhǔn)確度與采樣率和信號頻率有關(guān)。文獻(xiàn)［11］總結(jié)比較了現(xiàn)有的大部分移相算法，其中提到的移點(diǎn)法常見于直接數(shù)字頻率直接合成（direct digital frequency synthesizer，DDS）技術(shù)中，原理簡單，但移相分辨率有限，取決于每周波離散點(diǎn)數(shù)。文獻(xiàn)［12］基于鎖相環(huán)技術(shù)對移點(diǎn)法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了移相分辨率，但實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜?？傊壳暗臄?shù)字移相方法較多，但在準(zhǔn)確度性能和復(fù)雜度方面不能達(dá)到很好的平衡。

為了解決上述問題，根據(jù)移相原理，提出了一種基于最小二乘法擬合的數(shù)字移相算法，已應(yīng)用到了合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)［13］。該算法基于移點(diǎn)的思想，很好地平衡了運(yùn)算復(fù)雜度和移相性能，改善了移相分辨率，降低了計算復(fù)雜度。算法的計算量小，易于硬件實(shí)現(xiàn)。本文在文獻(xiàn)［13］的基礎(chǔ)上，更詳細(xì)深入推導(dǎo)和分析了該移相算法，并將其應(yīng)用于電子式互感器設(shè)計，實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性。

1 基于最小二乘數(shù)字移相算法

1.1移相原理

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。如圖1所示，假設(shè)被測信號為S，由于互感器自身以及采集器的信號處理部分的影響，信號在時間上滯后Δt，則實(shí)際采樣信號為相位滯后的信號S′。為了真實(shí)還原被測信號，需要將S′向前移相Δt。

假設(shè)在ts時刻采樣點(diǎn)為A′，可以計算出Δt之前的值為A″，將A″作為ts時刻的采樣值A(chǔ)，即實(shí)現(xiàn)了將S′向前移相Δt，從而得到真實(shí)的被測信號S。

根據(jù)上述過程，基于最小二乘擬合移相的原理如下：假設(shè)根據(jù)電子式互感器的若干點(diǎn)采樣值，由最小二乘擬合算法，可以得到S′的局部擬合表達(dá)式。

圖1 移相示意圖Fig.1 Schematic of phase?shift

式（1）中：f0（t），f1（t），…，fn（t）為基函數(shù)；a0，a1，…，an為基函數(shù)的系數(shù)。

在ts時刻，A′點(diǎn)的值為：

Δt之前A″點(diǎn)的值為：

將A″作為ts時刻的采樣值，并依次類推。最終可以根據(jù)實(shí)際的采樣點(diǎn)得到向前移相Δt的實(shí)際被測信號。

值得注意是，與相位補(bǔ)償有相似之處的另一種數(shù)據(jù)處理是同步，2者既有聯(lián)系也存在區(qū)別。同步是指在采樣信號能真實(shí)表示被測信號情況下，僅僅需要根據(jù)采樣點(diǎn)獲得特定時刻的采樣值，也叫重采樣。文獻(xiàn)［14，15］對插值法數(shù)據(jù)同步進(jìn)行了討論。在圖1中，若將A″作為ts′時刻的采樣值，實(shí)現(xiàn)的則是數(shù)據(jù)同步。

1.2算法推導(dǎo)

為了實(shí)現(xiàn)上述移相，本文推導(dǎo)出一種基于n階m點(diǎn)多項(xiàng)式最小二乘擬合數(shù)字移相公式。（1）n階多項(xiàng)式擬合函數(shù)的基函數(shù)為：

（2）n階擬合函數(shù)為：

（3）假設(shè)從t1時刻開始等間隔的m點(diǎn)數(shù)據(jù)為：g（t1），g（t2），…，g（tm）；

（4）由m點(diǎn)數(shù)據(jù)和擬合曲線函數(shù)得到方程組：

（5）令基函數(shù)值為矩陣G，系數(shù)為向量k，函數(shù)值為向量y，即：

則方程組（5）可寫成：

在數(shù)學(xué)上可以證明：

（6）假設(shè)g（tm）超前Δt的值為h（tm），則：

（7）將式（10）帶入式（11），可得h（tm）和y的關(guān)系具有如下形式：

式（12）中的（α1，α2，…，αm）T是僅僅與Δt相關(guān)的常數(shù)，定義為移相常系數(shù)，由下式給出：

式（13）中的Δt＞0時為超前移相；Δt＜0時為滯后移相。

該常數(shù)在此并無實(shí)際的物理意義，只有在設(shè)計模擬移相器時才具有物理意義［16］。式（13）的離散歸一化形式為：

eout（n）＝β1e（n）＋β2e（n－1）＋…＋βme（n－m）（14）式（14）中：eout（n）為根據(jù)當(dāng)前時刻接收的m點(diǎn)采樣值求出的移相Δt后的采樣值；β1，β2，…，βm為離散歸一化移相常系數(shù)。

假設(shè)采樣周期為Ts，離散歸一化移相常系數(shù)由下式給出：

式（15）中對應(yīng)的矩陣H為：

從推導(dǎo)過程可知，該算法的移相分辨率取決于采集器中的微處理器（microcontroller unit，MCU）計算能力，只要MCU計算的有效位數(shù)足夠多，則理論上移相分辨率Δt的值也將足夠小。但實(shí)際應(yīng)用中，MCU的計算能力難免有限，故移相分辨率也將受到限制的，但這并不是算法本身引起的。

1.3算法仿真

為了驗(yàn)證最小二乘擬合數(shù)字移相方法的有效性，文獻(xiàn)［15］做了簡單仿真驗(yàn)證。本文從時域和頻域進(jìn)行了分析。1 μs時間延遲在50 Hz條件下對應(yīng)1.08′的相位偏差，所以根據(jù)式（16）可以計算對應(yīng)的延遲時間：

式（17）中：θ為相位偏差；Δt為延遲時間。

本文假設(shè)輸入信號為Vi＝sinωt，需要移相的時間分別為前移62.5 μs或者后移62.5 μs，根據(jù)式（13），移相的點(diǎn)數(shù)分別為前移0.25點(diǎn)和后移0.25點(diǎn)，計算出的延遲常系數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)字移相的延遲常系數(shù)Table 1 Delay constant coefficients of digital phase shift

根據(jù)表1的計算結(jié)果，代入式（12）中，分別仿真計算前移和后移后的輸出。歸一化后的仿真波形如圖2所示。移相前后的相位差和幅值差如表2所示。

圖2 數(shù)字移相仿真圖Fig.2 Simulation figure of digital phase shift

從仿真結(jié)果可以看出，采用三階8點(diǎn)多項(xiàng)式擬合的數(shù)字移相方法，對幅值誤差和相位誤差都幾乎沒有影響，具有較高移相準(zhǔn)確度。

表2 移相的相位差和幅值差Table 2 Phase errors and ratio errors after phase shift

以上仿真在時域驗(yàn)證了移相效果，下面從頻域進(jìn)一步分析該算法。對式（14）進(jìn)行變形和z變換，求出其z域傳遞函數(shù)為：

在上述仿真條件下，以前移50 μs為例分析該方法在頻率的性能，改變被測信號頻率，分析該方法在頻率變化時的性能，數(shù)字移相的頻率仿真特性如圖3所示。

圖3 數(shù)字移相的頻率特性Fig.3 Frequency characteristics of digital phase shift

從圖3可以看出，該移相方法在40次諧波以內(nèi)均具有增益約為1的幅頻特性和線性相位，即該算法不會引入幅值誤差，群延遲時間也是恒定的，表明即使輸入信號含有諧波，本算法也能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的相位補(bǔ)償。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1模擬移相電路和數(shù)字移相算法的比對試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證數(shù)字移相算法能夠?qū)崿F(xiàn)和模擬移相電路相同的移相效果。具體試驗(yàn)布置圖如圖4所示。本試驗(yàn)需要使用到2個羅氏線圈（Rogowski線圈，0.2S級準(zhǔn)確度），其中1號羅氏線圈輸出經(jīng)過模擬移相電路后輸出數(shù)字信號給數(shù)字信號處理單元，2號羅氏線圈在A／D采樣后再進(jìn)行數(shù)字移相，輸出數(shù)字信號提供給同一個數(shù)字信號處理單元，A／D芯片采用的是AD7685。數(shù)字信號處理單元比較兩路的輸出并計算幅值偏差和相位偏差，將結(jié)果最終送到計算機(jī)（personal computer，PC）中進(jìn)行顯示。本試驗(yàn)采用的羅氏線圈基于印制電路板（printed circuit board，PCB）設(shè)計，可以保證良好的一致性。另外需要注意的是，羅氏線圈輸出正比于一次電流的微分，為了還原一次信號，需要對羅氏線圈輸出進(jìn)行積分，本試驗(yàn)采用的是改進(jìn)的AI－Alaoui積分算法，能提高積分器的準(zhǔn)確度，并同時改善了數(shù)字積分器的抗直流失調(diào)量的性能［17］。最終本試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖4 模擬移相電路和數(shù)字移相算法的比對試驗(yàn)Fig.4 Comparison test between analogue phase?shift circuit and digital phase?shift algorithm

表3 比對試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the comparison test

表3的幅值偏差和相位偏差為2路數(shù)字信號的絕對偏差，由結(jié)果可知，在額定電流600 A工況下，模擬移相電路和數(shù)字移相算法能達(dá)到相同的移相效果，不會對幅值造成影響，與此同時，數(shù)字移相電路不會受到溫度、電磁環(huán)境和自然環(huán)境等因素的影響。

2.2準(zhǔn)確度測試試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本算法的準(zhǔn)確性，將該算法引入電子式互感器采集器中，進(jìn)行如圖5所示的電子式互感器準(zhǔn)確度測試試驗(yàn)。其中，羅氏線圈依然采用第2.1節(jié)試驗(yàn)中的線圈，不過其中一路不再加上模擬移相電路。2個羅氏線圈輸出經(jīng)過合并單元（merging unit，MU）后進(jìn)入電子互感器校驗(yàn)儀。試驗(yàn)中用到的標(biāo)準(zhǔn)互感器為0.02級，變比600 A／5 A的電磁式電流互感器，輸出經(jīng)過一個0.02級，變比為5 A／4 V的標(biāo)準(zhǔn)變換器后進(jìn)入電子式互感器校驗(yàn)儀。數(shù)字輸出的電子式互感器校驗(yàn)一般不能采用差值法，而采用絕對測量法，該內(nèi)容的研究已經(jīng)非常多［18］。本文采用自行研制的電子式互感器校驗(yàn)儀對上述電流互感器進(jìn)行準(zhǔn)確度測試，該校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度等級為0.05級，不確定度分別為f＝0.017%和δ＝0.6′（k＝2），2個羅氏線圈的準(zhǔn)確度測量結(jié)果如表4和表5所示［19］。

圖5 基于數(shù)字移相算法的電子式互感器準(zhǔn)確度試驗(yàn)Fig.5 Accuracy test of digital phase?shift based electronic transformer

表4 1號羅氏線圈準(zhǔn)確度測試結(jié)果Table 4 Results of error calibration of 1＃Rogowski coil

表5 2號羅氏線圈準(zhǔn)確度測試結(jié)果Table 5 Results of error calibration of 2＃Rogowski coil

從表4和表5可以看出，基于最小二乘擬合數(shù)字移相算法能校正固定相位差，減小相位延遲，且具有較高的幅值準(zhǔn)確度和相位準(zhǔn)確度，可用于電子式互感器設(shè)計之中，已達(dá)到減小電子互感器輸出相位差的目的，更好地滿足間隔層設(shè)備的實(shí)時性要求。

3 結(jié)語

本文針對電子互感器的傳感器和前端模擬信號調(diào)理電路引入的相位差，提出了一種基于最小二乘的數(shù)字移相方法，推導(dǎo)出了移相公式，仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明該方法可以用于電子式互感器中，補(bǔ)償該部分的相位延遲。和模擬移相電路比較，具有長期穩(wěn)定性好、抗干擾、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

（1）該方法不但可用于電子式互感器的數(shù)據(jù)處理，還可以用于其他需要做數(shù)字移相的應(yīng)用場合，如模擬量輸入合并單元等。

（2）本移相方法基于最小二乘擬合，因此對測量波形有一定的平滑作用，但在較大的測量噪聲情況下，平滑效果一般。此外，移相算法雖然固然會存在滯后效應(yīng)，但是這部分算法是一種遞推算法，運(yùn)算復(fù)雜度大大降低，一個周波的運(yùn)算次數(shù)是80次乘法和80次加法，和需要補(bǔ)償?shù)哪M電路延時相比較小。試驗(yàn)結(jié)果也表明，移相算法可以很好地補(bǔ)償模擬電路引入的相位差，有效地減小電子式互感器輸出的相位差。

（3）本文僅研究了多項(xiàng)式為基函數(shù)的擬合移相，后續(xù)可以研究不同基函數(shù)的移相效果，并可以研究移相同時能提高信噪比的新算法。

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Nanjing 210019，China；2.SEEE Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

A Digital Phase?shift Method for Phase Compensation of Electronic Instrument Transformers

CHENG Hanmiao1，XU Qing1，JI Feng1，MU Xiaoxing1，CHEN Gang1，TIAN Zhengqi1，HU Chen2
（1.State Grid Key Laboratory of Electrical Power Metering（State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute），

A fixed phase displacement exists when electronic instrument transformers sample analog signals，which affects the measurement accuray，and needs to be corrected using phase shift method.This paper proposes a digital phase?shift method based on least?square fitting algorithm.The digital phase shifting recurrence formula is deduced，and the performance of phase shifting algorithm is simulated and analyzed.The results show that the method has a relatively high resolution and precision in phase?shifting，furthermore，it can guarantee the amplitude measurement accuracy.The algorithm is applied to the Rogowski coil based electronic instrument transformers，and the feasibility and validity of the algorithm are verified by accuracy comparison test.

electronic instrument transformer；phase displacement；digital phase?shift；least?square fitting

TM743

：A

：2096－3203（2017）02－0082－06

程含渺

程含渺（1988—），男，湖北漢川人，博士，從事數(shù)字電能計量與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究工作；

徐 晴（1973—），女，江蘇南京人，教授級高級工程師，從事電力計量檢測與管理工作；

紀(jì) 峰（1981—），男，江蘇淮安人，高級工程師，從事電能表實(shí)驗(yàn)室檢定研究工作；

穆小星（1963—），男，江蘇南京人，高級工程師，從事電力計量測試及技術(shù)研究工作；

陳 剛（1985—），男，湖北黃梅人，高級工程師，從事用電信息采集技術(shù)研究工作；

田正其（1986—），男，江蘇南通人，工程師，從事電能表室內(nèi)檢定技術(shù)研究工作；

胡 ?。?986—），男，江西南昌人，博士研究生，從事電子式互感器及數(shù)字電能計量研究工作。

（編輯 徐林菊）

2016－11－07；

2017－01－09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51507091）；

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目：智能變電站電子式互感器復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行性能評估關(guān)鍵技術(shù)研究