電子式互感器相位補(bǔ)償技術(shù)

何小慶，劉曉峰,趙瑜杰

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七〇三研究所無(wú)錫分部,江蘇 無(wú)錫 214000；2.塔里木油田塔西南勘探開(kāi)發(fā)公司,新疆 喀什 844000；3.成都市供電公司，四川 成都 610000)

電子式互感器相位補(bǔ)償技術(shù)

何小慶1，劉曉峰2,趙瑜杰3

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七〇三研究所無(wú)錫分部,江蘇 無(wú)錫 214000；2.塔里木油田塔西南勘探開(kāi)發(fā)公司,新疆 喀什 844000；3.成都市供電公司，四川 成都 610000)

相比于傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器，電子式電流和電子式電壓互感器具有光纖系統(tǒng)絕緣性好、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、無(wú)磁飽和與鐵磁諧振問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。特別在已建或者在建的數(shù)字化變電站、智能化變電站中應(yīng)用比較廣泛。本文通過(guò)對(duì)電子式互感器原理的介紹，得知電子式互感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，相位偏差。數(shù)字積分器技術(shù)較模擬積分器具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可以補(bǔ)償相位?；诶碚撏茖?dǎo)和分析梯形積分算法的幅頻特性，并用Matlab仿真驗(yàn)證相位補(bǔ)償效果。最后基于FPGA，實(shí)現(xiàn)了梯形算法數(shù)字積分器，通過(guò)仿真驗(yàn)證，得出本文設(shè)計(jì)的數(shù)字積分器滿(mǎn)足IEC 60044-7/8電子式互感器0.2級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的實(shí)用性。

數(shù)字積分器;電子式互感器;相位;FPGA;梯形算法

1 引言

傳統(tǒng)的電磁式互感器雖然技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛，但也隨之帶來(lái)了動(dòng)態(tài)范圍小、測(cè)量頻帶窄、有磁飽和、體積大、成本高、準(zhǔn)確度不可保證等[1]缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足在智能電網(wǎng)大環(huán)境下對(duì)互感器的在線(xiàn)檢測(cè)功能、繼電保護(hù)、高精度故障診斷等要求。電子式電流互感器(ECT)和電子式電壓互感器(EVT)具有光纖系統(tǒng)絕緣性好、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、無(wú)磁飽和與鐵磁諧振問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，將有開(kāi)闊的發(fā)展前景[2]。尤其是基于Rogowski線(xiàn)圈的有源式光電互感器已進(jìn)入實(shí)用化階段[3-4]，本文則主要討論基于FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字積分器在電子互感器中的應(yīng)用，從理論分析到最后的實(shí)現(xiàn)。

2 電子式互感器原理

電子式互感器可以分為光學(xué)電子式互感器和混合電子式互感器。光學(xué)電子式互感器的電流測(cè)量原理主要包括Faraday效應(yīng)、Kerr效應(yīng)等；電壓測(cè)量原理主要包括Pockels效應(yīng)、Kerr效應(yīng)和逆壓效應(yīng)等[2]。

圖1 Rogowski線(xiàn)圈

目前，有源式電子式電流互感器一般采用Rogowski線(xiàn)圈進(jìn)行測(cè)量，其主要結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)線(xiàn)均勻密繞在環(huán)形等截面非磁性骨架上而形成的一種空心電感線(xiàn)圈，又稱(chēng)磁位計(jì)，如圖1所示。設(shè)載流母線(xiàn)垂直線(xiàn)圈平面中心，根據(jù)安培定理，線(xiàn)圈中心上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

其中μ0為真空磁導(dǎo)率。線(xiàn)圈橫截面積A內(nèi)的磁通近似為：

根據(jù)電磁感應(yīng)定理，N匝線(xiàn)圈上總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

通過(guò)積分得:

M為線(xiàn)圈的互感。利用上式可以近似計(jì)算通過(guò)任意截面Rogowski線(xiàn)圈的電流。

圖2 電容分壓互感器

基于電容分壓原理的電子式電壓互感器的如圖2所示，C1、C2分別為分壓器的高低壓臂，U1為被測(cè)一次電壓，R為輸出電阻，忽略對(duì)地雜散電容的理論模型，經(jīng)改進(jìn)后，圖2所示的輸出電壓正比于輸入電壓的變化率[5]，有：

u2(t)=RCdu1/dt

從上可見(jiàn)，不管是電子式電流互感器還是電壓互感器都有一個(gè)微分環(huán)節(jié)，故在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要補(bǔ)償微分環(huán)節(jié)帶來(lái)的超前90°相位，通常是經(jīng)過(guò)一個(gè)積分器。

3 數(shù)字積分器設(shè)計(jì)

3.1 積分器比較

積分器可分為模擬積分器和數(shù)字積分器。如圖3是常用的模擬積分器，由于器件不是理想情況下的，運(yùn)放偏移，電容的損耗及其他因素引起的溫漂和時(shí)漂，都會(huì)產(chǎn)生誤差，從而限制了模擬積分器Rogowski線(xiàn)圈電子互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖3 模擬積分器

與模擬積分器相比，數(shù)字積分器有更具有優(yōu)勢(shì)：首先，數(shù)字積分器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，受溫漂、時(shí)漂影響小；其次，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便調(diào)節(jié)；最重要的是數(shù)字積分器的相位特性好，主要由積分算法決定，可以方便反饋、補(bǔ)償，從而盡可能降低誤差。

數(shù)字積分器的實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的是由壓頻變換器(VFC)[6-7]或A/D轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)字量通過(guò)DSP或者一種數(shù)字積分器芯片來(lái)完成[8]，如AD公司推出的ADE7759，該芯片內(nèi)部模擬通道1直接集成了一個(gè)數(shù)字積分器。本文則是基于FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字積分器更適合有源式Rogowski線(xiàn)圈電子式互感器。

根據(jù)IEC 60044-7/8電子式電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)，采樣的數(shù)據(jù)必須滿(mǎn)足0.2級(jí)精度時(shí)的比值誤差和相位誤差，如表1所示。比差和相差分別根據(jù)下面公式計(jì)算。

φ=φs-φp

式中，krd為額定變比；Ip為一次電流值的均方根值；Is為數(shù)字量輸出的均方根值；φp一次相位移；φs二次相位移。

表1 誤差限值

相位誤差，對(duì)數(shù)字量輸出，為一次端子某一電流的出現(xiàn)瞬時(shí)與所對(duì)應(yīng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集在MU輸出的傳輸起始瞬時(shí)之時(shí)間差(用額定頻率的角度單位表示)。

3.2 積分算法

數(shù)值積分公式一般形式為：

其中xk(k=0,1,2,…,n)稱(chēng)為求積結(jié)點(diǎn)，并且a≤x1<…

其中T為采樣間隔。

理想積分器的s傳遞函數(shù)為：

在滿(mǎn)足精度的要求下，綜合實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和要求的數(shù)據(jù)窗等因素[9]，本文選擇梯形公式做數(shù)字積分算法。對(duì)梯形公式進(jìn)行幅頻特性分析，將z=ejw代入HT得：

化簡(jiǎn)得其幅值和相角分別為：

φ(w)=-2jsinwTc

其幅頻和相頻曲線(xiàn)如圖4、5所示。

再對(duì)梯形積分公式特性分析，設(shè)w=kw0=2πkf0，其中f0為采樣信號(hào)頻率，代入上式，使

|HT(jw)|=0

即有：

4 數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)與分析

圖8 積分模塊

額定值為100A時(shí)，在5%～120%范圍波動(dòng)，每周波80點(diǎn)采樣，經(jīng)計(jì)算比值誤差如表2。從表2中可以清楚的看出本文基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字積分器具有相當(dāng)?shù)母叩木?，滿(mǎn)足0.2級(jí)電子式電流互感器的要求。

積分器初值的確定一般有兩種方法[7]：一種方法是即使初值與真實(shí)值有誤差，積分的結(jié)果也只不過(guò)是產(chǎn)生了一個(gè)直流分量，如果確定信號(hào)周期，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的采樣值積分結(jié)果求均值，就能算出，從而對(duì)積分的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償就能輸出正確結(jié)果；一種采用峰值法，當(dāng)采樣值為峰值時(shí)原信號(hào)過(guò)零點(diǎn)，積分開(kāi)始使能，初始值為零。

表2 積分器比差

5 總結(jié)

本文介紹了電子式互感器的工作原理，闡述了模擬積分器和數(shù)字積分器在電子式互感器中的優(yōu)缺點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)和分析數(shù)字積分器的梯形積分算法，并通過(guò)Matlab驗(yàn)證了理論分析，最后以電子式Rogowski線(xiàn)圈電流互感器為例，在FPGA上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字積分器，通過(guò)仿真分析表明本文設(shè)計(jì)的數(shù)字積分器能夠滿(mǎn)足電子式互感器的精度要求，并且具有較好的抗干擾性。

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Technology of Phase Compensation About Electronic Transformer

HEXiao-qing1,LIUXiao-feng2,ZHAOYu-jie3

(1.Wixi Divsition of NO.703 Research Institute of CSIC,Wuxi 214000,China；2.Exploration and Development Company of Tarim oil field,Kashi 844000,China;3.State Grid of Chengdu Power Supply Company,Chengdu 610000,China)

Compared to the traditional magnetic PT and CT,electronic current transformer(ECT)and electronic voltage transformer(EVT)have good insulation about optical fiber systems,anti-jamming,high precision,non-magnetic and ferromagnetic resonance saturation problem and so on.Particularly,in digital substation and intelligent substation have been built or under construction,ECT and EVT used widely.Described the principle of ECT and EVT,phase deviation occurred when collecting data.Digital technology integrator comparing analog integrator has the absolute advantage,and could compensate for the phase.Based on theoretical derivation and analysis trapezoidal integration algorithm amplitude-frequency characteristics,simulate the model by Matlab.Finally,based on FPGA,to achieve a trapezoidal algorithm digital integrator,from the result of simulation,the design of digital integrator meet IEC 60044-7/8 Electronic Transformer 0.2 accuracy standards,and has a certain value practicality.

digital integrator;electronic transformer;phrase;FPGA;trapezoidal

1004-289X(2016)06-0035-04

TM45

B

2015-09-09

何小慶(1989-)，男(漢)，安徽安慶人，助理工程師，主要從事數(shù)字化變電站通信； 劉曉峰(1982-)，男(漢)，寧夏中衛(wèi)人，工程師，主要從事電氣控制； 趙瑜杰(1987-)，男(漢)，四川成都人，助理工程師，主要從事微機(jī)保護(hù)。