基于改進(jìn)數(shù)字濾波算法的電子式互感器穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)方法

顧　強(qiáng), 劉浩武,， 徐曉萌, 李曉輝, 陳　彬, 葛磊蛟

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3. 國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300055)

0　引言

電子式互感器是一種廣泛應(yīng)用于智能變電站的電參量測(cè)量裝置，也是一種模擬量輸入、數(shù)字量輸出的非傳統(tǒng)互感器，其采集信號(hào)通過合并單元提供給智能變電站的計(jì)量、保護(hù)和控制等進(jìn)行應(yīng)用。不僅擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)的精確計(jì)量，也肩負(fù)故障監(jiān)測(cè)等重要責(zé)任，故在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)其進(jìn)行離線式、在線式準(zhǔn)確度校驗(yàn)是一種常態(tài)。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20740.8—2007電子式電壓互感器[1]和GB/T20840.7—2007電子式電流互感器[2]中，也明確規(guī)定了數(shù)字化變電站中電子式互感器校驗(yàn)的流程和標(biāo)準(zhǔn)，以及準(zhǔn)確檢定的誤差范圍。但是遵照IEC 60044標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的以電磁式互感器作為標(biāo)準(zhǔn)源的電子式互感器校驗(yàn)方法，直接用標(biāo)準(zhǔn)源生成的模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后與被檢測(cè)電子式互感器信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，會(huì)因電磁干擾、標(biāo)準(zhǔn)源的準(zhǔn)確度、模數(shù)采集卡的準(zhǔn)確性、信號(hào)的不同步等多種不確定因素導(dǎo)致校驗(yàn)出現(xiàn)偏差，有待深入研究和改善。

近年來國際國內(nèi)的學(xué)者們對(duì)電子式互感器的校驗(yàn)進(jìn)行了研究，取得了一些成果。文獻(xiàn)[3]提出了一種含電子式互感器校驗(yàn)儀的傳變特性測(cè)試研究方案，并分析光學(xué)裝置、空心線圈和鐵心線圈等3種不同類型的電子式電流互感器的誤差特性；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)闡述了電子式互感器在數(shù)字化變電站中應(yīng)用的原則以及需要比傳統(tǒng)互感器增加的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法，并提出了數(shù)字化變電站的一種配置方案。另外，一些國內(nèi)同行從電子式互感器校驗(yàn)相關(guān)的信號(hào)處理方法[5]、在線校驗(yàn)方法[6]、數(shù)據(jù)采集方法[7-8]、電磁干擾[9]、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法[10]等方面進(jìn)行了一些研究。

本文針對(duì)傳統(tǒng)電子式互感器校驗(yàn)過程中校驗(yàn)效果差和準(zhǔn)確度低的問題，通過多次采樣數(shù)據(jù)，結(jié)合中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法等多種數(shù)字濾波方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種采用改進(jìn)數(shù)字濾波算法的電子式互感器穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)方法，以期為電子式互感器的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持和借鑒。

1　電子式互感器的校驗(yàn)方法

當(dāng)前電子式互感器的準(zhǔn)確度校驗(yàn)主要以傳統(tǒng)方法為基礎(chǔ)，即以含鐵心的傳統(tǒng)電磁式互感器作為標(biāo)準(zhǔn)源。首先，通過對(duì)鐵心繞組抽頭引線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格額定一次電壓、電流的測(cè)量；其次，通過電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；再次，將該數(shù)字信號(hào)與被測(cè)電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)對(duì)比；最后，采用差值法分析得出誤差及相差數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電子式互感器的校驗(yàn)，其框圖如圖1所示。

圖1　電子式互感器的校驗(yàn)框圖Fig.1　Calibration chart of electronic transformers

電磁式互感器由于其應(yīng)用時(shí)間長、穩(wěn)定性能較好等特點(diǎn)，一般被選作電子式互感器的標(biāo)準(zhǔn)源，但是以上的校驗(yàn)平臺(tái)也存在以下幾個(gè)突出的不足：

(1) 采用鐵心式互感器作為標(biāo)準(zhǔn)互感器的校驗(yàn)方式，存在鐵磁諧振及鐵磁飽和缺陷、增容困難、二次接線繁瑣以及二次開路高壓危險(xiǎn)等問題，在實(shí)際的校驗(yàn)過程中，增加校驗(yàn)的操作流程難度和風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致電子式互感器快速、高效校驗(yàn)的效果差。

(2) 此種校驗(yàn)方法主要基于差值法原理，即將標(biāo)準(zhǔn)互感器的模擬輸出信號(hào)與被校電子式互感器的數(shù)字輸出做差，再對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行處理得到比差和角差，與標(biāo)準(zhǔn)互感器模擬輸出相比，電子式互感器的數(shù)字輸出是離散序列。因此，若將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再用差值法將很難滿足準(zhǔn)確度要求。

(3) 由于數(shù)字輸出電子式互感器的二次裝置和一次側(cè)存在延時(shí)現(xiàn)象，因此,將兩路信號(hào)直接做差會(huì)引起較大偏差，進(jìn)一步降低了校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

為有效解決這些明顯缺陷，擬在電子式互感器校驗(yàn)平臺(tái)軟件端采取一定的措施，即數(shù)字濾波算法，對(duì)校驗(yàn)進(jìn)行修正。

2　改進(jìn)的數(shù)字濾波校驗(yàn)方法

濾波技術(shù)是一種測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理過程中對(duì)噪聲分析和處理的技術(shù)，包括硬件濾波和軟件濾波兩種方式[11]。其中，硬件濾波主要是指采用電阻、電容組成的RC濾波器或采用電感、電容組成的LC濾波器等模擬濾波器進(jìn)行濾波的方式；軟件濾波，即數(shù)字濾波，是指對(duì)所采集的輸入數(shù)據(jù)，通過一定的計(jì)算或判斷程序，從而減少、消弱噪聲的影響。依據(jù)實(shí)際輸入信號(hào)的不同，有多種不同的濾波方法，主要有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法，以及以上幾種濾波法的混合使用等。

電子式互感器校驗(yàn)過程中，電磁干擾、標(biāo)準(zhǔn)源的準(zhǔn)確度、模數(shù)采集卡的準(zhǔn)確性、信號(hào)的不同步等均對(duì)校驗(yàn)結(jié)果有較大的影響[12-15]，但是本文所關(guān)注的重點(diǎn)是由數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)種類不一致所引起重要的誤差或者噪聲，即標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生模擬信號(hào)，而被校驗(yàn)對(duì)象是數(shù)字信號(hào)，為此在電子式互感器校驗(yàn)平臺(tái)上，提出一種改進(jìn)的數(shù)字濾波算法，對(duì)電子式互感器校驗(yàn)的準(zhǔn)確性進(jìn)行修正。

2.1　改進(jìn)的數(shù)字濾波算法

改進(jìn)的數(shù)字濾波算法流程如下：

步驟1：建立一個(gè)容納N個(gè)數(shù)據(jù)的隊(duì)列{x1,x2,…,xN}；

步驟2：將采樣數(shù)據(jù)輸入隊(duì)列,并判斷隊(duì)列是否已滿；

步驟3：若隊(duì)列未滿,則將采樣數(shù)據(jù)輸出,并重復(fù)判斷隊(duì)列是否已滿；

步驟4：若隊(duì)列已滿,先用冒泡法求取隊(duì)列中的最大值xmax和最小值xmin，然后去除xmax和xmin,并求取剩余(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值y,如式(1)所示，將y輸出,并重復(fù)判斷隊(duì)列是否已滿。

(1)

步驟5：對(duì)于已滿的隊(duì)列，按照先進(jìn)先出原則，每次進(jìn)來一個(gè)新數(shù)據(jù)的同時(shí)丟棄一個(gè)最“老”的數(shù)據(jù)，使整個(gè)隊(duì)列始終保持固定長度N。且每當(dāng)新輸入一個(gè)數(shù)據(jù)后，先判斷其是否為最大值xmax或最小值xmin，然后進(jìn)行求取算術(shù)平均值yj，j是采集數(shù)據(jù)的次數(shù)。

yj的計(jì)算按照先從輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=1，2，…，N)中去除最大值xmax和最小值xmin，然后按去除后的(N-2)個(gè)采樣數(shù)據(jù),依據(jù)式(1)計(jì)算yj。

按照以上方法進(jìn)行10次采樣，獲得一組{y1,y2,…,y10},然后對(duì)10個(gè)y值按照式(2)取算術(shù)平均值yavg，作為本次采樣值并輸出。

(2)

2.2　改進(jìn)的數(shù)字濾波校驗(yàn)流程

在電子式互感器校驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用過程中，為有效有序開展電子式互感器的校驗(yàn)和管理[15-17]，應(yīng)用改進(jìn)的數(shù)字濾波算法，根據(jù)電子式互感器校驗(yàn)的相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定度等4個(gè)重要校驗(yàn)指標(biāo)，在校驗(yàn)平臺(tái)上制定相應(yīng)的校驗(yàn)算法流程，如圖2所示。

圖2　改進(jìn)的電子式互感器數(shù)字濾波校驗(yàn)流程Fig.2　Improved digital filter check flow chart for electronic transformer

(1) 根據(jù)脈沖同步時(shí)鐘信號(hào)，分別獲取待測(cè)電子式互感器的數(shù)字信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電磁式互感器所產(chǎn)生的模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)；

(2) 根據(jù)2.1節(jié)所述的改進(jìn)數(shù)字濾波算法分別對(duì)所述待測(cè)電子式互感器和標(biāo)準(zhǔn)源的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理,并輸出所述數(shù)字濾波處理數(shù)據(jù)；

(3) 采用過零點(diǎn)檢測(cè)法分別提取采樣數(shù)據(jù)的基頻分量；

(4) 根據(jù)相位差法分別獲取采樣數(shù)據(jù)的幅值A(chǔ)m、相位φm和頻率f；

利用插值快速傅氏變換算法(fast fourier transformation, FFT)算法分別分析采集數(shù)據(jù)各次諧波的參數(shù),如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

可推得信號(hào)的幅值A(chǔ)m、相位φm和頻率f的值分別為：

(5)

(6)

(7)

式中：m為諧波次數(shù)；fs為采樣頻率；km為諧波信號(hào)采樣序列對(duì)應(yīng)的離散頻點(diǎn)；δm為頻譜偏離估計(jì)值,且0≤δm≤1；XH為采樣點(diǎn)；WH為矩形窗。

(5) 根據(jù)式(5—7)所求的頻率、相位和幅值計(jì)算待測(cè)電子式互感器的相位誤差φe、電流誤差εi、電壓誤差εu和A類不確定度ua，如公式(8—10)所示。

φe=φ-(φor-2πfTtdr)

(8)

式中：φ為待測(cè)電子式互感器的相位差；φor為電子式互感器因技術(shù)產(chǎn)生的額定相位差；f為頻率；Ttdr為數(shù)據(jù)處理和傳輸所需時(shí)間的額定值。

(9)

式中：KCr為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的額定變比；Ip為信號(hào)源電流；Is為測(cè)量條件下,待測(cè)電流互感器的實(shí)際二次電流。

(9)

式中:Kr為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的額定電壓比；Up為信號(hào)源電壓；Us為測(cè)量條件下,待測(cè)電流互感器的實(shí)際二次電壓。

(11)

(6) 按IEC 60044原則，依據(jù)GB/T 20840.7—2007和GB/T 20740.8—2007校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)第5步的計(jì)算結(jié)果，核準(zhǔn)電子式互感器的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3　算例分析

選取天津市高新區(qū)220 kV智能變電站的某一國內(nèi)知名品牌3臺(tái)0.5S級(jí)電子式互感器作為案例進(jìn)行分析，分別編號(hào)為電子式互感器1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)，其剛投入使用時(shí)的相位誤差為0.40，電流誤差為0.31，電壓誤差為0.12，A類不確定度為0.05(以上數(shù)據(jù)均為相對(duì)誤差)，3臺(tái)電子式互感器的投入運(yùn)行時(shí)間分別為2.4 a，3.1 a和5.4 a?，F(xiàn)分別將3臺(tái)電子式互感器在電子式互感器校驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)平臺(tái)所選擇配置有：電磁式互感器0.2S級(jí)作為標(biāo)準(zhǔn)源，40 M采樣頻率的A/D模數(shù)采集卡，單脈沖異步的脈沖同步時(shí)鐘器，CPU主頻為3.7 GHz的聯(lián)想Lenevo主站平臺(tái)，其檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1電子式互感器的校驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
Tab. 1Comparison of calibration results of electronic transformers

項(xiàng)目1號(hào)2號(hào)3號(hào)相位誤差0．430．540．65電流誤差0．320．420．51電壓誤差0．140．280．34A類不確定度0．070．130．21

從表1中不難發(fā)現(xiàn)：

(1) 與剛投入運(yùn)行時(shí)的原始數(shù)據(jù)對(duì)比可知，電子式互感器的投運(yùn)時(shí)間越長，相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對(duì)較大。電子式互感器在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，且與實(shí)際的工程運(yùn)行情況，基本吻合。

(2) 檢測(cè)過程中，采用單脈沖異步的同步時(shí)鐘觸發(fā)方式，確保了在同一時(shí)刻,分別獲取模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)和待測(cè)電子式互感器的數(shù)字輸出信號(hào),然后對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)直接進(jìn)行頻率、幅值和相位等比對(duì),在數(shù)據(jù)處理方面大大降低了突發(fā)干擾的影響，校驗(yàn)的準(zhǔn)確性高,不存在延時(shí)現(xiàn)象,一定程度上確保了電子式互感器校驗(yàn)的效果和準(zhǔn)確性。

(3) 3個(gè)電子式互感器4個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的誤差均相對(duì)較小，其主要原因是所選用的標(biāo)準(zhǔn)源是0.2S級(jí)電磁式互感器，而被校驗(yàn)的電子式互感器為0.5S級(jí)，這與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)源必須高于被檢測(cè)樣品2個(gè)數(shù)量級(jí)的規(guī)定有一定的差距，后續(xù)有待提高電磁式互感器的級(jí)別。

為對(duì)比分析改進(jìn)的數(shù)字濾波方法有效性，在同一檢測(cè)平臺(tái)上，選取投運(yùn)時(shí)間相對(duì)較久的3號(hào)電子互感器為樣本，進(jìn)行算術(shù)平均數(shù)字濾波法和改進(jìn)的數(shù)字濾波法對(duì)比分析，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2　校驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 2　Comparison of calibration results

表3　運(yùn)算時(shí)間對(duì)比Tab. 3　Comparison of operation time 　s

基于以上案例的小樣本，從表2和表3可知：

(1) 改進(jìn)的數(shù)字濾波算法與算術(shù)平均數(shù)字濾波算法相比，在相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對(duì)較小，其主要原因是多次采樣獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，有效規(guī)避了數(shù)據(jù)的采樣誤差，且與實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)情況吻合度較高。

(2) 通常校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)源的輸入信號(hào)除了含有基波分量外，還含有高次諧波分量及白噪聲等。干擾量的來源一般也有兩個(gè)方面，其一是電力系統(tǒng)的高次諧波，另一個(gè)是環(huán)境的電磁干擾和噪聲干擾。因此，校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)抗干擾措施主要包括部分環(huán)節(jié)屏蔽、系統(tǒng)接地、采集回路設(shè)計(jì)低通濾波器等硬件的抗干擾措施，而本文提出了一種對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理的電子式互感器校驗(yàn)方法，有利于提高電子式互感器的校驗(yàn)精度。

(3) 本文所提出的改進(jìn)數(shù)字濾波算法是在滑動(dòng)平均值濾波算法、算術(shù)平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),相比于單純的算術(shù)平均數(shù)字濾波算法，會(huì)更加適用于多次數(shù)據(jù)采集的計(jì)算。

4　結(jié)語

本文所提基于改進(jìn)數(shù)字濾波算法的電子式互感器穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)方法，能夠確保在同一時(shí)刻,分別獲取模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)和待測(cè)電子式互感器的數(shù)字輸出信號(hào),然后對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)直接進(jìn)行頻率、幅值和相位的比對(duì),大大提高了電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；同時(shí)也需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采樣，增加了一定的采用時(shí)間成本。

文中所提的改進(jìn)數(shù)字濾波算法，是滑動(dòng)平均值濾波算法、算術(shù)平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法等多種數(shù)字濾波的混合使用，在數(shù)據(jù)處理方面大大降低了突發(fā)干擾的影響，提高了電子式互感器校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

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