一種基于虛擬儀器技術(shù)的電子式互感器諧波校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳亮

摘 要：各種電力電子設(shè)備的使用，使得電網(wǎng)中的諧波含量日益增加，電網(wǎng)諧波對(duì)電能計(jì)量及電力設(shè)備和線路的繼電保護(hù)帶來(lái)了極大危害。電子式互感器在當(dāng)前智能變電站中的應(yīng)用日益廣泛，其諧波準(zhǔn)確度的測(cè)量技術(shù)的社會(huì)關(guān)注度持續(xù)提升。文章提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)（LabVIEW）的電子式互感器諧波校驗(yàn)系統(tǒng)，以電流比較儀為標(biāo)準(zhǔn)諧波電流傳感器，對(duì)電流信號(hào)的頻譜線進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟昂筒逯敌拚?，測(cè)量電子式互感器所含的諧波準(zhǔn)確度?？梢詽M足0～1000A，頻率0～1000Hz測(cè)量范圍內(nèi)電子式電流互感器的諧波準(zhǔn)確度檢測(cè)要求。

關(guān)鍵詞：諧波準(zhǔn)確度;虛擬儀器;加窗插值修正

中圖分類號(hào)：TM45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著智能變電站的不斷發(fā)展，電網(wǎng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普及，導(dǎo)致非線性負(fù)荷的占比逐漸提高，引起一系列的電能質(zhì)量問(wèn)題。這些問(wèn)題中以諧波的危害最為廣泛和突出。

諧波治理的前提是準(zhǔn)確測(cè)量諧波，而互感器是諧波測(cè)量的直接手段。目前，智能型變電站廣泛應(yīng)用的電子式互感器與以前傳統(tǒng)的互感器相比，不存在諧振和磁飽和問(wèn)題，且響應(yīng)頻帶更寬，響應(yīng)速度也更快。利用電子式互感器測(cè)量電網(wǎng)諧波是其主要優(yōu)勢(shì)之一，而針對(duì)電子式互感器的諧波特性和諧波準(zhǔn)確度檢測(cè)，目前還未有相關(guān)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。目前校驗(yàn)儀中，電子式互感器通常采用傅立葉算法進(jìn)行基波的分離。但是一般實(shí)際電網(wǎng)電源大多含有諧波成分，當(dāng)電網(wǎng)存在隨機(jī)、較大的諧波含量，并且伴隨基波頻率波動(dòng)時(shí)，簡(jiǎn)單的傅立葉展開(kāi)算法難以達(dá)到使用要求。要想準(zhǔn)確地提取出需要的信號(hào)，進(jìn)行誤差計(jì)算，必須使用更為先進(jìn)的處理信號(hào)機(jī)分析誤差方法[1-4]。

當(dāng)前，常用的電流互感器的校驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，操作較為繁瑣，平衡調(diào)節(jié)工作量大，效率比較低，其通用性也較差。近期較為熱門的虛擬儀器技術(shù)以NI公司的采集卡為硬件基礎(chǔ)，直接實(shí)現(xiàn)軟件編寫(xiě)，以其性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)及測(cè)控領(lǐng)域得以廣泛運(yùn)用。虛擬儀器的核心是以電腦當(dāng)作儀器的功能載體，運(yùn)用電腦的各種智能化功能，利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能[5-7]。文章利用虛擬儀器技術(shù)，在計(jì)算機(jī)軟件上建立電子式互感器諧波校驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。

1 電子式電流互感器諧波測(cè)試系統(tǒng)原理

電子式電流互感器諧波準(zhǔn)確度試驗(yàn)的原理如圖1所示。使用相同的外部信號(hào)在同一時(shí)間內(nèi)觸發(fā)電子電流互感器以及標(biāo)準(zhǔn)諧波電流互感器，可以同時(shí)獲得兩個(gè)一次電流樣本。標(biāo)準(zhǔn)互感器和測(cè)試互感器的測(cè)量電流數(shù)據(jù)時(shí)間相關(guān)陣列為離散陣列，并通過(guò)傅立葉變換（DFT）后，間接計(jì)算出數(shù)值的誤差和角度差。

圖1 電子式電流互感器諧波測(cè)試系統(tǒng)圖

1.1 諧波電流源

考慮到諧波大電流源的實(shí)現(xiàn)難度較大，文章的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)流源設(shè)定參數(shù)為：交流電流幅值0～1000A、頻率50～1000Hz。

當(dāng)大電流變化時(shí)，通過(guò)電流比較器檢測(cè)到大電流后，控制電流源的輸出電流以形成閉環(huán)系統(tǒng)，從而可以穩(wěn)定大電流。此外，電流比較器還將大電流按比例轉(zhuǎn)換為小電流，連接小電阻以獲得小電壓信號(hào)，并用作諧波測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器頭。

諧波電流源的參數(shù)為：

輸出電流：1000A，輸出電壓5V。

輸出頻率范圍：50～1000Hz。

電流穩(wěn)定度：﹥1×10-4A/2min。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)諧波電流傳感器

標(biāo)準(zhǔn)諧波電流傳感器由交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)感標(biāo)準(zhǔn)電阻組成。交流電流參數(shù)：額定一次基準(zhǔn)電流1000A，輸出頻率范圍50～1000Hz;額定二次側(cè)基準(zhǔn)電流1A，比例準(zhǔn)確度5×10-5，工作頻率范圍50～1000Hz。標(biāo)準(zhǔn)電阻器一般參數(shù)：額定電流1A、準(zhǔn)確度0.01級(jí)、頻率0～1kHz。

1.3 電子式互感器諧波誤差校驗(yàn)

硬件由24位高精度采集卡NI PCI-5922和工控機(jī)構(gòu)成，軟件由LabVIEW實(shí)現(xiàn)。電子式互感器諧波誤差校驗(yàn)參數(shù)：輸入模擬量數(shù)值0～4V，數(shù)字輸入格式依據(jù)IEC 61850 9-2LE，測(cè)試頻率0～1000Hz、準(zhǔn)確度0.05級(jí)。

2 電子式互感器諧波測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

在虛擬儀器領(lǐng)域，目前美國(guó)NI公司的LabVIEW應(yīng)用最為普及。該軟件提供一種圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用圖形化的編輯語(yǔ)言，可以大幅提高設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)的工作效率。

電子式互感器模擬輸出諧波測(cè)試系統(tǒng)，軟件包括三個(gè)子程序：NI-scope子程序（采集數(shù)據(jù)程序），諧波測(cè)試計(jì)算程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。軟件流程圖如圖2所示。其中標(biāo)準(zhǔn)諧波傳感頭輸出信號(hào)和待測(cè)電子式互感器輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，用采集卡的2個(gè)通道完成。

2.1 采集

初始化—設(shè)置信號(hào)源。水平時(shí)鐘—設(shè)置采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)。默認(rèn)設(shè)定50，即軟件采集時(shí)卡取觸發(fā)時(shí)刻前后各50%的信號(hào)。要使采集卡正好在觸發(fā)時(shí)刻開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，水平時(shí)鐘應(yīng)設(shè)置參考位置為0。

觸發(fā)沿設(shè)置—選定模擬信號(hào)觸發(fā)沿作為觸發(fā)參考信號(hào)。設(shè)置閾值電壓為2.5V，作為觸發(fā)電壓等級(jí)。選定觸發(fā)斜率為正，則上升沿觸發(fā)。觸發(fā)耦合選擇直流項(xiàng)。

讀取波形—采樣通道可以設(shè)置為0，1和（0，1）?？梢詥瓮ǖ啦杉?，也可以雙通道采集。

該子程序應(yīng)循環(huán)運(yùn)行，且每個(gè)循環(huán)中都要收集波形，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 處理

算法程序設(shè)置在循環(huán)內(nèi)部。設(shè)置500ks/s采樣率，50k采樣數(shù)，對(duì)于50Hz正弦波來(lái)說(shuō)，每個(gè)周期采集個(gè)點(diǎn)。每個(gè)循環(huán)采集50k個(gè)點(diǎn)，則相當(dāng)于每5個(gè)周期進(jìn)行采集和處理。

2.3 記錄

記錄數(shù)據(jù)時(shí)，采樣處理循環(huán)中止，數(shù)據(jù)存入指定路徑下的txt文檔中。如果循環(huán)不設(shè)定指定次數(shù)，則通過(guò)手動(dòng)記錄程序終止循環(huán)計(jì)算。

3 諧波測(cè)量仿真試驗(yàn)結(jié)果

在LabVIEW軟件仿真一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，在不涉及采集卡采樣誤差的情況下調(diào)試算法誤差，尋找最優(yōu)算法，仿真參數(shù)如表1所示。信號(hào)由LabVIEW子程序生成。

如圖3所示，疊加2-13次諧波后，用上述子程序生成諧波源，仿真生成3V、50Hz的基波，按表1參數(shù)設(shè)置所疊加的諧波，計(jì)算誤差。

用加窗插值修正算法誤差，如表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目提出了電子式互感器諧波準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)方法，并利用圖形化的編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW，采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了電子式互感器諧波校驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用大功率穩(wěn)定諧波電流源和諧波電壓源，用于電子式互感器諧波準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)。以電流比較儀為標(biāo)準(zhǔn)諧波電流傳感器，高精度數(shù)據(jù)采集卡為采集系統(tǒng)，創(chuàng)新的諧波補(bǔ)償算法加窗插值傅立葉變換為誤差計(jì)算方法，來(lái)測(cè)量電子式互感器的諧波準(zhǔn)確度。

本項(xiàng)目進(jìn)行了仿真測(cè)試試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿足測(cè)量范圍0～1000A、頻率0～1000Hz電子式電流互感器的諧波準(zhǔn)確度檢測(cè)。

由于電源的發(fā)展限制，目前只能做到單次諧波單獨(dú)測(cè)量。以后的工作可以著重于非單一成分諧波和間諧波成分波形的測(cè)試。隨著諧波檢測(cè)這一工作的開(kāi)展實(shí)施，將大大推動(dòng)電子式互感器的發(fā)展，為諧波計(jì)量、諧波治理提供有力的檢測(cè)手段。

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