（通信与信息系统专业论文）多功能电子式互感器通用校验平台设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电子式互感器的研究已经进入实用化阶段，其校验和测试工作也引起了广大研 究人员的关注。在对电子式互感器多种输出形式进行深入研究的基础上，利用 l a b v i e w 7 1 开发出一套校验系统，该系统能够对模拟输出型和合并单元数字输出 型电子式互感器进行检验。提出了建立校验系统可信赖标准通道的方法，并利用不 确定度理论对校验系统的测量结果进行评定。在对互感器进行校验过程中，要合理 设置系统参数，如输入信号的范围要尽量接近削d 转换量程、设置较高的采样频率、 选择合适的算法等，这样可以减小由标准通道引入的误差，提高测量精度；对模拟 输出型互感器的校验和对合并单元网络输出型互感器的模拟实验，结果表明该校验 系统满足课题规定的设计要求。 关键词：电子式互感器，校验系统，虚拟仪器，标准通道，测量不确定度 a b s t r a c t t h es t u d yo nt h ee l e c t r o n i ct r a n s f o f i l l e rh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep r a c t i c a la n d m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ev e r i f i c a t i o na n dt h et e s tw o r k b a s e do nt h es t u d yo f t h ev a r i e t yo u t p u tf o r m so ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , t h i st h e s i sd e v e l o p e dav i r t u a l c a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hl a b v i e w 7 1 ，w h i c hc a nc a l i b r a t et h ea n a l o go u t p u to rm e r g i n g u n i td i g i t a lo u t p u te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r t h i sp a p e rp r o p o s e dam e t h o dt oe s t a b l i s ht h e r e l i a b l es t a n d a r dc h a n n e lf o rt h ec a l i b r a t i o ns y s t e ma n du s e dt h eu n c e r t a i n t yt h e o r yt o e v a l u a t et h eu n c e r t a i n t yo ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t s i nt h ec o u r s eo fc a l i b r a t i o nt oa t r a n s f o r m e r , i ti sn e c e s s a r yt os e tu pt h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ei n p u ts i g n a l s s c o p eb e i n gc l o s e ra sp o s s i b l et ot h ea dc o n v e r s i o nr a n g e ，s e t t i n gah i g h e rs a m p l i n g f r e q u e n c y , c h o o s i n gt h es u i t a b l ea l g o r i t h me t c ，a l lo fa b o v ec a nr e d u c et h ee r r o ro ft h e s t a n d a r dc h a n n e la n di m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f c a l i b r a t i o nt oa na n a l o go u t p u tt r a n s f o r m e ra n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt ot h em e r g i n g u n i td i g i t a lo u t p u tt h r o u g ht h en e t w o r kt r a n s f o r m a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ec a l i b r a t i o n s y s t e mm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h es u b j e c t z h a n gj i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f s h a n go i u f e n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ，c a l i b r a t i o ns y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， s t a n d a r dc h a n n e l ，m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电子式互感器的研究已经进入实用化阶段，其校验和测试工作也引起了广大研 究人员的关注。在对电子式互感器多种输出形式进行深入研究的基础上，利用 l a b v i e w 7 1 开发出一套校验系统，该系统能够对模拟输出型和合并单元数字输出 型电子式互感器进行检验。提出了建立校验系统可信赖标准通道的方法，并利用不 确定度理论对校验系统的测量结果进行评定。在对互感器进行校验过程中，要合理 设置系统参数，如输入信号的范围要尽量接近d 转换量程、设置较高的采样频率、 选择合适的算法等，这样可以减小由标准通道引入的误差，提高测量精度；对模拟 输出型互感器的校验和对合并单元网络输出型互感器的模拟实验，结果表明该校验 系统满足课题规定的设计要求。 关键词：电子式互感器，校验系统，虚拟仪器，标准通道，测量不确定度 a b s t r a c t t h es t u d yo nt h ee l e c t r o n i ct r a n s f o f i n e rh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep r a c t i c a la n d m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ev e r i f i c a t i o na n dt h et e s tw o r k b a s e do nt h es t u d yo f t h ev a r i e t yo u t p u tf o r m so ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , t h i st h e s i sd e v e l o p e dav i r t u a l c a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hl a b v i e w 7 1 ，w h i c hc a nc a l i b r a t et h ea n a l o go u t p u to rm e r g i n g u n i td i g i t a lo u t p u te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r t h i sp a p e rp r o p o s e dam e t h o dt oe s t a b l i s ht h e r e l i a b l es t a n d a r dc h a n n e lf o rt h ec a l i b r a t i o ns y s t e ma n du s e dt h eu n c e r t a i n t yt h e o r yt o e v a l u a t et h eu n c e r t a i n t yo ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t s i nt h ec o u r s eo fc a l i b r a t i o nt oa t r a n s f o r m e r , i ti sn e c e s s a r yt os e tu pt h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ei n p u ts i g n a l s s c o p eb e i n gc l o s e ra sp o s s i b l et ot h ea dc o n v e r s i o nr a n g e ，s e t t i n gah i g h e rs a m p l i n g f r e q u e n c y , c h o o s i n gt h es u i t a b l ea l g o r i t h me t c ，a l lo fa b o v ec a nr e d u c et h ee r r o ro ft h e s t a n d a r dc h a n n e la n di m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f c a l i b r a t i o nt oa na n a l o go u t p u tt r a n s f o r m e ra n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt ot h em e r g i n g u n i td i g i t a lo u t p u tt h r o u g ht h en e t w o r kt r a n s f o r m a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ec a l i b r a t i o n s y s t e mm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h es u b j e c t z h a n gj i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f s h a n go i u f e n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ，c a l i b r a t i o ns y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， s t a n d a r dc h a n n e l ，m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多功能电子式互感器通用校验平台设 计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：狴垫 一一日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：避 日 期：尘! 翌：圣：坦 导师签名：盏垒 日 期：幽j p 血 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流电压信号的 重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关，是电力 系统必不可少的设备。传统的电磁式互感器由于其本身的局限性，如绝缘结构复杂、 体积大、造价高、动态范围小、线性度不好等，已不能满足电力系统发展的要求。 而电子式互感器不仅绝缘结构简单可靠、体积小、重量小，而且线性度好、动态范 围大，能够实现高低压彻底隔离、无饱和，并且输出信号可直接与微机化计量及保 护设备接口，这些优点使得电子式互感器将成为传统电磁式互感器的理想替代品。 电子式互感器的输出主要分为模拟型和数字型两种。模拟输出主要应用于变电 站己存在的模拟接口二次设备，是一种过渡形式。数字输出则是一种新形式，它是 新型变电站对电子式互感器二次输出的最终要求，是互感器领域中研究的热点【卜5 i 。 但是由于国际上并没有对数字输出型电子式互感器接口的实现作统一的要求，因 此，其实现形式多种多样。以合并单元输出型为例，就有f p g a 、d s p 以及a r m 等多种方法实现。 目前市场上的互感器校验仪主要有四种：传统电工型、数显型、现场型和虚拟 仪器i 乱引。传统的互感器校验仪通常采用测差原理，即将被测互感器和标准互感器接 成差值回路，利用测差装置检测，其所有功能基本上由硬件来实现。传统电工型校 验仪，需要对每一实验点进行繁琐的手动平衡调节。数显型校验仪，采用硬件将被 测互感器和标准互感器输出的差值信号分解成正交分量和同相分量，从而得到被测 互感器的比值差和相位差【9 1 0 】。但由于电子式互感器的一次侧和二次侧之间的绝缘 效果很好，没有直接的电磁联系，而且一次侧信号和二次侧信号类型可能不一致f 一 次侧为电流信号，二次侧输出为电流或电压信号) ，使得这种测差式校验仪不能校验 电子式互感器。并且由于电子式互感器有多种输出形式，就需要搭建多种与之相适 应的校验系统，而国际上互感器的校验过程也没有统一的标准，这也就使电子式互 感器的校验成为一个热门问题。 1 2 本课题的国内外研究现状 电子式互感器的研制始于上世纪六十年代，初期由于其精度低，温度特性差， 没有挂网运行。随着科技的发展，尤其是半导体技术的快速发展，促进了单片机、 d s p 技术的大规模的应用，使得传感器向着数据处理智能化、体积小型化方向发展。 华北电力大学硕士学位论文 国际上八十年代后期进入电子式互感器实用化研制阶段，并逐步向高压、超高压方 面深入。现在许多电力公司竞相开发了电子式互感器产品，以占领市场。 电子式互感器研制工作的发展必然会带来误差校准问题，国外的电力设备制造 大公司，如a b b 、a l s t o m 、t r e n c h ，他们的电子式互感器都有自己的准确度测 量方法【u 1 3 1 ，挂网运行后面临着统一校准的问题。许多研究学者也对互感器的校验 提出了自己的方法 1 4 - 1 6 j 。2 0 0 2 年，国际电工委员会正式颁布了标准一一i e c 6 0 0 4 4 7 8 ：电子式电压电流互感器【1 7 1 引，对电子式互感器的数字输出和准确度测量 做出了统一的规范。 我国电子式互感器的研究始于七十年代，以1 9 8 2 年在上海召开的“激光工业 应用座谈会 为起步，主要的研究单位有电子部2 6 所和3 4 所、清华大学、华中科 技大学等，这时仅限于实验室探索阶段。九十年代后，电子式互感器的研制发展迅 速，但仍旧局限于实验室研究和样机的试运行，还没有进入产品化的生产，并且研 究主要集中在电子式互感器本身的性能和计量等应用方面，对电子式互感器的校准 也没有统一的要求。2 0 0 3 年，国内一些电子式互感器研制单位和生产厂家提出了电 子式互感器准确度测量问题【”2 0 1 。随着国际上对电子式互感器的研制、校验等趋于 标准化的管理，以及我国电子式互感器研制的发展，迫切需要统一的校验标准和方 法，建立可信赖的电子式互感器校验系统。 1 3 课题的主要工作 课题的主要任务就是实现适合多种输出形式、准确度满足0 2 级的电子式互感 器虚拟校验仪的设计，并且使其测量结果具有一定的可信性。课题的主要工作分为 以下四个部分： ( 1 ) 根据误差理论中的微小误差理论【2 1 1 ，构建测量系统可信赖的标准通道，并 利用计量学中不确定度理论，建立数学模型、分析不确定度来源以及对测量结果进 行不确定度评定，从而使得测量结果具有一定的可信度，提高校验系统的测量水平。 ( 2 ) 电子式互感器输出接口的研究：根据现有电子式互感器，研究其主要的输 出接口形式以及数据通讯方式，根据不同的接口形式，制定与之相应的校验方案。 ( 3 ) 利用l a b v i e w 7 1 虚拟仪器开发平台，实现校验系统的数据采集、信号处 理、误差分析、不确定度评定及结果显示等功能。 ( 4 ) 通过实验验证部分算法的有效性，将校验系统搭建完成后，对校验系统进 行整体的性能测试，验证校验系统参数设置对测量结果的影响；调整参数，使它达 到最佳工作状态，尽可能降低测量误差；并对一个实际的互感器进行校验，搭建整 个校验系统，验证系统的性能。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章电子式互感器输出接口的研究 以电子式电流互感器为例，它具有模拟电压输出和数字输出两种形式，见图2 1 。 图2 1 单相电子式电流互感器的通用框图 2 1 模拟输出型电子式互感器 围 为了适应变电站已有的模拟接口二次设备，将电子式电流互感器内部的数字输 出信号转换成模拟电压输出形式，这是变电站设备数字化过程中的一种过渡形式。 二次模拟输出的数学描述：t o 一( w ) 时，二次电压可表示为， “，( f ) = u 跏2 。s i n ( 劢，。t + ) + u 础o ) + “一o ) ( 2 1 ) 式中： u 。二次电压对称分量的方均根值； u 础二次直流电压，包括指数衰减分量； “s r e $ 二次剩余电压，包括谐波和分数谐波分量； ， 基波频率； 二次相位移； t 时间瞬时值； d r 额定延时时间； 额定相位偏移。 2 2 数字输出型电子式互感器 与模拟输出不同，数字输出型电子式互感器输出的不是时间t 的函数，而是一 3 华北电力大学硕士学位论文 序列数值，是以计数为阼( 整数) 的函数。一次电流( 电压) 在如时刻采样完第栉次的数 据采集。样本间进行等间隔采样，时间间隔为瓦，且有t + l - - t , = 瓦。 因此，二次数字输出的数学描述为： 0 ) l i b k 4 2 s l n ( 2 v r 。，。乙+ 红) + 屯o ) + o o )( 2 - 2 ) 式中： f 。输出的数字数，代表一次电流的实际瞬时值； k 对称分量的方均根值； k 二次直流输出，包括指数衰减分量； k 二次剩余输出，包括谐波和分数谐波分量； ， 基波频率； 钆二次相位移； 肛时间瞬时值； t 。一次电流和电压第1 1 次数据集采样完毕的时刻。 2 2 1 合并单元输出 数字信号输出是电子式互感器输出的主要形式，传送的数字量可以是光信号或 电信号。根据国际电工委员会制定的标准i e c6 0 0 4 4 7 8 ：电子式电压电流互感器， 为了有效利用其数字传输的优点，标准中定义了电子式互感器接口中重要的组成部 分合并单元，并且严格规定了它与保护、测控设备的接口方式。合并单元的主 要功能是同步采集多路e c t e v t 输出的数字信号，按照标准规定的格式发送给保 护、测控设备。标准中典型的做法是将7 只电流互感器( 3 只测量，3 只保护，1 只 中性点) 和5 只电压互感器( 3 只测量、保护，1 只中性点，1 只母线) 的二次转换器组 合成一个合并单元，将同步采集到的多路瞬时数字信号填写到同一个数据帧中，如 图2 2 。 e c r b ( 保护) 的s c 卜二= = ：j 重重重重重重重垂三 _ 7 j 合并单元 菰霸葳e c 丽t 覆气一斤习 中性点 的s c 卜一i 广一 数字输出 需l 时 要i 钟f 电 景卜1 源圈 胸i 入il 首茎苎兀i il 电源 i 图2 2 合并单元的数字接口框图 4 一一一一一一一 一一一一一 一一一一一一一 华北电力大学硕士学位论文 图中：e c t a 指电子式电流互感器a 项；e v t a 指电子式电压互感器a 项；s c 为 二次转换器。 合并单元主要有以下三个功能模块构成： ( 1 ) 同步功能模块：用来同步外接的1 2 路一次侧d 转换电路，并保证能够使 全站的合并单元同步。合并单元接收到外部同步输入信号后，根据采样率的要求产 生同步采样命令，命令格式可以根据实际情况自行定义。 ( 2 ) 多路数据接收和处理功能模块：合并单元在发出同步采样命令后，将在同 一时段内接收1 2 路d 转换电路输出的数字信号，并及时将数字信号进行适当地 转换，以方便以太网络通讯模块地使用。 ( 3 ) 以太网络通讯模块：用于将合并单元接收到的各路信号按照通讯标准规定 的格式组帧后，通过以太网发送给二次设备。 目前，在合并单元的研究领域中，有多种实现方案： ( 1 ) 使用嵌入微控制器或微处理器硬核的f p g a 2 2 1 。 现场可编程门阵列f p g a ，具有丰富的i o 端口，并且可以由用户定制专门的用 途，特别适合完成合并单元的同步任务和多数据接收、处理功削2 3 1 。一 ( 2 ) 在合并单元系统中加入d s p ，由d s p 与f p g a 相互结合。将f p g a 的硬件 电路的高速、并行处理能力和d s p 在已有硬件条件下的软件编程控制能力相结合， 两者相互补充，充分体现了软、硬件互相融合协同工作的发展趋势【2 秘】。 除上述两种方法以外，还有一些其他的合并单元的设计方案，如：基于a r m 嵌入式系统的开发、采用复杂可编程逻辑控制器件c p l d 为核心处理器的设计和基 于v l a n 技术的实现等【2 7 。2 9 】。 以合并单元形式进行数据传输所采用的通讯技术一般有以下两种方案： ( 1 ) i e c 6 0 0 4 4 8 描述的通讯技术 合并单元n - 次设备之间的连接，采用光纤传输系统或铜线传输系统。后者是 光纤传输系统的替换选择，应符合e i ar s 4 8 5 标准。通用帧的标准传输速率为 2 5 m b i t s ，采用曼彻斯特编码，先传输最高位( m s b ) 。链接层采用i e c6 0 8 7 0 5 1 中 的f t 3 格式( 图2 3 ) ，不仅能够保证良好的数据完整性，其帧结构还能应用于高速度 的多点网络同步数据链接，链接服务等级采用s 1 ：输送不回答。采用循环冗余校验 码进行通信过程中的差错控制。这种通讯方法在技术上易于实现，通讯协议易于标 准化，对不同的一次电气连接灵活性高。 5 华北电力大学硕士学位论文 字节l 前 字节2 导 字节3 季鬻鍪 字节6 茎 字节78 字节8 字节9 字节l o 字节l l 字节1 2 字节1 3 字节1 4 2 72 62 52 i2 32 22 。l2 0 据 ! 三丝鲎剑2 坠 垦垒盟! 虫! f 型2 醯 d a g a s c t n a m ci s bm s b m s b l d n 锄c i s b 额定项电流 ( p h s a a r t , 额定中性点电流 额定项电压 ：p h s a v r t r ： 额定延时时闻 一 ( k ) 曲 m s b d a t a c h a n n e 栅 一 i s b m s b d 日删= i i 蛐d 圮 一 i s b m s bd a t a c h a n n e l 桕 i s b m s b d a t a c h a n n e l # 4t i s d r a s b d a t a c h a n n e l 朽 一h b m s b d a t a c h a n n e l 牦 一i s b m s b d e t a c h a n n e l 灯 一 i s b m s b d a t a e h a n n e l 榴 i s b 图2 3 f t 3 帧格式 ( 2 ) i e c 6 1 8 5 0 - 9 1 描述的通讯技术 青l 数m s b d a t a c h a n n e l # 9 宵2 据 i s b 肓3 集 m s b d a t a c h a n n e l # 1 0 肓4i s b 宵5 m s bd a t a c h a n n e l 引1 宵6i s b 宁7 m s b d a t a c h a n n e l # 1 2 茸8 i s b 荸9 m s bs t a t u s w o r d 舭 i i o i s b i 1 1 m s b s t a t u s w o r d 舵 一 1 2i s b ，1 3 m s bs m p c 毗 1 4i s b 1 5 m s b 保留定义百 h 6略d 合并单元与二次设备之间采用以太网形式进行数字信号的通讯【3 们。i e c 6 1 8 5 0 标准系列覆盖了变电站的所有接口通讯，是面向对象的电力系统无缝通信体系标 准。它将变电站的通讯体系分为3 层：变蝴( s t a t i o nl e v e l ) 、间隔层( b a yl e v e l ) 和过程 罢( p r o c e s sl e v e l ) 。其中i e c 6 1 8 5 0 9 1 阐述了间隔层和过程层的通讯以及合并 单元与二次设备之间的串行单向多点通讯，见图2 4 。 接口 图2 4 合并单元与二次设备之间的串行单向多点通讯示意图 链路层基于i s o i e c 8 0 2 3 协议，以太网络的物理传输帧组成见表2 1 。 表2 1 以太网络的物理传输帧结构 p rs dd as at p l dt c it y p ep d ua p d uf c s 5 6 b i i8 b i t4 8 b i t4 8 b i t1 6 b i t1 6 b i t 1 6 b i t 6 4 b i t 5 8 4 b i t3 2 b i t 6 华北电力大学硕士学位论文 - p r ：前导码，用于收发双方的时钟同步，为5 6 位二进制数1 0 1 0 1 0 1 0 。 s d ：帧首界定符，为8 位1 0 1 0 1 0 1 1 。 d a ：目的地址，标准建议默认值为广播地址，即1 6 进制的f f f f f f f f f f f f 。 一a ：源地址，可以自己定义，但在局域网内应为唯一标识。 加i d ：协议检验标志。 - t c i ：控制信息标志。 州p e ：帧的数据类型。 一d u ：协议数据单元。 a p d u ：应用协议数据单元。由应用协议控制信息( 3 2 位) 和应用服务数据 单元组成。应用服务数据单元分为通用数据段( 4 6 字节) 和状态标志数据段( 2 3 字节) 。 其中通用数据段采用图2 3 定义的一般帧结构。 f c s ：3 2 位数据校验位。 应用层：信息交换是通过应用服务数据单元( a s d u ) 实现的。a s d u 是一种基于 严格规定的“标准化”报文传输应用，其类型标识和特定的应用条目是联系在一起 的。 标准i e c6 0 0 4 4 7 8 和变电站通讯标准i e c6 1 8 5 0 9 1 ，都是基于数字化接口， 通讯能力强、与通讯网络联接方便，并且传输的信号准确可靠，符合电力系统数字 化和网络化的发展趋势1 3 1 1 。目前，在电子式互感器合并单元的研究和开发中，基于 i e c 6 1 8 5 0 9 1 的设计有很多。i e c6 1 8 5 0 9 1 在很大程度上遵循了i e c6 0 0 4 4 7 8 ， 比如：输入交流通道为1 2 路、数据帧格式固定以及采用点对点或一点对多点的单 向通信方式等：此外，还增加了反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息， 通信采用以太网的链路层底层协议完成【3 2 1 。 随着研究的深入，传统的变电站自动化系统要逐渐向着满足i e c 6 1 8 5 0 标准要 求的变电站自动化系统过渡，这也使得合并单元的研究要向着符合i e c 6 1 8 5 0 标准 的方向发展【3 3 1 。 2 2 2 其它形式的数字输出 对二次侧的模拟信号进行适当的模数转换可得到数字输出形式的电子式互感 器，这也是电子式互感器研究方向之一【3 4 铂j 。其中常见的有两种：直接模数转换式 a d c 和v f c 方式。 直接模数转换式a d c 对微分型电子传感器的信号首先要进行运算放大积分后， 7 华北电力大学硕士学位论文 再进行a d 转换。这种方法不受系统谐波分量变化及频率波动的影响【3 7 1 ，但信号处 理电路有些复杂，适用于测量和保护控制通用目的的电子式互感器信号处理。 v f c 是一种间接转换模数转换器，转换原理是通过电压积分比较方式将被测电 压转换成与逻辑电路兼容的脉冲串或方波形式实现对电压的测量，它的输出频率与 输入信号呈精确的线性关系，即：厂一k v 。 由于不用外加积分器，减小了非线性环节，而且v f c 的输出频率能够直接响应 输入信号的变化，可取消采样保持器，因此与直接模数转换相比，简化的信号处理 电路，便于实现各装置间采样信号的同步。它与c p u 的接口简单，抗干扰能力强， 并且一套v f c 转换系统可为多个c p u 共享。此外，v f c 输出可以很方便的接入光电隔 离器件，实现了互感器与二次设备的完全隔离，提高了传输系统的抗干扰能力。其缺点 是在交流信号的采样实现过程中会丢失一些频率分量，适用于对传感精度要求不 高，而对信号的实时性和多路信号之间的同步性要求很高的保护和控制领域【3 7 】。而 且，由于它是在传统电磁式互感器的基础上，对输出的模拟信号进行模数转换，因此以 v f c 形式输出的互感器本身也具有磁饱和等现象，并且它的输出形式也不符合国际电工 委员会所规定的标准要求。 2 4 本章小结 目前，国际上并没有对电子式互感器的输出做出统一的规范，以至于还存在多 种输出形式的电子式互感器。本章介绍了几种典型的输出形式：模拟型、合并单元 输出型、v f c 型和直接模数转换式a d c 型，其中尤其详细介绍了数字输出型电子式 互感器的接口形式和相应的数据通讯协议。只有清楚地了解了电子式互感器的输出 接口以及数据传输形式，才能制定与之相适应的校验方案。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章电子式互感器校验系统的理论分析 3 1 电子式互感器校验系统基本原理 国际电工委员会对电子式互感器的测量做出了相应的标准工作【1 7 1 引。其基本原 理为：以传统的电磁式互感器作为标准器件，并以它为核心构成一个基准系统。比 较基准系统和被测电子式互感器的输出，测量二者之间的误差。下面将以电子式电 流互感器为例，分别介绍模拟输出型和合并单元数字输出型电子式电流互感器的校 验原理。 3 1 1 模拟输出型电子式电流互感器的校验原理 由于二者的输出均为模拟电压形式，因此可将两者同步放大后直接进行比较， 见图3 1 。 7 口 图3 1 模拟输出型电子式互感器校验原理图 图中，k 。：基准c t 的额定变比 v l ：同步放大器的输出电压 r l ：调节同步放大器输入电压的负荷 r l + 氏：基准c t 的额定二次负荷 v t ：模拟输出型e c t 的二次电压 r t ：e c t 的额定二次负荷 校验系统输出参数为： 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 比值差( 电流误差) ( f ) 一垒：! ! 二幺1 0 0 lp ( 3 1 ) 式中，“：额定变比；，：实际一次电流的方均根值；玑：二次转换器输出 的方均根值。 ( 2 ) 相位差( 妒) 相位差为一次电流相量和二次输出相量的相位差，相量方向选定为，在额定频 率下理想互感器的相位差角等于其额定值。当二次输出相量超前于一次电流相量时 相位差为正，通常用分或厘弧表示。 妒一仍一驴p ( 3 2 ) 式中，砟：一次相位移；钇：二次相位移。 3 1 2 合并单元数字输出型电子式电流互感器的校验原理 电子式电流互感器是通过合并单元进行数字输出的，测量原理框图如3 2 。 , t p c 图3 2 数字输出型电子式互感器校验原理图 1 0 字帧 华北电力大学硕士学位论文 图中， k ：标准互感器的额定变比； ：高精度负荷； r l ：用于调整标准a d 转换器的输入电压的负荷； v 1 ：标准a d 转换器的输入电压： r l + ：标准互感器的额定二次负荷。 校验系统输出参数为： ( i ) 比值差( 电流误差) ( ) -鱼：三二幺1 0 0 l p ( 3 - 3 ) 式中，k 一：额定变比； ，。：实际一次电流的方均根值； ，。：二次转换器输出的方均根值。 ( 2 ) 相位差( 妒) 相位差为一次端子某电流的输出瞬时，与所对应数字量数据集在合并单元输出 的传输起始瞬时，两者之间的时间差( 用额定频率的角度单位表示) 。 3 2 校验系统标准通道的构建 根据电子式互感器的校验原理可知，校验必须要以传统标准电磁式互感器为核 心，和其他一些标准器件共同构成测量的标准通道。比较标准通道的输出和被测电 子式互感器的输出，得出校验结果，这就要求必须要保证标准通道的可靠性。如果 标准通道的误差满足微小误差原理，即标准通道的误差与被测试的准确级相比能够 忽略时，可以取标准通道的输出乘以其额定变比等于一次电流电压，直接用于误 差计算。因此在搭建校验系统前必须选择合适的标准器件，以满足校验系统的测量 要求。 3 2 1 标准通道总体误差满足条件 标准 1 8 1 q b ，定义电子式电流互感器的准确级为在额定电流下所规定的最大的 允许电流误差的百分数，由( 3 - 3 ) 知被测电子式互感器的准确级为 i 01 掣 枷眦乎5 一* - 川。 伊4 ， 1 口一p k 一 其中：，k ，d 表示额定电流下二次输出电流的真值；，表示二次输出的实际值。 华北电力大学硕士学位论文 由式( 3 - 4 ) 可看出：准确级的值可看作是在额定电流下二次输出电流的相对误 差的百分数。这样我们就可以根据被测电子式互感器的准确级来确定校验系统标准 通道总体误差应满足的条件。 测量的原理框图可简化为下图形式。 i p , 9 ， 图3 3 测量原理框图 其中，j ，：为一次电流输出； l ：为标准通道的二次输出； c ：为被测通道的二次输出。 并设，d l ：标准通道的误差； d 2 ：测量通道相对标准通道的测量误差； d ：被校验通道的误差。 则有e = d 图3 4 反应了校验系统中实际存在的误差。 ，伊 图3 4 校验系统中的误差 1 2 ( 3 - 6 ) d t黼上 t蝴l十龇上 华北电力大学硕士学位论文 有： 因此被测通道的测量误差d 主要有两部分构成：d 。和d ：。根据误差传递公式【2 1 l 将( 3 - 5 ) 式代人( 3 - 6 ) 式，有 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 若忽略标准通道相对于测量通道的误差，将标准通道的输出，作为“真值来 计算时，则标准通道的精度必须满足微小误差取舍准则，考虑到由于软件计算和其 它环节引入的少量误差，可得出以下关系式【2 0 】： d l = ( 1 5 诲( 3 8 ) 式中，e ：为被测电子式互感器的准确级。 因此，标准通道的总体误差d ，应满足( 3 8 ) 式的要求。 3 2 2 标准通道内各部分误差分析 以对数字输出型电子式电流互感器的校验为例，整个校验过程中产生的误差主 要有四部分：标准电磁式电流互感器的误差q 、标准电阻的误差o r ：、a d 转换的误 差吒及计算过程中因算法和有效字长等原因产生的误差仃。下面将详细分析各部分 误差对标准通道的总体误差o r ( ( j r = d 1 ) 的影响。 、 ( 1 ) 标准电磁式互感器的误差吼 根据式( 3 - 4 ) 可知，仉为该互感器准确级的值。 ( 2 ) 标准电阻的误差， 标准电阻用来调整标准互感器的输出，使之符合a d 转换器的输入要求。由它 产生的电流输出误差口，可用标准电阻的精确度来表示。 ( 3 ) 数据采集卡的误差仃， 一般情况下，数据采集卡要到相关的鉴定部门做误差检验，出具鉴定报告。在 没有鉴定报告的情况下，采用产品厂家提供的产品说明书、技术性资料等。 ( 4 ) 计算过程中的误差仃。 在应用软件的选择和程序设计方面，由于算法和有效字长效应等因素还会引入 一些误差，这对最终结果的准确性是有一定影响的。因此，在设计标准通道的过程 中也要将这部分误差考虑进去。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 3 标准通道总体误差的确定 卑o o = 铲 p l - 1 ) - ( - 1 ) 枷。一 、m v “ l o o 5 f 3 _ 10 1 1 4 华北电力大学硕士学位论文 因此，可得到被测通道实际的比值差和相位差： 1 e j 。i 面t _ l r l ( 3 - 1 2 ) 吼o 。+ 红o ( 3 一1 3 ) ( 3 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 即为校准系统比值差和相位差的数学模型。 3 3 2 校验系统测量不确定度来源分析 ( 1 ) 比值差不确定度来源分析 根据测量的数学模型( 3 1 2 ) ，由于志，一项远小于和q 的数量级，对被 测电子互感器实际的比值差影响可忽略不计，因此影响比值差的因素主要有以下几 部分组成： 测量通道测量比值差的重复性引入的标准不确定度分量u ，( a 类评定) 主要包括软件设计和有限字长效应引入的误差。 标准通道测量比值差引入的标准不确定度分量m ， 标准通道测量比值差引入的标准不确定度分量u ，由标准电磁式互感器测量比 值差引入的标准不确定度u ，( b 类评定) 、标准电阻的精度对测量比值差引入的标 准不确定度比复( b 类评定) 和标准a d 转换器的转换精度对测量比值差引入的标准 不确定度h 鹩( b 类评定) 构成，各个标准器件引入的不确定度是相互独立的。 ( 2 ) 相位差不确定度来源分析 根据测量的数学模型( 3 - 1 3 ) ，影响被测电子式互感器的相位差的因素主要有： 测量通道测量相位差重复性引入的标准不确定度分量n ，( a 类评定) 主要包括软件设计和有限字长效应引入的误差。 标准通道测量相位差引入的标准不确定度分量“。 标准通道测量相位差引入的标准不确定度分量比。，由标准电磁式互感器测量相位差 引入的标准不确定度雎。，( b 类评定) 、标准a d 转换器数据采集、转换和数据处理过程 对测量相位差引入的标准不确定度h 。：( b 类评定) 构成，各个标准器件引入的不确定度 是相互独立的。 3 3 3 校验系统测量不确定度评定 ( 1 ) 不确定度分量的计算 依据标准【3 9 】，可分别对比值差和相位差各分量按照表3 1 、3 2 计算。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 比值差不确定度分量计算 标准不确 不确定度来源 测量结 定度分量 果分布 计算参数 计算公式 正态 测量次数咒、最佳值估 旰弘司2 瓜两 u l 重复测量 分布 计占，、单次测量值气 鉴定证书 均匀 2 1 标准互感器准确级占 “2 l e 历 测试报告分布 鉴定证书均匀 口复 电阻精度d “笠= d 以 测试报告分布 鉴定证书 均匀 h 2 3 一d 压 l l a d 转换精度d 测试报告分布 u 2 1 、h 笠、u 2 3 口：- 也刍+ h 刍+ 三 u 21 2 1 、l i 笠、u 2 3 ， 合成 表3 2 相位差不确定度分量计算 标准不确 不确定度来源 测量结 定度分量果分布 计算参数计算公式 正态 测量次数刀、最佳值估 “3 重复测量 旷扣面2 ，瓜而 分布 计、单次测量值吼 鉴定证书均匀标准互感器 1 1 4 1 最大相位差9 “。= 妒压 测试报告分布 鉴定证书均匀 u 垃| 甲 | d 厢 l 4 2最大相位差，d 测试报告分布 i 4蝴l 、“4 2 合成1 4 1 、u 4 2 髓4 。厩 注：表中。一”表示该项未知。 ( 2 ) 不确定度评定结果 依据标准 3 9 和表3 1 、3 2 中各个不确定度分量的计算结果，可得到校验系统整体 的合成标准不确定度和扩展不确定度，见表3 3 。 表3 3 校验系统不确定度评定结果 扩展不确定度u 被测互感器参数最佳值估计合成标准不确定度距。 ( 包含因子为k ) 一 1 h 。( 占) ；厢 u ( e ) = k 。u 。p )比值差e ：。2 i 刍。 一1 泐。厢 夥和) = 忌u c p )相位差以。9 02 一 平t 以爿 注：标准 3 9