电子式电流互感器在线校验的探讨.doc

三相电能表现场校验仪 福建亿森电力设备有限公司 销售电子式电流互感器在线校验的探讨 福建亿森电力设备有限公司 销售电bstract随着电子技术和数字信号处理技术广泛应用于电力系统，电子式互感器技术日趋成熟。由于动态范围广，频带宽，无磁饱和等优点，电子式互感器已经开始取代传统式互感器应用于电力系统和其他工业领域。而有源式互感器的供能和信号处理电路的应用为电子式互感器的可靠性带来了新的问题，电子式互感器的在线监测变得尤为重要。本公司研究了一种高准确度的电子式电流互感器在线校验系统，可以在不断电的情况下对电子式互感器在线校验，大大的提高了电力系统的可靠性。试验结果表明，该系统具有0.05级准确度。同时该系统可用于传统电流互感器的在线校验。传统的变电站自动化系统，一次侧应用电磁式CT，存在着二次接线复杂，自动化功能独立、部分功能重复、缺少集成应用等问题。随着电网的不断发展，数字化变电站成为发展趋势，而电子式电流/电压互感器（Electronic Current Transformer,ECT/ Electronic Voltage Transformer, EVT）的产生摒弃了传统互感器绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小，频带窄等缺点，是满足电网动态范围，提高继电保护可靠性和数字化变电站建设的基础设备。相对于传统互感器而言，电子式互感器是一个新生事物。由于信号处理与接口数字化的部分由二次设备转移到一次侧互感器部分，其可靠性、使用寿命、连续运行、电磁兼容方面，还需要进一步的运行实践。因此，电子式互感器的在线校验，实时监测尤为重要。在运行过程中，定期对电子式互感器在线监测，可以在系统失效前进行预测故障，大大的提高了系统的可靠性。本公司针对这一背景，研究了一种用于高精度电子式电流互感器的在线校验系统。可以在线效验0.2s级的电子式电流互感器，也可以校验传统电流互感器。具有便携，精度高，成本低，可靠性强等优点。 该校验系统主要包括标准传感头，高压侧数据转换模块，本地接受模块和校验平台，分为标准通道和被校两路通道。标准通道的传感头采用基于PCB板的钳形罗氏线圈，高压侧数据转换模块在接受到本地接受模块的同步信号后，将罗氏线圈输出的微分信号进行A/D转换，再通过光纤发送模块将数据发送到本地接受模块。本地模块接收到两路通道发送回来的数据后以RS-232的通信接口标准发送给PC机中虚拟仪器校验平台做误差计算和结果显示。A Sensor Head罗氏线圈是目前应用比较广泛的电子式互感器之一，其动态范围广，频带宽，绝缘性能好，尤其适用于大电流的测量。本系统的标准通道选用基于PCB的钳形罗氏线圈作为传感头。罗氏线圈将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，从根本上解决了铁芯的磁路饱和问题，被测电流不受限制，反应速度快，不与被测电路直接接触，能起到很好的隔离作用。平板型空芯线圈是基于PCB的罗氏线圈的主要结构之一，该结构可以克服印制电路板基板厚度有限，层与层之间电气连接过孔加工工艺复杂等缺点，采用成对印刷电路板制成的线圈串行连接而成。两PCB板成镜像关系，成对的结构能有效消除垂直于线圈平面方向变化磁场对测量的影响。对板示意图如图2所示，PCB1的上表面和PCB2 的下表面完全一致，且PCB1的下表面和PCB2 的上表面完全一致，每对成镜像PCB板为一组，引出一对出线端子。 图2 平板型空芯线圈中成对的PCB板示意图 为了满足在线校验的需要，本系统标准通道的传感头结构设计为钳形，安装人员通过一定的防护措施，可以在不断电情况下，很容易实现校验装置的现场安装。虽然开口的设计会对罗氏线圈的精度有一定的影响，但是通过精密的计算和加工，可以达到0.05%的准确度。本系统实物图如图3所示，外层为全铝屏蔽壳，内层机械设计分为三层，包括了基于PCB板的罗氏线圈，高压侧转换电路和激光供能接收电路。B Optical Date Link光纤传输系统由高压侧转换模块，低压侧接收模块以及上行光纤、下行光纤组成。本地接收模块通过上行光纤给高压侧转换模块提供激光供电，发送触发同步脉冲；高压侧转换模块收到同步脉冲后进行采样，并通过下行光纤向本地接受模块传送数据。供电方式采用激光二极管的工作原理确保了光功率在一定温度条件下的稳定性，通过光电池转换后得到的电源也相对比较稳定且纹波小，噪声低，不易受到外界其他因素的干扰。 高压侧转换模块包括信号调理电路及A/D转换和数据发送。针对本系统的高精度低功耗的设计要求，MCU选用超低功耗系列的单片机。收到同步时钟后， MCU通过SPI模块从A/D接口读取数据，然后将采集回来的数据通过UART模块发送到光纤发射器 HFBR-1414。低压侧接收部分包括接受高压侧数据和与上位机通信。低压侧MCU需要有两个UART接口来接受标准通道与被校通道两路的通信数据。接收到的数据通过MAX232多通道RS-232协议的驱动器将数据交错的发送给PC机。C Calibration Software校验软件主要包括三个内容，即实现PC机和本地通信模块的串行通信，误差计算以及良好的人机交换界面，方便显示测试结果。本系统软件选用基于NI公司的Labview平台，它是一个标准的数据采集和仪器控制软件，其图形化的编程方式改变了20年来的测试，测量和控制应用程序的开发过程。设计者不用将精力投入在大量程序代码的编写上，而是侧重于测量方法的突破，从而大大缩短了软件开发周期和研发成本。Labview是NI公司开发的工业软件，可以识别NI公司的所有数据采集卡，也可以与VC、Matlab等成熟的编程程序相结合，使得本校验系统有良好的可移植性和扩展性。PC机与本地模块单片机的串行通信需要调用Labview中VISA控件，实现对串行接口的驱动。本系统软件流程图如图4所示，首先应该设置VISA节点，例如波特率、数据位、校验位等参数。成功建立通信后将采样值与四阶矩形卷积窗作时域乘法，最后通过FFT提取基频分量，计算比差值和角差值。 本系统的校验软件采用基于labview的四阶矩形卷积窗算法。与常用的误差计算方法FFT算法相比，该算法可以有效减少因非整周期采样造成的频谱泄漏误差，有更高的准确度。在按照IEC-60044-8(Electronic current transformers)标准规定电网频率波动允许范围为99%fr-101%fr（即49.5HZ50.5Hz）时，矩形卷积窗的频谱泄漏效应小于其他具有相同宽度的著名窗函数，在抑制非同步采样所引起的测量误差方面，四阶矩形卷积窗比其他相同宽度的著名窗函数效果更好。 实验室测试框图如图图4所示。标准互感器为准确度为0.05%以内的电磁互感器。测试结果如图5、图6所示。图5 The hybrid current measurement system ratio error at 50Hz and the maximum allowed error for a 0.1 class ECT图6 The hybrid current measurement system phase error at 50Hz and the maximum allowed