多台电压互感器与电流互感器检定系统的设计.pdf

收稿日期 2016 11 18 作者简介 李晨 1985 男 工程师 工学硕士 主要从事互感器 计量和仪器仪表设计研究工作 多台电压互感器与电流互感器检定系统的设计 李 晨 海志华 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 湖北武汉 430074 摘 要 传统上电压互感器和电流互感器进行检定时为单个逐台检定 其检定接线较为复杂 而且必须按检定规程 进行试验电压或试验电流的逐点升降和测试数据 单台校验占用的时间较长 检定效率低 为了提高检定效率 研究和 设计了一种多台电压互感器和电流互感器检定系统 可以对多台电压互感器和电流互感器同步进行检定 介绍了该检 定装置的误差接线图 达到了通过一次性接线 实现互感器的同时测量的目的 通过对多台电压互感器和电流互感器的 检定数据和原有检定数据进行比对分析 检验结果完全满足检定规程要求 关键词 互感器 检定 自动 开发 中图分类号 TM45 文献标识码 B DOI 编码 10 14016 j cnki 1001 9227 2017 03 105 Abstract Verify the traditional voltage transformer and current transformer device for single layers and verification the verification wiring is complex and must according to the verification regulation of test voltage or current test by lifting and data occupy a single check for a long time the testing efficiency is low In order to improve the verification efficiency we study and design a multi stage voltage transformer and current transformer calibration system which can be used to test the synchronization of multi voltage transformer and current transformer Introduces the calibrating device error wiring diagram reached by a single connection to achieve simultaneous measurement of transformer through comparison and analysis the test data of a plurality of voltage transformer and the current transformer and the original test data The test results completely meet the verification regulation requirements Key words transformer verification automatic development 0 引言 对于电网公司 互感器厂家等企业而言 每个互感器 投运前 出厂前 均要按规程进行检定测试 合格后方能 投运 出厂 这部分互感器的检定工作量相当大 由于 现有设备的限制 目前高压互感器均采用逐个检定的方法 进行测试 耗时多 效率低 传统的电压互感器校验用标 准电压互感器 电压负载箱 互感器校验仪 电压调节装 置 测试电压互感器六部分组成 通过手动或自动控调压 装置 然后按照规程中规定的或人为设定的多个测试点 逐一定点测量 完成一只电压互感器检定大概需要 10 15 分钟 每完成一只就需要重新接线 工作效率低 而且 每次接线均涉及高压作业 存在一定的安全风险 对电压 互感器和电流互感器校验设备的工作效率及安全性急待 进一步提高 通过一次性接线实现多台电压互感器和电 流互感器的自动检定 显得极为迫切和必要且技术上 可行 本文提出了多台电压互感器和电流互感器检定系统 提出了该检定装置的设计思路及实现方法 通过采用新 一代的数字信号处理芯片及改进的傅里叶算法等 检定系 统可实现一次同步检定 16 台低压电流互感器和一次同步 检定 12 台电压互感器 通过对仿真负荷的理论研究 节 省原检定模式所需的大量负荷箱 可满足多台负载的同时 加载 实现检定设备 接线 试验场地的大幅缩减 同时系 统内使用的互感器校验仪采用先进的 DSP FPGA 控制模 式 由于系统数据运算量特别大 需要能够同时对多台被 试品的误差信号 参考信号 程控源监视信号等进行同步 采集 同时 需要实时地控制多台被试品的通道也特别多 因此采用高性能的数字信号处理器 DSP 和复杂可编逻辑 器件 FPGA 来扩展 I O 口 同时采用复序列的改进 FFT 算 法进行计算 满足多路测差信号的实时性要求 提高准 确度 1 多台互感器同步检定系统功率补偿及 误差理论分析 由于电流互感器检定时升流器的容量与电流互感器 二次侧负荷以及一次回路阻抗有关 所以在负荷无法改变 的情况下 需要尽量减小一次回路阻抗 进而减小升流器 和程控源的容量 节省成本 一次回路的阻抗与大电流导 线的长度 直径有关 大电流导线越长 则一次回路阻抗越 大 分压越多 而且导线阻抗往往呈感性 这样极大的增加 了升流器的容量 所以 在接线时 除了考虑一次回路尽 可能短以外 还需要采取一定的办法 减小一次回路感抗 使其尽量呈阻性阻抗 目前 减小回路感抗的办法最简单 的方法是通过无功补偿的办法 501 自动化与仪器仪表 2017 年第 3 期 总第 209 期 当采用 12 台互感器并联时 原理图如图 1 所示 图 1 多台电压互感器校验原理图 正常情况下 对于 0 05 级标准 PT 二次内阻抗小于 3 uDK一般很小 而 YDK在校验仪设计时也非常小 这样 可以得到系统的附误差非常小 由于二次端子的额定电 压一般为 100V 本设计中 YDK 1 40ms 由于被校验电压 互感器等级为 0 5 级 所以电压差 uDK 0 5V 这样 可以 计算出此时的标准 PT 的附加误差为 u u0 z uDK YDK u0 3 0 5 1 100 40 103 4 10 7 1 根据叠加原理 当 12 台电压互感器并联时 流过标准 互感器 PT0 二次侧的电流为所有 12 台分别接入后流过标 准互感器 PT0 二次侧的电流的和 这样标准 PT 的附加误 差为 u u0 z uK 1D YK1D uK12D YK12 D u0 2 公式 2 中 uK iD 第 i 台互感器与标准互感器之间的 电压差 YK iD 为校验仪的 Ki 与 D 之间的导纳 标准互感器的最大附加误差为 12 台电压互感器分别 产生的最大附加误差之和 即 z uK 1D YK1D u0 z u K12D YK12D u0 12 4 10 7 4 8 10 6 3 根据分析 可以得出 12 台互感器并联后标准 PT 的附 加误差影响也可以忽略不计 2 互感器校验仪设计 2 1 互感器校验仪整体硬件设计 多台电压互感器和电流互感器检定装置中最重要的 是校验仪 互感器校验仪的设计 包括模拟信号程控增益 放大电路 信号预处理电路 采样电路 人机交互及通信接 口电路 校验仪原理框图如图 2 所示 模拟信号经过精密互感器隔离取样后进行增益可调 的放大 一系列的程控放大 隔直电路和滤波电路之后已 经达到 A D 采样的最佳范围 而后输入到带有采样保持 器的型号为 MAX125 的采样芯片中 量化后的数字信号经 过光耦隔离传输至 DSP TMS320F28335 中 光耦隔离器 保证了模拟信号和数字信号的有效隔离 提高了校验仪的 抗干扰能力 通过对多路信号快速傅里叶变换 FFT 得 到每路误差信号的基波幅值及相角和标准参考信号基波 幅值和相角 从而得到标准参考信号与每路误差信号的相 位角 通过标准的基波信号的幅值可以得到相应的互感器 的百分表 然后与设置和数据管理软件程序测试点相比 控制输出电压控制系统或电流调节系统 直到参考百分表 达到设定点 同时 核心计算芯片根据计算程序的相应测 试点计算出了所测变压器的比差与角差 图 2 互感器校验仪原理框图 2 2 可编程放大电路的设计 由于测量信号比较小 为了获得较高的测量精度 通 常将信号放大到适合 A D 转换的最佳范围 ADG409 的 四个差分通道分别接在放大电路的反馈回路的高精度 高 稳定电阻上来保证程控放大信号的线性度 根据 CPLD 输 出的高低电平控制 A0 和 A1 所确定的地址线 实现可编 程放大倍数1 4 16 64 的控制 两片级联后可扩大到256 1024 4096 倍增益 本系统需要对多通道信号进行测量 对于每路信号的 总放大精度并不要求很严格 可根据总的增益放大倍数来 调节相应的电位器 但各路模拟信号放大的线性度却直接 关系到校验仪的最终检定精度 可编程放大电路如图 3 所示 图 3 可编程增益放大电路 2 3 模数转换电路的设计 为了提供高稳定及高精度的参考电压 2 5V 我们选 用了与 MAX125 相匹配稳压电源芯片 MAX6325 提供外部 参考电压 将CONVST控制信号直接与锁相倍频的信号连 接 这样标准信号的频率就与 MAX125 的采样频率的波动 一致 INT信号作为 DSP 的中断源 中断信号在每次采样 结束后发给 DSP 由 DSP 芯片对数据进行读取 MAX125 的片选信号CS和读取信号RD由 DSP 芯片控制 每当转换 程序开始执行 MAX125 就按照程序设定的方式连续执行 A D 转换 直到 DSP 系统复位或断电为止 MAX125 的硬 601 多台电压互感器与电流互感器检定系统的设计 李 晨 等 件电路原理图如图 4 所示 图 4 AD 采样电路原理图 2 4 人机交互电路设计 人机交互接口便于操作者完成对设备的信息传输控 制 人机交互包括两点 一是对智能仪器的状态干预和参 数的录入 主要由键盘来实现 二是智能仪器的实时运行 状态及结果的显示或提示 通常由 LCD LED 显示器 各种 指示灯或微型打印机来实现 本仪器 DSP 芯片通过地址总线与数据总线与 CPLD 芯片连接 通过 CPLD 芯片扩展 I O 口 从而控制液晶屏 的显示 键盘的按键响应等 通过 16 键键盘专用芯片 74C922 外接标准的 4 4 按键和 320 240 的液晶显示器 LCD 通过按键和液晶显示器用户可以完成各种操作 键 盘包括数字键 功能键及控制键 人机交互接口电路硬件 电路如图 5 所示 图 5 人机交互硬件电路设计图 3 误差测试接线 3 1 多台电压互感器误差测试接线 通过选择被测试电压互感器的电压电平 选择多电压 互感器的同步检测 并通过变压器校准仪自动切换标准电 压互感器的通道选择 标准电压互感器和电压互感器的比 一致性检验 将电压互感器与电压互感器检验标准根据比 较电路高端微分方法 控制互感器校验仪的控制通道 使 试验电压互感器二次加载不同的模拟负载 在不同模拟负 载条件下 得到标准精密电压互感器的差压信号和标准参 考信号 再通过对不同的模拟负载的多个测试电压互感器 的差压信号和标准电压互感器的标准参考信号进行信号 调理 多通道同步 A D 同步采样 DSP 芯片采用快速傅里 叶算法对多路信号进行计算 微分压力信号的基本幅值 标准参考信号的基本振幅和参考信号压差信号之间的角 度得到不同负载条件下变压器的比差和电压互感器的角 差 多台电压互感器同步校验系统接线图如 6 所示 图 6 多台电压互感器同步校验系统接线图 3 2 多台电流互感器误差测试接线 多台电流互感器校验装置误差测试原理图如图 7 所示 图 7 多台电流互感器校验装置误差测试接线图 4 软件设计 在自动测试互感器误差的基础上 开发了检定装置的 误差测试管理系统 根据 JJG314 2010 测量用电压互感 器检定规程 和 JJG313 2010 测量用电流互感器检定规 程 本检定装置软件部分主要是对电压电流信号的数字 处理和人机交互流程设计 数字信号处理单元主要用于 数据采集 并对数据进行采样分析计算 人机接口单元主 要完成数据的显示和与上位机通信功能 程序通过对子 程序的模块化 便于移植以及程序接口功能模块的增加或 删除 软件结构框图如图 8 所示 图 8 系统软件结构框图 5 检定数据记录与分析 5 1 多台电压互感器检定数据记录与分析 分别使用本系统和传统 单台测试 检定装置对 12 台被检电压互感器进行测试 通过对测试数据的比较 来 检测和验证本系统整体技术参数和精度能否满足设计 701 自动化与仪器仪表 2017 年第 3 期 总第 209 期 要求 选取 12 台被试品 先用传统方法逐个进行测试 然后 12 台同时接入本系统按新方案进行同步测试 标准 PT 型号为 HJ S10G3 其准确度为 0 05 级 被检 PT 型号为 JDZ11 10B 其准确度为 0 5 级 在此测试中 由于时间间 隔较短 被试品是电磁式电压互感器 误差是稳定的 对 同一台被试品的两次测试数据进行比较 来判断本系统的 偏差是否合格 实验结果显示 12 台互感器同步校验系 统测 试 结 果 与 单 台 互 感 器 测 试 结 果 之 间 的 比 差 为 0 004 角差为 0 047 符合互感器检定的规程要求 5 2 多台电流互感器检定数据记录与分析 多台电流互感器进行同步检定时 系统将根据规程点 对各种变比电流互感器进行检定 以检测其性能 自动检 定时 只需要检定最大 120 额定电流 而 200 一般都采 用人工设定测试点进行测试 在检定时 主要检定了互感 器满载时的数据 选取变比为 400 5 的电流互感器测试并 进行数据分析 分别对 16 台变比为 400 5 电流互感器进行自动检 定 其检定结果全部合格 又选取 0 2S 级各种变比互感器 通过传统检定方法 和多台位电流互感器自动检定装置检定方法进行比对试 验 得出数据记录如表 1 和表 2 所示 表 1 检定系统检定电流互感器测试数据 变比误差 额定负荷 10VA 下限负荷 3 75VA 100 150 200 20 100 60 5 比差 f 0 0520 0470 0330 0420 071 角差 0 0240 8442 1112 3060 467 400 5 比差 f 0 0150 0250 0450 0020 023 角差 0 4670 1210 0031 720 189 1500 5 比差 f 0 0060 0050 0120 0230 019 角差 1 9051 602 9651 0292 106 2000 5 比差 f 0 0230 0220 0470 0320 040 角差 1 5501 6673 0291 2111 179 表 2 传统检定电流互感器测试数据 变比误差 额定负荷 10VA 下限负荷 3 75VA 100 20 100 60 5 比差 f 0 0480 0400 068 角差 0 0252 1930 459 400 5 比差 f 0 0120 0010 020 角差 0 4601 680 178 1500 比差 f 0 0080 0250 019 角差 1 9551 0452 201 2000 5 比差 f 0 0220 0310 041 角差 1 5491 2081 181 通过上述两个表的测试数据显示 在额定负荷 100 电流测量点时 传统测试方法数据比值差 f1 0 048 相 位差 1 0 025 通过多台位互感器检定装置测得数据 f2 0 052 相位差 2 0 024 传统测试方法测量不确定 度 U1f 0 02 U1 1 多个互感器检定装置测量不确定 度 U2f 0 02 U2 1 则传统测试与多台测试方式得出 的比差 角差相互之间的影响误差 En E 分别如下 En f1 f2 U2 1f U 2 2f 0 048 0 052 0 022 0 022 0 14 1 4 E 1 2 U2 1 U 2 2 0 025 0 024 12 12 0 034 1 5 多台位电流互感器检定装置测量准确性符合设计要 求 电流互感器测量能力满足试验要求 6 结论 本文系统地研究了多台电压互感器和电流互感器检 定的过程 基于测差式测量原理 实现了以 DSP 和 FPGA 芯片 PC 机通讯为核心技术的自动互感器校验工作 多 台电压互感器和电流互感器检定装置可以同时对多台电 流互感器进行检定 一次性接线就可以通过 PC 机控制进 行多台被试品的误差检定 平稳准确 可以同时对多台电 压互感器进行检定 PC 机控制进行多台被试品的误差检 定 平稳准确 校验仪与 PC 机间的通讯 配合互感器校验 管理系统 从测试到数据分析以及各种报表的打印等 实 现一次性接线变完成多台被试互感器自动测试 提高了互 感器检定人员的工作效率 具有广阔的应用前景 参 考 文 献 1 王忠勇 陈恩庆 TMS320F2812 DSP 原理与应用技术 M 北京 电子工业出版社 2012 322 330 2 陈改霞 李宏 基于 DSP 和触摸屏的串行通信系统研究 J 工业控制计算机 20l4 27 2 8 9 3 王忠勇 陈恩庆 TMS320F2812 DSP 原理与应用技术 M 北京 电子工业出版社 2012 322 3