电子式电流互感器的校准监测

电子式电流互感器的校准监测

0电子式电流监测技术由于传统传感器性能的限制，现有保护装置在原理上是基于工作频率的保护的，并且容易受到系统振动和磁体饱和的影响，因此其保护性能很难满足当前电气系统向超高压、宽带、长距离的需求。而数字化输出电子式电流互感器从原理上满足了线性度、动态特性高等要求,数字化输出更省去了继保的A/D环节,简化了继保设备,同时也提高了继保的精度和可靠性,对电力系统的故障能快速响应且灵敏度更高。另外,从计量方面来说,数字化输出的电子式电流互感器与数字电能表接口更方便,同样准确度等级的电子式电流互感器的数字输出信号不存在二次电缆和电工仪表带来的误差,使系统电能计量的准确度更高。电子式电流互感器的数字输出接口的标准化,大大促进了电子式电流互感器和变电站自动化的发展。然而电子式电流互感器与传统电流互感器的原理性差异也引出了互感器校验的新问题。传统互感器只提供模拟电流或者电压信号,A/D变换由电子式电能表、保护装置等二次设备完成,但在数字化变电站中,要求A/D变换等信号调理在电子式电流互感器中完成。这一新设备的使用使得大量的电子元器件与光学元器件长期处于变电站户外的恶劣环境中,这对电子式电流互感器的可靠性、使用寿命、连续运行、电磁兼容等方面是一个新考验。因此提供一种适用于现场运行的、在线监测的电子式电流互感器校验系统有利于发现设备早期失效并提高系统的可靠性。目前对于电子式电流互感器的校验已有一些研究成果,但针对的都是用于实验室环境下的电子式电流互感器。现场运行的电子式电流互感器由于其动态范围宽、现场电磁环境恶劣,其输出往往与理想情况下的输出有很大的差异。传统的数字处理方式无法满足现场运行的电子式电流互感器的效验要求,更无法体现电子式电流互感器频带宽、测量范围广的优良性能。本文提出了一种基于虚拟仪器的现场校验系统,利用NI采集卡做硬件,采用加多重矩形卷积窗的傅立叶软件算法,可以针对现场环境下的谐波含量大、成分复杂这一实际情况进行更高准确度的误差计算。1电压传感合并单元根据IEC60044-7/8和IEC61850中的有关规定,针对数字化输出的电子式电流互感器,引入了一个新的概念即合并单元。其主要功能是同步采集多路电子式电流/电压互感器输出的信号并按照标准规定以同一数据帧格式发送给保护、测控设备。其接口框图如图1所示,EVTa指a相电子式电压互感器,ECTa指a相电子式电流互感器,SC指二次转换器。合并单元主要功能模块有3个:①同步功能模块。与模拟量输出不同,数字量输出不是时间t的函数,而是序列数值。许多保护设备需要来自不同设备之间同步的电流和电压信息,因此,需要对不同协议规则的电流和电压信息进行同步。②多路数据采集处理功能模块。该模块将同一时刻不同协议规定的三相电流电压传感器的一共12路信号按标准规定的数据格式组成帧内容。③数据发送模块。该模块将各路采集值数据组成的帧内容发送给保护和测量设备。实现此功能有两种技术方案,一种按IEC60044-8基于FT3格式采用曼切斯特编码发送,传输速率为2.5Mbyte/s,由于其传输速率比较慢,同时也限制了前段A/D的采样频率,所以不适用于对采样频率要求高的场合;另一种采用IEC61850-9-1所述的以太网方式传输,即IEEE8802.3,传输速率可以达到100Mbyte/s。因此后者应用更为广泛。2电子通信传感器的数字检验系统的设计2.1u2009合并单元的同时性问题校验系统框图如图2所示。标准回路采用高于待测电流互感器两个准确度等级以上的标准电流传感器。电流互感器输出接I/V转换器,互感器的输出经过相应转换后可以直接接入采集卡。本系统采用USB接口的18位采集卡NI6281做标准A/D转换器,该卡可以直接与便携式电脑连接。待测回路中的电子式电流互感器按照IEC61850标准中的要求合并单元并以IEEE802.3协议格式通过网卡将数字信号发送到PC机。由于涉及两种完全不同的数字处理系统,对数字化输出的电子式电流互感器校验而言,待测回路和标准回路的同步问题是难点。合并单元解决多路信号同步问题的方法有插值计算法和同步脉冲法。合并单元通过插值用已知不同延迟时间来推算各样本同一时刻的值,各合并单元必须有时钟输入,并具备依照时钟输入信号初始化采样起始值的功能。本系统标准回路的采集器选用的采集卡NI6281是一款M系列多功能采集卡,该系列设备可以利用板上的时钟源或外部信号作为数字时基,对合并单元提供公共的时间基准源,完全符合该卡数字时钟输入要求,可以很好地控制采样起始时刻。因此,采用一个符合合并单元和采集卡的外部公共触发时钟可以很好地解决两套系统的同时性问题。本系统采用高精准晶体振荡器DS32KHZ-N作为标准时钟,输出驱动两路同样的与门芯片75451,产生两路同步的脉冲分别给合并单元和NI62851作为触发时钟。两个回路因对同步时钟的响应时间不一样而会产生一定量的固定时延,表现为两路信号有固定相差,在校验系统软件中需要做一定的相位补偿。2.2基于已使用的网络文件基于虚拟仪器的电子式电流互感器现场校验系统,一方面可以直接使用NI的采集卡。变电站现场运行环境是非常恶劣的,有大量的电磁干扰。应用NI公司的数据采集卡,可以取代复杂的外围硬件设计,避免可能在硬件中引入的外界噪声,更可以保证硬件的电磁兼容性,有助于提高测量的准确度同时缩短校验系统的硬件开发周期和开发成本。另一方面可以使用专业的虚拟仪器开发环境Labview,它提供了丰富且高效的数字信号处理函数和硬件接口驱动程序。与传统的编程语言相比,Labview开发难度较小,功能更强大,对于一些现有模块无法实现的功能,Labview可以提供与C语言接口或者调用外部动态链接库(DLL)函数完成更复杂的编程任务。Labview是一个多线程多任务处理软件,其软件流程图如图3所示,其中N为采样点数设定值。整个校验软件完成的任务包括信号接收、信号处理、误差计算与结果显示、记录。计算机同时接收并处理待测通道与标准通道的信号,标准通道通过DAQ(DataAcQuistion)接收来自NI6281模拟输入通道的标准传感头输出信号,待测回路中由于电子式电流互感器是基于IEEE802.3协议的网卡输出,Labview中现有的模块不能完成基于该协议的网卡通信,因此需要调用外部动态链接库来完成待测通道的数据通信。本文利用WinPcap软件进行网卡数据包的捕获。WinPcap是独立于主机协议(TCP-IP)发送和接受原始数据包的,它通过对操作系统的核心层网络系统的重写,提供了强大的数据包捕获能力与捕获效率,该软件提供了一系列的C语言接口,为网络底层提供了高层接口,通过计算机平台对网络底层进行操作。首先用VC将WinPcap的抓包函数做成Windows外部调用链接库(winpcap.dll),然后将其嵌入到Labview实现电子式电流互感器的网卡输出和校验软件的通信。2.3加矩形卷积窗算法描述现场运行的电子式电流互感器与实验室环境运行相比,其电磁环境相对很差且一次导体的谐波成分更为丰富。因此对校验系统中数据处理的要求更高,需要对采集回来的数字信号进行一系列的预处理并提取出基波成分的幅值和相位。目前对于谐波和间谐波引起的误差可通过采用性能优良的窗函数或增加测量时间来解决,而对于由窗函数本身所引起的短范围泄漏误差和栅栏效应只能通过对频谱线进行适当插值的算法加以克服。窗函数的研究目前已经有了一些成果[11,12,13,14,15,16],常用的窗函数有矩形窗、Hanning窗、Blackman-Harris窗、Rife-Vincent窗等,在周期信号的参数测量中,本文选用了4阶矩形卷积窗函数,在同步偏差较小时,矩形卷积窗函数的频谱泄漏效应小于其它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,4阶卷积窗函数比其它具有相同宽度的著名窗函数效果更好。矩形窗函数及其傅立叶变换分别介绍如下:宽度为t0的矩形窗函数在时域t中定义为w1(t)=1t0Frect(tt0)={1t0,|tt0|≤12;0,|tt0|>12。(1)w1(t)=1t0Frect(tt0)={1t0,|tt0|≤12;0,|tt0|>12。(1)式中,Frect()为矩形窗函数。w1(t)的傅立叶变换在频域f中定义为W1(f)=∫−∞∞w1(t)e−j2πftdt=W1(f)=∫-∞∞w1(t)e-j2πftdt=sinc(t0f)=sin(πft0)πft0sinc(t0f)=sin(πft0)πft0。(2)式中,sinc()为归一化函数。k阶矩形卷积窗函数wk(t)是宽度为t0的矩形窗w1(t)在时域t上作k重卷积得到的,即wk(t)=w1(t)*w1(t)*⋯*w1(t)。wk(t)=w1(t)*w1(t)*⋯*w1(t)。其相应的k阶矩形卷积窗频域函数为wk(f)=(sinc(t0f))k。wk(f)=(sinc(t0f))k。阶数高的窗函数能够产生较大的旁瓣衰减,有利于提高离散傅立叶变换(DFT)计算的准确度。但随着窗函数的阶数增高,主瓣宽度也会随之增大,从而会降低频谱分辨率。结合校验系统的需要,本文选用了4阶矩形卷积窗。由式(1)、(2)可得前4阶矩形卷积窗函数:W2(t)=1t0{0,x≥1;1−x,x<1;W3(t)=1t0⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪0,x≥1;(32−x)2,12≤x<32;(32−x)2−3(12−x)2,x<1;W4(t)=13t0⎧⎩⎨⎪⎪0,x≥1;(2−x)3,1≤x<2;(2−x)3−4(1−x)3,x<1。W2(t)=1t0{0,x≥1;1-x,x<1;W3(t)=1t0{0,x≥1;(32-x)2,12≤x<32;(32-x)2-3(12-x)2,x<1;W4(t)=13t0{0,x≥1;(2-x)3,1≤x<2;(2-x)3-4(1-x)3,x<1。式中,x=|t/t0|。上述的加矩形卷积窗算法可以在一定程度上弥补由于非整周期造成的频谱泄漏误差,但是窗函数的图形是扇形,它对谐波幅值也会产生误差,因此,对每种函数进行不同的插值算法,可以在一定程度上提高测量的精度。在频谱上的插值算法也有很多种,比如线性插值、线性双谱线插值、拉格朗日插值等。由于选用的矩形卷积窗在基频附近主瓣平滑,且采用的6.4kHz的采样频率本身就保证了一定的频谱分辨率,故本系统采用了工程中应用最为广泛的样条插值法。谱峰值与窗函数主瓣对应的幅频特性成对应关系,要精确地求出频率偏量与谱峰比值的数学关系就需求解复杂的非线性方程,计算量非常大。采用查表法可简化这一过程,先将窗主瓣与谱峰值比值对应频率偏量的对应关系计算到表格内,查表后再进行插值,得出确切频偏值,从而进行补偿。插值算法的步骤如下:1)计算窗主瓣幅值与谱峰值之比,以表格形式存入内存。2)信号加窗并做快速傅立叶变换(FFT)计算后从频谱中寻找谱峰位置及次谱峰,计算比值。3)计算窗主瓣幅值和谱峰值之比,确定比值所在表格区间。4)再插值计算出精确的频谱偏移量。5)由计算出的频率偏移量补偿得出对应的幅值、相位。3常见谐波仿真误差分析的4阶矩形卷积窗插值算法的精度试验是基于Labview软件的仿真。一般情况,奇次谐波比偶次谐波引起的危害更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是(6n±1)次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。本系统在Labview中模拟一个仿真信号,参数如表1所示。在采样频率为6.4kHz的条件下,同样取4个信号周期512个采样点进行计算,结果如表2所示。仿真结果表明,4阶矩形卷积窗的插值算法在模拟常见谐波环境中,具有很好的计算精度,算法误差基本可以忽略。为进一步验证该校验系统的准确度与可靠性,用本校验系统与国网电力科学研究院检测中心的电子式电流互感器准确度试验装置对同一试品进行误差比对试验。该试品的传感头为格蓝若光电互感器有限公司生产的0.2s级Rogowski线圈,二次设备互感器数据采集单元与合并单元分别为国电南自的PSSU600与PSMU602。试验结果见图4。根据电子式电流互感器校验标