電子式互感器在數(shù)字變電站的校驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

余屹林

上海久隆電力（集團(tuán)）有限公司

0 前言

電子式互感器是一種配電裝置，是一種測(cè)量用的傳感器，由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電壓或電流傳感器組成，用以傳輸正比于被測(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。在數(shù)字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺(tái)合并單元完成此功能。

1 校驗(yàn)原理

從互感器輸出接口來看，數(shù)字輸出電子式互感器的二次側(cè)輸出為合并單元（MU），它將同一時(shí)刻不同協(xié)議規(guī)定的三相電流、電壓互感器的12路信號(hào)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式組成幀內(nèi)容，以特定的格式發(fā)送給計(jì)量和保護(hù)裝置，通過合并單元輸出的數(shù)字信號(hào)有2 種以太網(wǎng)輸出方式，分別為IEC60044-8中FT3 格式采用的曼切斯特編碼發(fā)送方式和IEC61850-9-1中IEEE8802.3的發(fā)送方式。前者傳輸速率為2.5 Mbit/s，后者傳輸速率達(dá)到100 Mbit/s，應(yīng)用更為廣泛。

數(shù)字輸出電子式互感器校驗(yàn)的基本原理如圖1所示，將升流器/升壓器、待測(cè)電子式互感器一次端子、標(biāo)準(zhǔn)互感器一次端子接成閉環(huán)，分為標(biāo)準(zhǔn)通道和待測(cè)通道2路。標(biāo)準(zhǔn)通道中的標(biāo)準(zhǔn)互感器通過標(biāo)準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)接入計(jì)算機(jī)。待測(cè)通道中待測(cè)電子式互感器通過合并單元輸出數(shù)字信號(hào)接入計(jì)算機(jī)。外部同步脈沖發(fā)生器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)至電子式互感器合并單元和標(biāo)準(zhǔn)A/D 轉(zhuǎn)換器，使得2 路信號(hào)同步。調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使測(cè)量值覆蓋標(biāo)準(zhǔn)要求的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)。上位機(jī)校驗(yàn)系統(tǒng)軟件分別對(duì)2路采樣后的數(shù)字信號(hào)提取信號(hào)有效值和相位信息并計(jì)算誤差。目前，國(guó)內(nèi)外采用的數(shù)字輸出電子式電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)多采用該原理。

2 電子式互感器校驗(yàn)技術(shù)分析

2.1 數(shù)字化變換技術(shù)

2.1.1 高分辨率

圖1 數(shù)字輸出ET校驗(yàn)原理

對(duì)于校0.2S級(jí)的電子式互感器，校驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通道的精度至少要達(dá)到0.05級(jí)，這就要求A/D具有高分辨率。A/D的高分辨率是影響校驗(yàn)系統(tǒng)精度的主要因素之一，最好在24位以上。

2.1.2 高動(dòng)態(tài)范圍

對(duì)于測(cè)量用電子式電流（電壓）互感器的校驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)要求在額定電流的5%～120%之間（在額定電壓的20%～120%之間）都要準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于0.2S 級(jí)準(zhǔn)確度，更要求在額定電流的1%～120%之間準(zhǔn)確測(cè)量，所以必須要求采集卡的高動(dòng)態(tài)范圍，即對(duì)萬分之一伏到幾伏范圍內(nèi)任何波動(dòng)都可以準(zhǔn)確采集。

2.2 信號(hào)的同步技術(shù)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)的同步技術(shù)誤差要小于1 μs，而對(duì)于0.2S 級(jí)的電子式互感器的誤差精度，在額定電流、電壓下相位誤差要求在10′（不足10 μs）以內(nèi)。若僅同步誤差就大于1μs，整個(gè)校驗(yàn)系統(tǒng)就難以滿足校驗(yàn)等級(jí)要求，而要保證同步誤差小于1 μs，就需要高精度同步脈沖源和同步實(shí)現(xiàn)方法。

插值計(jì)算法由二次設(shè)備完成，根據(jù)互感器提供的若干時(shí)間點(diǎn)上的采樣值，插值計(jì)算得到需要的時(shí)間點(diǎn)上的電壓、電流值。同步脈沖法則使用統(tǒng)一的同步脈沖信號(hào)，電子式互感器在送出的采樣值中打上時(shí)標(biāo)，提供給二次設(shè)備。目前，對(duì)于數(shù)字輸出電子式互感器的校驗(yàn)系統(tǒng)，人們大多采用同步脈沖法實(shí)現(xiàn)2路信號(hào)的同步。

2.3 信號(hào)提取的精度

構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓通道的一次變換器由于是傳統(tǒng)互感器，與被校驗(yàn)的電子式互感器的頻帶寬度有較大差別，所以校驗(yàn)軟件需要在2 個(gè)不同的頻帶下準(zhǔn)確提取基波信號(hào)，特別是基頻變化時(shí)，采用普通的快速傅里葉變換（FFT）算法難以滿足校驗(yàn)要求。為了準(zhǔn)確提取基波信號(hào)，消除非同步采樣與數(shù)據(jù)截?cái)嗨鸬念l譜泄漏和柵欄效應(yīng)帶來的誤差，文獻(xiàn)采用了加窗插值FFT 分析算法，在一定程度上抑制了頻譜泄漏，提高了信號(hào)提取的準(zhǔn)確度。

2.4 通信技術(shù)

在數(shù)字輸出電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)中，校驗(yàn)系統(tǒng)與MU的通信是必不可少的。MU的通信規(guī)約采用IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)，目前大多采用IEC61850-9-1協(xié)議進(jìn)行通信。IEC61850-9-1 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式雖然是固定的，但不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的MU 數(shù)據(jù)幀中ASDU 的個(gè)數(shù)不同，計(jì)數(shù)器零點(diǎn)的位置也不同，所以要針對(duì)不同廠家開發(fā)MU 的數(shù)據(jù)幀捕獲程序。目前，數(shù)據(jù)幀捕獲程序有的采用Labview 編寫，有的采用C++編寫，為了快速得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)幀格式，應(yīng)采用執(zhí)行效率更高的C++。

3 電子式互感器在線校驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

電子式互感器根據(jù)用途不同，校驗(yàn)系統(tǒng)可以分成實(shí)驗(yàn)室用、現(xiàn)場(chǎng)用及在線校驗(yàn)用等幾類，前面兩類在特定的離線情況下使用于傳統(tǒng)互感器。人們由于對(duì)電子式互感器校驗(yàn)技術(shù)的研究較少，尤其是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶電校驗(yàn)技術(shù)的研究更是一片空白，也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。電子式互感器在線校驗(yàn)技術(shù)可以針對(duì)高壓傳統(tǒng)互感器和電子式互感器進(jìn)行不斷電監(jiān)測(cè)，符合數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢(shì)，可有效提高設(shè)備的利用率和可靠性，保證被?；ジ衅鬟\(yùn)行更安全、可靠。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在線校驗(yàn)系統(tǒng)是針對(duì)電磁式電流互感器、模擬輸出電子式電流互感器和數(shù)字輸出電子式電流互感器3 種基本電流互感器設(shè)計(jì)的。其中，數(shù)字輸出電子式電流互感器校驗(yàn)最為復(fù)雜，是根據(jù)電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8中對(duì)于數(shù)字輸出電子式互感器誤差測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的，即計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間取一次電流的2 種樣本，一路來自標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，另一路來自被測(cè)電流互感器，2路分別送入計(jì)算機(jī)計(jì)算幅值和相位，再做比較運(yùn)算。該校驗(yàn)原理適用于數(shù)字輸出電子式互感器，也同樣適用于模擬輸出電子式電流互感器和電磁式電流互感器，在線校驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

在線校驗(yàn)系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)通道、被校通道和校驗(yàn)平臺(tái)3 部分，其基本原理是將標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被校電流互感器的輸出分別通過標(biāo)準(zhǔn)通道和被測(cè)通道發(fā)送到校驗(yàn)平臺(tái)。校驗(yàn)平臺(tái)得到2路信號(hào)同一時(shí)刻的輸出信號(hào)，分別提取其幅值和相位，計(jì)算出比差和相差。

圖2 電流互感器在線校驗(yàn)系統(tǒng)框圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 適用于現(xiàn)場(chǎng)帶電操作的高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)傳感頭

本系統(tǒng)采用了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的基于PCB 板的鉗形空心線圈作標(biāo)準(zhǔn)傳感頭，通過對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)傳感頭進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和原理推導(dǎo)，并且針對(duì)其開口氣隙大小、位置影響、鄰相干擾、溫度性能等進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究以及掛網(wǎng)試驗(yàn)，證明該傳感頭具有準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、實(shí)現(xiàn)方便及不斷電安裝的特點(diǎn)。

3.2.2 高準(zhǔn)確度電力參數(shù)估算算法

采用絕對(duì)比較法測(cè)量原理的校驗(yàn)系統(tǒng)需要分別提取同一時(shí)刻一次導(dǎo)線電流的2 種樣本值，即標(biāo)準(zhǔn)電流互感器輸出值和待測(cè)電流互感器輸出值。改進(jìn)的誤差理論算法能更精確地提取2路信號(hào)基頻參數(shù)值，以便于比較運(yùn)算。

4 電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 優(yōu)點(diǎn)

1）高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題。電磁互感器的被測(cè)信號(hào)與二次線圈之間通過鐵芯耦合，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價(jià)隨電壓等級(jí)呈指數(shù)關(guān)系上升。非常規(guī)互感器將高壓側(cè)信號(hào)通過絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。電壓等級(jí)越高其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)越明顯。

2）沒有因充油而潛在的易燃、易爆炸等危險(xiǎn)。非常規(guī)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不采用油作為絕緣介質(zhì)，不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸等危險(xiǎn)。

3）動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高，頻率響應(yīng)范圍寬。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電流互感器流過的電流不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網(wǎng)容量的增加，短路電流越來越大。非常規(guī)互感器有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)滿足測(cè)量和繼電保護(hù)的需要。

4）抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路高壓危險(xiǎn)。非常規(guī)互感器的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間只存在光纖聯(lián)系，信號(hào)通過光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側(cè)無開路引起的高電壓危險(xiǎn)。

5）數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)。電磁式互感器傳送的是模擬信號(hào)，電站中的測(cè)量、控制和繼電保護(hù)傳統(tǒng)上都是通過同軸電纜將電氣傳感器測(cè)量的電信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

6）體積小、重量輕。非常規(guī)互感器無鐵芯，其重量較相同電壓等級(jí)的電磁式互感器小很多。

4.2 應(yīng)用

電子式互感器主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電參量測(cè)量及各類輸入或輸出變頻電量的電氣設(shè)備的檢驗(yàn)、試驗(yàn)和能效評(píng)測(cè)。其中，電子式電流互感器具有更高的帶寬，適用于諧波含量較大的電流基波及諧波測(cè)量。為了準(zhǔn)確測(cè)量功率，人們還可以采用電壓、電流組合式電子式互感器，因?yàn)榻M合式電子互感器可以更好地控制電壓、電流信號(hào)的相位差，提高功率測(cè)量的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)論

本文對(duì)數(shù)字輸出電子式互感器校驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和研究,信號(hào)同步、標(biāo)準(zhǔn)通道采集單元的A／D位數(shù)和信號(hào)提取算法是數(shù)字輸出電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在滿足校驗(yàn)精度前提下，今后研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的高度集成性及便攜性上，為校驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)操作方便的工作平臺(tái)。