CN101290345B - 多功能互感器校验仪 - Google Patents
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Abstract
Description
多功能互感器校验仪
技术领域
[0001] 本发明属于电力设备技术领域，特别涉及传统互感器和电子式互感器在现场应用 和试验室应用的技术性能检定。
背景技术
[0002] 互感器校验仪是一种多功能与双参数的交流测量仪器，主要用来检定各种类型与 各种级别的电力互感器或仪用互感器及其附属设备的基本误差，并可以对有关电气计量设 备进行多功能的性能测试，故互感器校验仪是发展电力事业不可缺少的重要配套设备之
o
[0003] 早期的互感器校验仪主要设计成直接比较式原理，即将标准互感器与被检互感器 的次级电压或电流，分别送入互感器校验仪，通过测量电路测得两者的比差和相位差，并通 过刻度显示。比较型互感器校验仪分为电位比较型、电流比较型、磁势比较型以及电桥比较 型，随着电子技术的发展，将先进的电子测量技术与电工测量技术相结合产生了数字式互 感器校验仪，它在某些方面可以较容易的解决了一些纯电工型互感器校验仪所难以处理的 技术难题，诸如负载效应、正交移相自动数字显示等问题，而且可以简化电路与产品结构， 实现产品小型化与低成本。无论是单纯电工比较型互感器校验仪还是数字式互感器校验仪 都是针对于传统互感器进行设计研发的，互感器校验仪的输入接口都是模拟接口。随着电 力电子技术的不断推陈出新，电子式互感器技术的逐渐成熟，电子式互感器必将取代传统 的互感器。只有模拟接口的互感器校验仪已经对数字量输出的电子式互感器显得无能为力 了。
[0004] IEC60044-7/8标准规定，电子式互感器（ECT/EVT)需要具有一个数字输出，传统 互感器校验仪因缺乏相关数字接口而不能对电子式互感器进行性能测试。
[0005] 研究和开发针对IEC 60044-7/8和IEC61850标准数字接口的电子式互感器校验 仪和校验方法势在必行。变电站正处于改造和革新阶段，互感器处于传统互感器和电子式 互感器的交替阶段，因此需要研发一种能够兼容传统互感器和电子式互感器的检验装置， 满足现在这个阶段及其将来一段时间内互感器性能测试的需要。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了满足现在互感器性能检测的要求，提出了一种多功能互感器 校验仪，能够对传统互感器，模拟量输出的电子式互感器、数字量输出的电子式互感器进行 校验，能够满足现有互感器的校验要求。
[0007] 本发明设计的多功能互感器校验仪，其特征在于，该校验仪包括：信号调理箱和上 位机两部分；所述的信号调理箱包括：两个精密电压互感器、两个精密电流互感器、一个信 号采集单元、一个控制单元、一个电源模块、一个传统电压互感器接口、一个标准电压互感 器接口、一个传统电流互感器接口、一个标准电流互感器接口、一个电子式电压互感器模拟 量接口、一个电子式电流互感器模拟量接口、两个电子式电压或电流互感器数字量接口 ；各器件的连接关系为：所述第一个精密电压互感器连接在所述传统电压互感器接口与信号采 集单元之间，所述第二个精密电压互感器连接在所述标准电压互感器接口与信号采集单元 之间，所述电子式电压互感器模拟量接口和电子式电流互感器模拟量接口分别与信号采集 单元相连，所述第一个精密电流互感器连接在所述传统电流互感器接口与信号采集单元之 间，所述第二个精密电流互感器连接在所述标准电流互感器接口与信号采集单元之间，所 述控制单元与信号采集单元相连，所述电源模块分别与信号采集单元和控制单元相连；所 述PC机分别与信号采集单元和控制单元相连，所述两个电子式电压或电流互感器分别与 所述控制单元、PC机相连。
[0008] 本发明的工作原理：
[0009] 传统互感器和标准互感器信号通过标准互感器的传变后，交给信号采集单元，信 号采集单元将采样值交给PC机控制程序；模拟量输出的电子式互感器直接将信号交给信 号采集单元，信号采集单元将采样值交给PC机控制程序；数字量输出的电子式互感器通过 控制单元将数字量传给PC机控制程序，PC机控制程序完成数据处理、计算及显示，从而对 传统互感器，模拟量或数字量输出的电子式互感器进行多功能校验。
[0010] 本发明的特点及技术效果：
[0011] 本发明拥有标准电流、电压互感器接口、传统电流、电压互感器接口，电子式电流、 电压互感器接口（光纤接口、以太网接口、二次转换器模拟接口）。本发明是将标准互感器 与被校互感器进行比对，通过算法将计算出被校互感器与标准互感器的比差、相位差以及 相关参数，并且对被校互感器测试结果进行记录。
[0012] 本发明采用的是虚拟仪器的设计思想，通过PC机完成对硬件平台的程序控制以 及参数配置，而且PC机控制程序的参数配置比较灵活，可以根据被校互感器类型及输出的 额定值进行相应的配置，完成互感器性能检测。
[0013] 本装置能够校验传统电压、电流互感器，模拟量输出的电子式电压、电流互感器， 数字量输出的电子式电流电压互感器等各种类型与各种级别的电力互感器或仪用互感器 及其附属设备的基本误差，并对有关电气计量设备进行多功能的性能测试。能够满足现有 互感器的校验要求。
附图说明
[0014] 图1为本发明的多功能互感器校验仪整体结构图。
[0015] 图2为本发明的信号调理箱工作流程图。
[0016] 图3为本发明的PC机控制程序工作流程图。
[0017] 图4为本发明的电源滤波电路图。
具体实施方式
[0018] 本发明提出的多功能互感器校验仪结合附图及实施例详细说明如下：
[0019] 本发明提出的多功能互感器校验仪实施例，其组成如图1所示，该校验仪包括：信 号调理箱和上位机两部分（图中用虚线框示出）；所述的信号调理箱包括：两个精密电压互 感器、两个精密电流互感器、一个信号采集单元、一个控制单元、一个电源模块、一个传统电 压互感器接口、一个标准电压互感器接口、一个传统电流互感器接口、一个标准电流互感器接口、一个电子式电压互感器模拟量接口、一个电子式电流互感器模拟量接口、一个电子式 电压或电流互感器数字量接口 ；各器件的连接关系为：所述第一个精密电压互感器连接在 所述传统电压互感器接口与信号采集单元之间，所述第二个精密电压互感器连接在所述标 准电压互感器接口与信号采集单元之间，所述电子式电压互感器模拟量接口和电子式电流 互感器模拟量接口分别与信号采集单元相连，所述第一个精密电流互感器连接在所述传统 电流互感器接口与信号采集单元之间，所述第二个精密电流互感器连接在所述标准电流互 感器接口与信号采集单元之间，所述控制单元与信号采集单元相连，所述电源模块分别与 信号采集单元和控制单元相连；所述PC机分别与信号采集单元和控制单元相连，所述一个 电子式电压或电流互感器与所述控制单元相连。
[0020] 该校验仪还可包括：六个过压保护电路，其中，第一、第二个过压保护电路分别连 接在两个精密电压互感器与信号采集单元之间，第三、第四个过压保护电路分别连接在电 子式电压互感器模拟量接口和电子式电流互感器模拟量接口与信号采集单元之间，第五、 第六个过压保护电路分别连接在两个精密电压互感器与信号采集单元之间。
[0021] 所述控制单元可包括FPGA控制器及与其分别相连的电光转换器、光电转换器， RS232 接口。
[0022] 所述的PC机可含有一个USB接口，一个以太网接口、一个RS232接口和显示器，以 及固化在主机板上的控制程序。
[0023] 电源模块将220V交流信号转换为5V/2A，12V/2A的直流信号，然后将5V信号转换 为1. 2V和3. 3V。12V电源为信号采集单元供电，5V电源为光电和电光转换部分供电，1. 2V 和3. 3V为FPGA控制器供电；还包括与电源模块相连的电源滤波电路，用于滤出通过电源导 线传导过来的高频杂波，保证电源输出比较稳定，进而减少信号采集单元中模拟信号调理 的噪声。
[0024] 本发明拥有标准电流、电压互感器接口、传统电流、电压互感器接口，电子式电流、 电压互感器接口（光纤接口、以太网接口、二次转换器模拟接口）。本发明是将标准互感器 与被校互感器进行比对，通过算法将计算出被校互感器与标准互感器的比差、相位差以及 相关参数，并且对被校互感器测试结果进行记录。
[0025] 下面对本发明各部分实现的功能及具体采用的器件进行说明。
[0026] 多功能互感器校验仪信号调理箱
[0027] 精密电压互感器是将传统电压互感器或者标准电压互感器输出的大电压信号 (标准值一般为100V，100V/V^V)转换为小电压信号；精密电流互感器是将传统电流 互感器或者标准电流互感器输出的大电流信号（标准值一般为5A，1A)转换为小电流 信号，小电流信号通过采样电阻转变为电压信号；对于电子式电压、电流互感器而言，在 IEC60044-7/8标准规定模拟量输出的信号为小电压信号。因此，对于信号采集单元而言， 各模拟通道输入的都是小电压信号。精密电压互感器和精密电流互感器的准确度等级为 0. 05级，本实施例精密电压互感器的型号ZB1101-1C，变比是57. 7V/5V ；本实施例精密电流 互感器的型号为3L-S2005CT，变比是5A/25mA，精密电流互感器的采样电阻为36. 5欧姆，精 度5ppm，精密电压、电流互感器和精密电阻保证了信号传变过程中的准确等级，进而保证了 本发明的准确度等级。
[0028] 本实施例在信号进入信号采集单元之前加上过压保护电路，保护电路采用的是防过冲保护电路，采用的器件是TVS管，即瞬变抑制二极管，该保护电路连接在信号两端。
[0029] 信号采集单元能够将-10疒+10V之间的电压差分信号进行模数转换，采样率通过 控制单元的采样脉冲进行控制。信号采集单元将各个模拟通道的采样值通过USB接口发送 给上位机，PC机控制程序将对接收的采样数据进行处理。本实施例信号采集单元采用采 集卡，型号为USB-6221，8个模拟通道，差分输入，采样精度为16位，最高采样率为25kS/s， 24个数字10，能够实现硬件定时，可以设置模拟信号可输入的范围。
[0030] 控制单元通过采样脉冲控制采集卡完成模数转换，与此同时向与互感器校验仪直 接相连电子式互感器光纤接口发送采样命令SYN，接收采样数据Data，同步命令与采样脉 冲同时产生，保证了光纤接口的电子式互感器和信号采集单元同时采集相同母线上的电压 和电流信号，实现每一采样点同步；还可通过合并单元将本发明的互感器校验仪和电子式 互感器相连接，通过秒脉冲信号实现秒同步；无论是模拟通道的秒脉冲还是合并单元的秒 脉冲都来自于PC机控制程序发送的秒脉冲信号。
[0031] 控制单元还需要通过RS232接口和USB接口接收PC机控制程序的配置信息和秒 脉冲信号，通过这些配置信息可以完成采样率的更改，被校互感器类型的选择及其信号同 步采样等。本实施例控制单元中的控制器为FPGA，型号是EP2C5T144I8，配置芯片为EPCS1 ； SYN，Data, PPS都为光信号，电光转换器采用HFBR1414、光电转换器采用HFBR2412，通过标 准的光纤接口 ST头连接光纤。
[0032] 控制单元包括如下操作，如图2所示，
[0033] 1)系统上电，初始化；
[0034] 2)等待接收PC机控制程序发送秒脉冲PPS信号；
[0035] 3)判断秒脉冲PPS信号是否正确，若是，则进行第4)步，否则回转第2)步；
[0036] 4)向信号采集单元和电光转换模块，同时发送采样脉冲和采样命令SYN，完成信 号采集并且接收光数字采集数据Data ；
[0037] 5)若被校互感器为光纤接口的电子式互感器，接收采样数据，信号采集单元通过 USB接口传输给PC机，若被校互感器为其他类型，直接将采样数据通过USB传输给PC机；
[0038] 6)判断采样点数是否与采样率相同，若是，回转第2)步；若不是，回转第4)步。
[0039] 本实施例的电源转换模块采用MAE35-220D05&12，它将220V交流信号转换为 5V/2A, 12V/2A的直流信号，然后采用LM1117-1. 2和LM1117-3. 3电源转换芯片将5V信号 转换为1. 2V和3. 3V。12V电源为信号采集单元供电，5V电源为光电和电光转换部分供电， 1. 2V和3. 3V为FPGA控制器供电。还包括与电源模块相连的电源滤波电路，本实施例的电 源滤波电路组成如图4所示，由电阻、电容、电感组成Ji型滤波器，其中，电阻R1，R2，R3采 用压敏电阻 680V,电容 CI, C3, C5, C7 为 0. luf, C2, C4, C6, C8 为 0. 22uf,电感 LI, L2 毫亨 级（10mH)，该电路主要是滤出通过电源导线传导过来的高频杂波，保证电源输出比较稳定， 进而减少信号采集单元中模拟信号调理的噪声。
[0040] 本实施例通过一个合并单元是将多路电子式互感器输出的光纤信号组装成以太 网的帧格式，然后按照IEC61850-9-1标准中规定的通讯协议与PC机进行数据传输，各个互 感器采样数据可以通过以太网共享和分析。本发明的以太网接口协议满足IEC61850-9-1 标准，本实施例使用的合并单元采用北京四方继保自动化股份有限公司研制的CSC-188，如 果其他厂家的合并单元同样满足IEC61850-9-1标准，也可以与本发明的以太网接口连接。[0041] 二、PC 机
[0042] 本实施例的PC机包含USB接口，以太网接口和RS232接口，USB接口实现PC机控 制程序与信号采集单元通讯，RS232实现PC机控制程序与控制单元的通讯，以太网接口实 现PC机控制程序与合并单元的通讯，以太网接口也是本发明的输入接口。
[0043] 本实施例PC机基本的配置包括：
[0044] 1)CPU :P42. 0G
[0045] 2)内存：256M
[0046] 3)硬盘：80G
[0047] 4)机箱：4UX 19”上架型
[0048] 5)显示器：17”液晶
[0049] 6)机箱带有USB、RS232和以太网接口
[0050] PC机控制程序采用虚拟仪器的设计思想，应用LabView进行开发，此控制程序包 括系统配置，校验算法，校验记录，读写配置文件，相位、系数调整，打印报表等功能模块。PC 机控制程序的流程如图3所示，具体流程如下：
[0051] 1)启动程序，进行初始化；
[0052] 2)根据被校互感器类型进行参数设置；
[0053] 3)点击校验按钮，开始采集信号，接收数据；
[0054] 4)显示信号波形，对采集的数据加Harming窗进行离散傅立叶变换，进行分析计 算，显示校验结果，然后生成报表，进行数据存储；
[0055] 5)判断信号数据采集是否已经结束，若是，执行第6)步；若不是，回转第3)步；
[0056] 6)停止采集，退出程序。
[0057] 上述流程及各功能模块的具体实现均为本领域的常规技术。
[0058] 本发明的功能及性能包含如下几个方面：
[0059] (1)本装置能够校验传统电压、电流互感器，模拟量输出的电子式电压、电流互感 器，数字量输出的电子式电流电压互感器；
[0060] (2)传统电压互感器接口信号范围为100V(20%〜120% )、100V/々V (20%〜 120% )，传统电流互感器接口信号范围为1A(1%〜120% )、5A(1%〜120% )；
[0061] (3)模拟量输出的电子式互感器接口信号范围可以根据互感器型号进行配置；
[0062] (4)数字量输出的电子式互感器接口包含光纤接口和以太网接口，光纤接口可以 根据不同的光电互感器输出协议进行更改，以太网接口符合IEC61850-9-1中规定的格式；
[0063] (5)本装置PC机控制程序采用虚拟仪器的设计方法，界面显示实时测量的波形， 比差、相位差等校验参数，能够显示当前所校验互感器的校验类型，合并单元的相关信息， 自动生成校验报告和数据报表；
[0064] (6)除显示和记录比差和相位差之外，还可以显示并记录频率、比率、频差以及相 关统计量，便于综合分析互感器的性能；
[0065] (7)可以根据需要灵活配置信号量程，采样频率以及校验次数的参数。
[0066] (8)本装置按照 IEC60044-7/8、IEC61850-9-1、JJG169-1993 标准进行设计，准确 度等级为0. 05级，可以校验S级的互感器；
[0067] (9)本装置满足电磁兼容、振动、冲击和碰撞等试验标准的要求。
Claims (5)
- 一种多功能互感器校验仪，其特征在于，该校验仪包括：信号调理箱和PC机两部分；所述的信号调理箱包括：两个精密电压互感器、两个精密电流互感器、一个信号采集单元、一个控制单元、一个电源模块、一个传统电压互感器接口、一个标准电压互感器接口、一个传统电流互感器接口、一个标准电流互感器接口、一个电子式电压互感器模拟量接口、一个电子式电流互感器模拟量接口、两个电子式电压或电流互感器数字量接口；各器件的连接关系为：第一个精密电压互感器连接在所述传统电压互感器接口与信号采集单元之间，第二个精密电压互感器连接在所述标准电压互感器接口与信号采集单元之间，所述电子式电压互感器模拟量接口和电子式电流互感器模拟量接口分别与信号采集单元相连，第一个精密电流互感器连接在所述传统电流互感器接口与信号采集单元之间，第二个精密电流互感器连接在所述标准电流互感器接口与信号采集单元之间，所述控制单元与信号采集单元相连，所述电源模块分别与信号采集单元和控制单元相连；所述PC机分别与信号采集单元和控制单元相连，所述两个电子式电压或电流互感器分别与所述控制单元、PC机相连；该校验仪还包括：六个过压保护电路，其中，第一、第二个过压保护电路分别连接在两个精密电压互感器与信号采集单元之间，第三、第四个过压保护电路分别连接在电子式电压互感器模拟量接口和电子式电流互感器模拟量接口与信号采集单元之间，第五、第六个过压保护电路分别连接在两个精密电压互感器与信号采集单元之间。
- 2.如权利要求1所述的校验仪，其特征在于，所述控制单元包括FPGA控制器及与其分 别相连的电光转换器、光电转换器及RS232接口。
- 3.如权利要求1所述的校验仪，其特征在于，所述的PC机含有一个USB接口、一个以太 网接口、一个RS232接口和显示器，以及固化在主机板上的控制程序。
- 4.如权利要求1所述的校验仪，其特征在于，所述的电源模块由为信号采集单元供电 的12V电源、为光电和电光转换部分供电的5V电源、以及为控制单元供电的1. 2V和3. 3V 电源组成。
- 5.如权利要求1所述的校验仪，其特征在于，该校验仪还包括与电源模块相连的电源 滤波电路，电源滤波电路采用由电阻、电容、电感组成n型滤波器。
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