CN101413995A - 一种电子式电流互感器校验装置 - Google Patents

Abstract

一种电子式电流互感器校验装置，两个电流源分别发出电流信号A₁和A₂，A₁大于A₂且频率不同，基准互感器同时敏感A₁和经放大N倍后的A₂，被试互感器敏感A₁。合并单元同时向基准互感器、被试互感器和AD转换器发送同步脉冲信号，并在同步脉冲信号下降沿时刻获取基准互感器、被试互感器电流采样值的数字量以及采样电阻两端的电压值经基准AD转换器转换后获得的数字量并将其合成数据帧后送控制计算机。控制计算机将基准互感器敏感A₁获得的电流信号与被试互感器输出的电流信号进行比较，对被试互感器比差和角差进行校验，基准互感器敏感NA₂获得的电流信号与基准AD转换器输出电压经转换获得的电流信号进行比较，对基准互感器进行自校准。

Description

一种电子式电流互感器校验装置

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，涉及一种互感器校验装置。

背景技术

电流互感器(简称CT)是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。目前使用的电流互感器主要有两大类：一类是电磁式电流互感器，另一类是电子式电流互感器。电磁式电流互感器基于电磁感应原理，已在电力系统中得到广泛应用，但其存在磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、不能测直流、绝缘设计困难等不足，已难以满足电力系统发展的需求。电子式电流互感器是基于先进的传感技术和光电子技术发展起来的一种新型互感器，分为有源型和无源型两种。有源型是采用Rogowski线圈作为敏感元件，其敏感原理与电磁式电流互感器相同，但其需要解决高压侧的供电问题。无源型则是利用法拉第磁光效应原理实现，其敏感头部分不需供电，且可实现对直流的测量。根据敏感材料类型不同，无源型电子式电流互感器可分为玻璃块式和全光纤式，其中全光纤电子式电流互感器由于其制造工艺及采用闭环检测技术，具有可靠性高、全量程精度高、频带范围宽等优点，成为电子式电流互感器发展的主要方向。

电流互感器校验装置是用于检验和测定电流互感器误差的专用精密仪器。不同种类的电流互感器所需校验装置也不相同。电磁式电流互感器的二次端输出为模拟方式，其额定二次输出标准值为1～5A，因此其校验装置为相同二次输出的精密电磁式电流互感器；电子式电流互感器的主要输出方式为数字方式(部分电子式电流互感器有模拟方式输出)，其校验装置也需采用数字输出方式。国际电工标准IEC60044-8与国家标准GB/T 20840.8-2007中推荐采用以下两种校验方式：(1)对电磁式电流互感器二次输出端进行模数转换；(2)直接采用精确度足够高的电子式电流互感器。目前国内电子式电流互感器校验装置主要采用第(1)种方式实现；第(2)种方式中，需要有长期精确度足够高的电子式电流互感器，这种设备的获取比较困难，未见有专利或文献报道。

采用上述第(1)种方式的互感器校验装置，能够获得较高的校验精确度，但仍然存在一些方面的不足：首先，仍然存在磁饱和、二次开路危险等问题；其次，不能校验高次谐波电流源下的准确度；最后，校验精度易受电流源频率波动和高次谐波的影响，影响校验精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种校验精度高，同时可校验被试互感器高次谐波准确度的电子式电流互感器校验装置。

本发明的技术解决方案是：一种电子式电流互感器校验装置，包括第一电流源、基准互感器、合并单元、控制计算机、第二电流源、采样电阻和基准AD转换器；第一电流源发出电流信号A₁，第二电流源发出与电流信号A₁频率不同的电流信号A₂，A₁大于A₂，基准互感器同时敏感电流信号A₁以及A₂经放大N倍后的电流信号NA₂，被试互感器敏感电流信号A₁；合并单元同时向基准互感器、被试互感器和AD转换器发送同步脉冲信号，并在同步脉冲信号下降沿时刻获取基准互感器、被试互感器电流采样值的数字量以及采样电阻两端的电压值经基准AD转换器转换后获得的数字量；合并单元将获得的数字量合成为一个数据帧后送至控制计算机；控制计算机从数据帧中获取数字量，基准互感器敏感A₁获得的电流信号与被试互感器输出的电流信号进行比较，用于对被试互感器的比差和角差进行校验，基准互感器敏感NA₂获得的电流信号与基准AD转换器输出的电压信号经转换获得的电流信号进行比较，用于对基准互感器进行自校准。

所述的控制计算机从数据帧中获取数字量后，通过离散傅立叶变换的方法得到电流参数。

所述的基准互感器和被试互感器通过光缆以串行方式输出至合并单元，用1表示“无光”，用0表示“有光”。

所述的基准互感器为全光纤电子式电流互感器。

所述的采样电阻为纯阻性元件，温度漂移率小于5ppm/℃。

所述的基准AD转换器的工作方式为外部下降沿触发采样方式，转换频率不小于1MHz。

所述的第二电流源的连接导线在基准互感器上缠绕方式为均匀缠绕N匝。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在校验被试互感器的同时，实现了基准互感器的自校准，克服了目前电子式电流互感器长期精确度不够高的特点，提高了电子式电流互感器校验装置的校验精度；

(2)本发明通过离散傅立叶变换的方法得到电流参数，通过增加采样样本可以有效地降低输出数字量中白噪声及直流分量的影响；

(3)本发明的基准互感器、被试互感器通过光缆以串行方式输出至合并单元，串行方式在无信号时为高电平；本发明采用“无光”表示1，“有光”表示为0，可以有效降低电光转换器的工作时间，提高其工作寿命；

(4)本发明的基准互感器为全光纤电子式电流互感器，具有全量程精度高、频带范围宽的优点，可以校验被试互感器高次谐波准确度；

(5)本发明的采样电阻为纯阻性元件，保证采样电阻两端电压与回路中电流相位相同；采样电阻温度漂移率小于5ppm/℃，使采样电阻在环境温度有20℃变化时仍可实现100ppm的电阻精度；

(6)本发明的基准AD转换器转换频率不小于1MHz，可以保证由转换带来的时间误差小于1μs；

(7)本发明第二电流源的连接导线在基准互感器上的缠绕方式为均匀缠绕，使感应磁场分布均匀，提高自校准精度。

附图说明

图1为本发明电子式电流互感器校验装置的组成原理框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明校验装置的组成原理框图，包括校验系统1和自校准系统2，校验系统1实现对被试互感器15的校验功能，自校准系统2实现对基准互感器12的在线自校准功能。

校验系统1由第一电流源11、基准互感器12、合并单元13、控制计算机14、被试互感器15构成。连接导线同时穿过基准互感器12和被试互感器15，使第一电流源11产生的电流信号A1同时被二者敏感。基准互感器12和被试互感器15均与合并单元13相连，合并单元13输出同步脉冲信号(5kHz)至基准互感器12和被试互感器15；基准互感器12和被试互感器15分别获得与同步脉冲信号下降沿对齐的电流样本，并经串行通信线发送至合并单元13，该串行方式在无信号时为高电平，采用“无光”表示1，“有光”表示为0，可以有效降低电光转换器的工作时间，提高其工作寿命。传输采用UART通信方式，1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，1位停止位，共十一位，传输波特率为2Mbps。

自校准系统2由第二电流源21、精密采样电阻22、基准AD转换器23、基准互感器12、合并单元13、控制计算机14构成。连接导线串接精密采样电阻22，并在基准互感器12上均匀缠绕N匝(等安匝方式)。第二电流源21产生的电流信号频率不同于第一电流源11产生的电流信号频率，第二电流源21产生的电流信号A₂经放大N倍后被基准互感器12敏感。合并单元13输出同步脉冲信号至基准AD转换器23，基准AD转换器23在同步脉冲信号下降沿启动采样转换，获得精密采样电阻22两端的电压样本，经串行通信线发送至合并单元13。精密采样电阻22必须为纯阻性器件，保证其两端电压与流经电流的相位一致，另外其温度漂移率需低于5ppm/℃，保证在20℃的变化范围内仍可实现优于100ppm的电阻精度。基准AD转换器23的工作方式为外部下降沿触发采样，其转换频率应不小于1MHz，从而可以保证由转换带来的时间误差小于1μs。

合并单元13在每个采样周期接收到基准AD转换器23、基准互感器12和被试互感器15输出的与同步脉冲下降沿时间相关的电流样本，组成一帧数据，通过以太网接口发送至控制计算机14。帧格式在IEC标准中规定。

控制计算机14通过运算完成自校准和校验工作。控制计算机14从数据帧中获取数字量后，将基准互感器12敏感第一电流源11获得的电流信号与被试互感器15输出的电流信号进行比较，用于对被试互感器15的比差和角差进行校验，基准互感器12敏感第二电流源21获得的电流信号与基准AD转换器23输出的电压信号经转换获得的电流信号进行比较，用于对基准互感器12进行自校准。

本发明的核心思想是：校验装置采用全光纤电子式电流互感器作为基准互感器12，同时施加两路不同频率的电流信号至基准互感器12，一路为第二电流源21产生的电流信号放大N倍，另一路为第一电流源11产生的电流信号。利用全光纤电子式电流互感器测量频率宽(-3dB带宽达10kHz)的特点，基准互感器12将按线性叠加的方式进行敏感，通过DFT可以解调出这两路信号；若通过基准AD转换器23采集精密采样电阻22的两端电压，则可精确获得第二电流源21的电流信号，通过该信号可实时修正基准互感器12的比差和角差，并将该误差值用于对解调出的第一电流源11的电流信号进行修正。第一电流源11的电流信号将同时被基准互感器12和被试互感器15所敏感，利用修正后的基准互感器12的输出可以实现对被试互感器15的精确校验。通过该方法，最终决定校验精度的环节是基准AD转换器23和精密采样电阻22，而该环节则易于实现和控制，这样就降低了对全光纤电子式电流互感器的要求，有效节约了校验装置的成本。

下面对自校准和校验运算方法做进一步说明。

基准AD转换器23的数字量输出，经线性修正后，经离散傅立叶变换后，不考虑直流及高次谐波误差，可写为：

式中：

i₁——合并单元13输出的数字数，代表基准AD转换器23输出的电流瞬时值；

I₁——代表基准AD转换器23输出的电流交流部分方均根值；

f₁——代表基准AD转换器23输出的电流基波频率；

——代表基准AD转换器23输出的电流交流部分相位移；

n——数据样本的计数；

t_n——第n个数据集采样时间；

稳态下，f₁、I₁、

为常数，其中f₁已知，I₁、

可以通过DFT运算获得。

被试互感器15的数字量输出，经离散傅立叶变换后，不考虑直流及高次谐波误差，可写为：

式中：

i₃——合并单元13输出的数字数，代表被试互感器15输出的电流瞬时值；

I₃——代表被试互感器15输出的电流交流部分方均根值；

f₃——代表被试互感器15输出的电流基波频率；

——代表被试互感器15输出的电流交流部分相位移；

稳态下，f₃、I₃、为常数，其中f₃已知，I₃、可以通过DFT运算获得。

基准互感器12的数字量输出，经离散傅立叶变换后，不考虑直流及高次谐波误差，可写为：

式中

i₂——合并单元13输出的数字数，代表基准互感器13输出的电流瞬时值；

I₁＇——代表基准互感器13输出的电流基频为f₁的交流部分方均根值；

I₃＇——代表基准互感器13输出的电流基频为f₃的交流部分方均根值；

——代表基准互感器13输出的电流基频为f₁的交流部分相位移；

——代表基准互感器13输出的电流基频为f₃的交流部分相位移；

稳态下，

常数，可以通过DFT运算获得。

若基准互感器13没有误差，则应有 ${\mathrm{NI}}_1=I_1^{\′},$

若基准互感器13存在比差Δε₁，角差

则可表述如下：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=\frac{I_1^{\′}-{\mathrm{NI}}_1}{{\mathrm{NI}}_1}\×100\%$

将该误差对

修正如下：

$I_3^{\′\′}=\frac{I_3^{\′}}{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1+1}$

于是，被试互感器15的比差Δε₃和角差

可表述为：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_3=\frac{I_3-I_3^{\′\′}}{I_3^{\′\′}}\×100\%$

若需校验高次谐波准确度，则可选择能产生相应频率电流信号的大电流源，取相应的f₃后，按以上方法进行即可。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1、一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于包括：第一电流源(11)、基准互感器(12)、合并单元(13)、控制计算机(14)、第二电流源(21)、采样电阻(22)和基准AD转换器(23)；第一电流源(11)发出电流信号A₁，第二电流源(21)发出与电流信号A₁频率不同的电流信号A₂，A₁大于A₂，基准互感器(12)同时敏感电流信号A₁以及A₂经放大N倍后的电流信号NA₂，被试互感器(15)敏感电流信号A₁；合并单元(13)同时向基准互感器(12)、被试互感器(15)和AD转换器(23)发送同步脉冲信号，并在同步脉冲信号下降沿时刻获取基准互感器(12)、被试互感器(15)电流采样值的数字量以及采样电阻(22)两端的电压值经基准AD转换器(23)转换后获得的数字量；合并单元(13)将获得的数字量合成为一个数据帧后送至控制计算机(14)；控制计算机(14)从数据帧中获取数字量，基准互感器(12)敏感A₁获得的电流信号与被试互感器(15)输出的电流信号进行比较，用于对被试互感器(15)的比差和角差进行校验，基准互感器(12)敏感NA₂获得的电流信号与基准AD转换器(23)输出的电压信号经转换获得的电流信号进行比较，用于对基准互感器(12)进行自校准。

2、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的控制计算机(14)从数据帧中获取数字量后，通过离散傅立叶变换的方法得到电流参数。

3、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的基准互感器(12)和被试互感器(15)通过光缆以串行方式输出至合并单元(13)，用1表示“无光”，用O表示“有光”。

4、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的基准互感器(12)为全光纤电子式电流互感器。

5、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的采样电阻(22)为纯阻性元件，温度漂移率小于5ppm/℃。

6、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的基准AD转换器(23)的工作方式为外部下降沿触发采样方式，转换频率不小于1MHz。

7、根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器校验装置，其特征在于：所述的第二电流源(21)的连接导线在基准互感器(12)上的缠绕方式为均匀缠绕N匝。