CN102901874B - 基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位与时标测量的MU绝对延时检测方法，通过标准电压互感器和标准电流互感器完成一次侧电量到二次侧的变换，通过高精度的转换器再将信号转换成可供AD转换的小电压信号；由高精度时钟节拍触发并控制时序，对小电压信号进行高精度采集，并提取基波信号相位，作为MU一次侧工频模拟量出现的时刻；实时接收MU的数字量输出，采用同一时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理；由同一触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位，作为MU输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻；上述两个相位差对应的就是时间差，结合当前的实际频率值，将相位差转换成时间，即MU的绝对延时时间。

Description

基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，属于智能电网中校验设备的硬件平台开发领域。

背景技术

现阶段，我国智能电网发展已经进入到规模化的全面建设阶段，电网的安全稳定运行和经济建设与居民生活息息相关，在电网的智能化进程中这一点依然是贯穿始终的根本要求。随着电子式互感器在智能电网中广泛应用，对电子式互感器的技术指标和参数要求越来越全面和深入，很多已经从行业规范和标准层面进行了明确化。

电子式互感器的绝对延时时间，是指电子式互感器一次侧工频模拟量出现某一量值的时刻，到电子式互感器合并单元(MU)输出口将该量值模拟量对应的数字采样值送出的时刻，两者之间的时间间隔。传统电磁式互感器是将一次侧的高电压大电流转换成额定幅值为100V或5A的模拟信号，再输入到二次侧的继电保护设备、监测控制设备、故障录波装置、电能计量装置等自动化设备，一次侧到二次侧的信号传变是电磁模拟量的传输，这就决定了传输的快速性和连续性。而电子式互感器是经过了传感头变换-信号调理-模数转换-插值同步-报文发送等诸多处理环节，然后通过光纤通信网络输出采样值报文，这就决定了一次侧到二次侧的信号传变具有延时性和离散性。

电子式互感器的传输延时，是二次侧的智能设备正确测量和正确运行的关键性指标参数，变压器保护装置、母线保护装置、光纤纵联差动保护装置等等这些跨间隔设备，都需要采集多间隔的电子式互感器采样数据，多间隔的同步是需要解决的关键问题，而各个间隔的电子式互感器绝对延时时间是实现正确同步的关键性指标。同时，电子式互感器的延时时间大小直接关系到二次智能设备的反应速度和动作行为的快慢。国家电网公司在《Q-GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范》中，规范了电子式互感器的采样率优先采用4000Hz和12800Hz，输出接口支持点对点传输和组网传输，传输延时时间不大于2mS。

在目前的电子式互感器应用中，因为缺乏行之有效的测试方案和测试技术，因而在生产、联调和运行各个环节，缺乏对电子式互感器绝对延时时间的有针对性的测试，带来了工作效率的低下，并存在很大的安全隐患。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，高等级、高精度、兼容性强，经济易行，推动智能电网更良好的发展。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：一次侧的高电压U1由现有的升压系统产生，大电流I1由现有的升流系统产生，高电压U1和大电流I1加到被测电子式互感器的一次侧，

步骤(1)：通过标准电压互感器和标准电流互感器完成一次侧电量到二次侧的变换；

步骤(2)：通过高精度的转换器将二次侧信号转换成可供AD转换的小电压信号；

步骤(3)：由高精度时钟节拍触发并控制时序，对小电压信号进行高精度采集，并提取基波信号的相位，作为电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻；

步骤(4)：实时接收电子式互感器的数字量输出，采用上述同一个高精度时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理；由上述同一个高精度时钟节拍触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位，作为电子式互感器合并单元输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻；

步骤(5)：相位和相位的差值对应的就是时间差，结合当前的实际频率值，将相位差转换成时间，即电子式互感器的绝对延时时间。

所述步骤(1)具体是指：由标准电压互感器将高电压U1转变成额定幅值100/3V的电压U2，由标准电流互感器将大电流I1转变成额定幅值5A的电流I2。

所述步骤(2)具体是指：对电压U2和电流I2进行模拟信号采集，设置高精度的无源式转换器环节，即V/V转换器将电压U2转变成峰峰值在ADC的量程范围内的小电压信号U3，I/V转换器将电流I2转变成小电压信号U4。

所述步骤(3)具体是指：以高精度温补晶振为基准产生100MHz时钟信号c和触发脉冲p，触发脉冲p每秒产生一次，上升沿触发ADC进行一次模数转换，时钟信号c作为节拍基准控制ADC采样时序，每次触发后获取时长为80ms的采样值D1；然后对采样值D1进行处理，其中设置测频环节，精确测量当前系统频率值f，测频误差控制在0.005Hz范围内，采用加Hanning窗的傅氏变换对采样数据D1进行滤波处理，减小频谱泄漏的影响，提取基波相位。

所述步骤(4)中“实时接收电子式互感器的数字量输出，采用上述同一个高精度时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理”具体是指：电子式互感器的合并单元输出是离散的数据帧即报文，检测系统实时连续接收采样值报文，每一帧报文到达时刻以时钟信号c为基准进行初次时标标定s1；采用数字式相位锁定器的原理对时标s1进行节拍锁定以达到消抖的目的，时标消抖处理后的时标为s2；锁定和消抖的处理以s2作为反馈量与s1进行比较，完成鉴相器的过程；鉴相器的输出经过一个数字低通滤波处理，完成环路滤波器的功能；滤波器的输出经过一个线性变换得到一个修正步长，以得到下一个s2的输出值，实现压控振荡器的功能；以上过程连续循环进行，最终以s2作为电子式互感器数字量采样值D2的接收时标。

所述步骤(4)中“由上述同一个高精度时钟节拍触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位”具体是指：检测系统中的触发脉冲p产生后，还将同时触发对于电子式互感器(MU)采样数据的插值处理过程；以触发脉冲p的上升沿作为插值的起始时刻，以电子式互感器(MU)的理论采样间隔时间为步长，对时标为s2的数据D2进行等采样率的分段三次Hermite插值，插值处理后得到采样数据D3，对数据D3经过同样的加Hanning窗的傅氏变换，提取基波相位。

所述步骤(5)具体是指：包含了电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻，包含了电子式互感器合并单元(MU)将该模拟量对应的数字量送出的时刻，因而相位差即对应为时间差，也就是绝对延时时间T＝单位秒。

有益效果：本发明提供的一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，具有如下特点：提高了电子式互感器的测试技术，为电子式互感器的安全稳定应用提供保障：1、测试方法最大范围的兼容了已发展几十年的相对成熟的传统互感器测试设备，减少了试验资金和设备的投入，具有很高的经济性和安全性。2.测试方法中配备完善的信号分析功能，使得测试对外加信号源的电源质量没有苛刻的要求，可以直接从电网中取得工频信号作为初级信号源，便于试验。3.测试方法不依赖于电子式互感器当前的同步状态，并且与电子式互感器的额定相位偏移、额定延时时间、采样率、APPID、ASDU数目、带宽等参数无关，因而可以适用于国内不同厂家不同型号的产品。4.基于高精度模拟量采样和数字量插值处理，在统一的时间轴上精确提取相位，进而得到延时时间，从电子式互感器的应用本质上测试了电子式互感器的绝对延时时间。5.对电子式互感器的采样值报文到达时间节拍进行了消抖处理，并对采样值进行了三次hermite插值算法，使测试结果不受被测互感器的采样时钟精度和采样值传输抖动的影响。6.绝对延时时间测试误差小于1uS，具有较高的测量精度。

附图说明

图1为本发明的绝对延时测试方案逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提出的电子式互感器绝对延时检测方法，尽量考虑到了现有条件，试验中，一次侧的高电压U1由现有的升压系统产生，大电流I1由现有的升流系统产生，高电压和大电流加到被测电子式互感器的一次侧。标准电压互感器和标准电流互感器完成一次侧电量到二次侧的变换，通过高精度的转换器再将信号转换成可供AD转换的小电压信号。由高精度时钟节拍触发并控制时序，对小电压信号进行高精度采集，并提取基波信号的相位，作为电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻。实时接收电子式互感器的数字量输出，采用上述同一个时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理。由上述同一个触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位，作为电子式互感器合并单元(MU)输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻。上述两个相位差对应的就是时间差，结合当前的实际频率值，将相位差转换成时间，即电子式互感器的绝对延时时间。

如图1所示，为一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，电子式互感器一次侧的高电压U1由现有的升压系统产生，大电流I1由现有的升流系统产生，高电压和大电流加到被测电子式互感器的一次侧。

标准电压互感器和标准电流互感器是高精度的测量和检测用设备，可以达到0.01级或更高等级，由标准电压互感器将高电压U1转变成额定幅值的电压U2，由标准电流互感器将大电流I1转变成额定幅值5A的电流I2。为了能够对U2和I2进行模拟信号采集，设置了高精度的无源式转换器环节，V/V转换器将U2转变成峰峰值在ADC的量程范围内的小电压信号U3，I/V转换器将I2转变成小电压信号U4，U3和U4进入到高精度高速采集环节。

模拟电压信号U3和U4的采集采用TI公司的24位模数转换器ADS1252，5V外部基准电源。该ADC采用差分输入方式，有利于低电平电压信号接入，采用4阶∑-△结构的调制器，可以得到宽动态范围和24位无差错编码，内部三阶数字滤波器可以滤除电源波纹和其他干扰。采用每周波800点(40KHz)的采样频率对U3和U4进行高速采集，AD前端信号调理回路设置有截至频率为19KHz的二阶RC低通滤波，对于本试验采用电网工频电压作为初级信号源，即保证了测量的高带宽又避免频率混叠的影响。

以高精度温补晶振为基准产生本检测系统的100MHz时钟信号c和触发脉冲p，触发脉冲p每秒产生一次，上升沿触发ADC进行一次模数转换，时钟信号c作为节拍基准控制ADC采样时序，每次触发后获取时长为80ms的采样值D1。

因为测试系统中的最初信号源来自电网工频电压，所以被测电压U3和U4的频率是在50Hz的±0.5Hz范围内波动，对于采样值D1的处理中设置测频环节，精确测量当前系统频率值f，测频误差控制在0.005Hz范围内。由于能够精确获知信号源的频率，可以允许信号源频率的正常波动，所以对本测试系统的电源环节不用特殊要求，简化了试验条件要求。采用加Hanning窗的傅氏变换对采样数据D1进行滤波处理，减小频谱泄漏的影响，提取基波相位

电子式互感器的合并单元(MU)输出是离散的数据帧(报文)，检测系统实时连续接收采样值报文，每一帧报文到达时刻以时钟信号c为基准进行初次时标标定s1。由于通信传输系统自身的物理层和链路层特性，MU即使是以理想的等间隔时序采集，但是经过MU的插值同步，数据打包，通信接口发送，通信信道传输等一系列环节，采样值报文达到检测系统的时标s1已经是带有节拍抖动的，光纤以太网传输严重时抖动值甚至达到40微秒，为此，采用数字式相位锁定器(DPLL)的原理对时标s1进行节拍锁定以达到消抖的目的，时标消抖处理后的时标为s2。锁定和消抖的处理是以s2作为反馈量与s1进行比较，完成鉴相器的过程；鉴相器的输出经过一个数字低通滤波处理，完成环路滤波器的功能；滤波器的输出经过一个线性变换得到一个修正步长，以得到下一个s2的输出值，实现压控振荡器的功能。以上过程连续循环进行，最终以s2作为电子式互感器数字量采样值D2的接收时标。

检测系统中的触发脉冲p产生后，除了触发ADC进行模数转换外，还将同时触发对于MU采样数据的插值处理过程。以触发脉冲p的上升沿作为插值的起始时刻，以MU的理论采样间隔时间为步长，对时标为s2的数据D2进行等采样率的插值。插值算法选用插值多项式的一阶导数连续，局部属性优于三次样条插值和拉格朗日插值的分段三次Hermite插值算法，尽可能的提高插值处理的精度，保证原信号的信息完整性，插值处理后得到采样数据D3。

至此，得到在统一时序节拍c控制下的两组采样序列D1和D3，并且两组采样的起始时刻是由触发脉冲p同时触发，对数据D3经过同样的加Hanning窗的傅氏变换，提取基波相位包含了电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻，包含了电子式互感器合并单元(MU)将该模拟量对应的数字量送出的时刻，因而相位差即对应为时间差，也就是绝对延时时间：单位秒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：一次侧的高电压U1由现有的升压系统产生，大电流I1由现有的升流系统产生，高电压U1和大电流I1加到被测电子式互感器的一次侧，

步骤(1)：通过标准电压互感器和标准电流互感器完成一次侧电量到二次侧的变换；

步骤(2)：通过高精度的转换器将二次侧信号转换成可供AD转换的小电压信号；

步骤(3)：由高精度时钟节拍触发并控制时序，对小电压信号进行高精度采集，并提取基波信号的相位，作为电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻；

步骤(4)：实时接收电子式互感器的数字量输出，采用上述同一个高精度时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理；由上述同一个高精度时钟节拍触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位，作为电子式互感器合并单元输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻；其中，“实时接收电子式互感器的数字量输出，采用上述同一个高精度时钟节拍标定时标，并进行时标的消抖处理”具体是指：电子式互感器的合并单元输出是离散的数据帧即报文，检测系统实时连续接收采样值报文，每一帧报文到达时刻以时钟信号c为基准进行初次时标标定s1；采用数字式相位锁定器的原理对时标s1进行节拍锁定以达到消抖的目的，时标消抖处理后的时标为s2；锁定和消抖的处理以s2作为反馈量与s1进行比较，完成鉴相器的过程；鉴相器的输出经过一个数字低通滤波处理，完成环路滤波器的功能；滤波器的输出经过一个线性变换得到一个修正步长，以得到下一个s2的输出值，实现压控振荡器的功能；以上过程连续循环进行，最终以s2作为电子式互感器数字量采样值D2的接收时标；

步骤(5)：相位和相位的差值对应的就是时间差，结合当前的实际频率值，将相位差转换成时间，即电子式互感器的绝对延时时间。

2.根据权利要求1所述的基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体是指：由标准电压互感器将高电压U1转变成额定幅值的电压U2，由标准电流互感器将大电流I1转变成额定幅值5A的电流I2。

3.根据权利要求1所述的基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体是指：对电压U2和电流I2进行模拟信号采集，设置高精度的无源式转换器环节，即V/V转换器将电压U2转变成峰峰值在ADC的量程范围内的小电压信号U3，I/V转换器将电流I2转变成小电压信号U4。

4.根据权利要求1所述的基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，所述步骤(3)具体是指：以高精度温补晶振为基准产生100MHz时钟信号c和触发脉冲p，触发脉冲p每秒产生一次，上升沿触发ADC进行一次模数转换，时钟信号c作为节拍基准控制ADC采样时序，每次触发后获取时长为80ms的采样值D1；然后对采样值D1进行处理，其中设置测频环节，精确测量当前系统频率值f，测频误差控制在0.005Hz范围内，采用加Hanning窗的傅氏变换对采样数据D1进行滤波处理，减小频谱泄漏的影响，提取基波相位

5.根据权利要求1所述的基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中“由上述同一个高精度时钟节拍触发信号启动等采样率的插值处理，得到新的采样数据，提取基波信号相位”具体是指：检测系统中的触发脉冲p产生后，还将同时触发对于电子式互感器采样数据的插值处理过程；以触发脉冲p的上升沿作为插值的起始时刻，以电子式互感器的理论采样间隔时间为步长，对时标为s2的数据D2进行等采样率的分段三次Hermite插值，插值处理后得到采样数据D3，对数据D3经过同样的加Hanning窗的傅氏变换，提取基波相位

6.根据权利要求1所述的基于相位与时标测量的电子式互感器绝对延时检测方法，其特征在于，所述步骤(5)具体是指：包含了电子式互感器一次侧工频模拟量出现的时刻，包含了电子式互感器合并单元将该模拟量对应的数字量送出的时刻，因而相位差即对应为时间差，也就是绝对延时时间单位秒。