CN103983828A - 一种电子式互感器数字化相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

针对现有电子式互感器各采样通道输出信号之间存在相位延迟的问题，本发明提供一种电子式互感器数字化相位补偿方法一种电子式互感器数值化相位补偿方法，1）获得基准点采样通道采样值和基准点母线采样值并存入工控机；2）由工控机算得各通道相对母线的相位延迟值；3）由工控机算得各通道所需的相位补偿值；4)由工控机算得各通道修正后的采样时刻t_i(k)并输送至电子式互感器；5)电子式互感器按修正后的采样时刻t_i(k)对各采样通道进行采样并输出数值。有益的技术效果：采用本方法后，电子式互感器采样通道输出的数字信号的相位延迟一致。

Description

一种电子式互感器数字化相位补偿方法

技术领域

本发明属于电气设备及电气工程技术领域，具体涉及一种电子式互感器数字化相位补偿方法。

背景技术

电子式互感器是应用于电力系统中的关键装备之一，基本结构上可以分为两部分：一次单元及二次采集器。

电子式互感器的一次单元负责将测试母线（待测的高压输电线）一次侧的电流信号或电压信号变换为模拟小信号后输出。电子式互感器的一次单元采用电流互感器（CT）的，其输出信号为模拟小电流信号，电子式互感器的一次单元采用电压互感器（PT）的，其输出信号为模拟小电压信号。

电子式互感器的二次采集器负责将一次单元获取的模拟小信号（模拟小电流信号或模拟小电压信号）进行采样，并将采样数据进行处理及组帧传输。电子式互感器的二次采集器的信号采集部分具有多路采样通道，可同时采集多路模拟信号，例如测量电流，保护电流，电压等，换句话说，电子式互感器的二次采集器可与多个一次互感器连接，每个一次互感器分别独立地向二次采集器传输模拟电流或电压信号。

然而，电子式互感器内的每个一次互感器的结构、特性及安装位置的不同，以及每个一次互感器的模拟回路中滤波器元件特性不同，导致即使在同一时刻、对同一个测试母线电流进行信号变换，送到电子式互感器内的二次信号相位延迟也会不同。即使电子式互感器的二次采集器是对各路模拟信号进行同时采样，各采样通道输出的信号相位延迟也不会相同，从而造成测量误差。为确保各采样通道输出信号的相位特性符合相关标准对准确度的要求，需要解决采样通道间的相位误差问题。在目前的电子式互感器设计中，一般会按照IEC 60044-8-2002规范推荐的插值方法来调整各通道之间的相位。但是这种常规插值方法存在很多缺点：

一、 满足相关标准准确度要求的插值方法会增加系统的处理时间开销，以工频256点采样为例，为在一个采样周期内完成数据计算及通信组帧，通常要采用1000MIPS以上的处理器，提高了系统对处理器性能的要求，增加了系统功耗和温升，降低了系统可靠性；

二 、满足相关标准准确度要求的插值方法输出结果会滞后实际采样点1~2个采样周期，再加上插值方法自身的耗时，会使得系统相位延迟增加0.5ms以上，降低了电子式互感器的性能与及时性；

三 、采用插值方法会造成新的采样误差，这在一定程度上降低了电子式互感器的准确度。

发明内容

本发明致力于提供一种电子式互感器数字化相位补偿方法，这种方法可以实现按系统需求，数字化调整电子式互感器各采样通道输出信号的相位延迟。本方法适用于各型式电子式互感器。

一种电子式互感器数值化相位补偿方法，所述电子式互感器含有N个采样通道，N的范围在3到12之间，电子式互感器的每个采样通道均输出数字信号；电子式互感器内含一个同步采样脉冲控制器，脉冲控制器产生采样时刻                                                ；电子式互感器按采样时刻对采样通道进行信号采样；记电子式互感器第一次采样的时刻记为基准采样时刻点，按如下的步骤进行：

1）将电子式互感器的检测端与测试母线连接，将测试母线以及电子式互感器的N个采样通道的输出端分别与电子式互感器校验仪连接；电子式互感器校验仪与一台工控机相连接；给测试母线通上测试电流；在基准采样时刻点，由电子式互感器校验仪对电子式互感器的N个采样通道同时采样，获得基准点采样通道采样值并存入工控机，i取1至N，其中，I ₁ (k)代表第1路采样通道在基准采样时刻点的采样值，I ₂ (k)代表第2路采样通道在基准采样时刻点的采样值，以此类推，I _N (k)代表第N路采样通道在基准采样时刻点的采样值；由电子式互感器获取在基准采样时刻点的基准点母线采样值并存入工控机，基准点母线采样值为无任何采样延迟的测试母线电流的数字信号； 

2）令工控机将步骤1中的基准点母线采样值分别与基准点采样通道采样值相减，获得N路相对母线的相位延迟值， i取1至N，其中：为第一路采样通道相对母线的相位延迟值，为第二路采样通道相对母线的相位延迟值……，以此类推，为第N路采样通道相对母线的相位延迟值； 

3）令工控机将步骤2中获得的N个相对母线的相位延迟值中的数值最大者记为最大相位延迟值；将最大相位延迟值分别与步骤2中获得的N个相对母线的相位延迟值相减，获得N路采样通道所需的相位补偿值，i取1至N，其中：为第一路采样通道的相位补偿值，为第二路采样通道的相位补偿值……，以此类推，为第N路采样通道的相位补偿值；

4) 令工控机按函数式将由步骤3获得的N个相位补偿值分别叠加到同步采样脉冲控制的采样时刻上，获取到电子式互感器内的每个采样通道修正后的采样时刻t _i (k)，i取1至N，为第一路采样通道的修正后的采样时刻，为第二路采样通道的修正后的采样时刻……，以此类推，为第N路采样通道的修正后的采样时刻，为单位弧度所表征的时间，为采样序号，为采样频率，为同步采样脉冲控制的第k次采样的基准采样时刻；

5) 将工控机在步骤四计算得到的修正后的采样时刻t _i (k)存入电子式互感器内；电子式互感器按修正后的采样时刻t _i (k)对N个采样通道进行采样并输出数值，此时电子式互感器输出的N个采样通道数字信号的相位延迟一致。

本发明方法的具体原理如下：

设对测试母线通上测试电流所获得的原始信号为一个理想的无谐波电流信号：

               （I）

上式（I）中，A为理想的无谐波母线电流的幅值，其相位为。

原各采样通道的同一采样时刻为：

               （II）

上式（II）中，为采样序号，为第i个样通道的第次采样的采样时刻，为采样频率。

最后各采样通道输出的数字采样信号为：

             （III）

上式（III）中，为第个采样通道相对于原始信号的相位延迟。

取得各采样通道中最大的相位延迟为：

              （IV）

为使所有通道相位延迟一致，必须满足：

              （V）

上式（V）中，为各采样通道需要进行补偿的相位。

将（IV）式及（V）式代入（III）式，可以得出各采样通道的模拟信号采样时刻为：

              （VI）

上式（VI）中，为同步采样脉冲控制的基准采样时刻，即为本方法中的修正后的采样时刻t _i (k)，电子式互感器按修正后的采样时刻t _i (k) 分别对N个采样通道进行采样，此时电子式互感器输出的N个采样通道数字信号的相位延迟一致。

本发明有以下优点：

（1） 所述相位补偿方法直接在前端模拟信号采样阶段即进行相位修正，不占用主处理器资源，实现简单；

（2）所述相位补偿方法不消耗系统机时，不会增加最终电子式互感器输出的相位延迟，相比于插值法能减少相位延迟约1~2个采样周期，提高了电子式互感器的暂态性能；

（3）所述相位补偿方法不对采样结果进行拟合处理，电子式互感器最终输出的采样值即为实际的采样结果，提高了电子式互感器的准确度。

附图说明

图1 为本发明方法实施的流程示意图。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的特征。

实施例1

以下以单相电流式互感器为例。该单相电子式电流互感器包含一个测量电流采样通道和双重保护电流采样通道，即含有3个采样通道。具体步骤如下：

1）首先，将单相电子式电流互感器与一次母线连接，将单相电子式电流互感器的3个采样通道以及测试母线均与电子式互感器校验仪连接，电子式互感器校验仪与工控机相连接；在母线上加测试电流。在基准采样时刻点，单相电子式电流互感器对母线电流进行采样；通过电子式互感器校验仪接收单相电子式电流互感器输出的3个采样通道。将由单相电子式电流互感器的保护通道所输出数字信号依次记为第一保护通道信号和第二保护通道；将由单相电子式电流互感器的测量通道所输出数字信号记为测量通道信号，将自测试母线的电流进行直接采样所得到的数字信号记为无延迟标准数字信号；、、和均存入工控机；

2）由工控机通过函数式计算测试母线的无延迟数字信号与单相电子式电流互感器的采样通道的信号的差值，获得3个针对母线电流的相位延迟值，其中：为第一保护通道的相位延迟值，为第二保护通道的相位延迟值，为测量通道的相位延迟值；

3）将上述3个针对母线电流的相位延迟值中的数值最大的值记为最大相位延迟值；由工控机通过函数式=-和最大相位延迟值计算电子式互感器的3个采样通道所需的相位补偿值，其中：为第一保护通道的相位补偿值，为第二保护通道的相位补偿值，为测量通道的相位补偿值；

4) 由工控机通过函数式将上述3个相位补偿值分别叠加到同步采样脉冲控制的采样时刻上，获取单相电子式电流互感器的3个采样通道修正后的采样时刻，其中：为第一保护通道的修正后的采样时刻，为第二保护通道的修正后的采样时刻，为测量通道的修正后的采样时刻； 为单位弧度所表征的时间；为采样序号，为第i个采样通道的第次采样的采样时刻；为采样频率；为同步采样脉冲控制的基准采样时刻；

5)按由步骤四得到的修正后的采样时刻分别调整单相电子式电流互感器的3个采样通道的模拟采样时刻并进行采样，此时电子式互感器输出的3个采样通道数字信号相位延迟一致。

将传统方法与本发明方法比较如下：采用拉格朗日插值方法对各采样通道进行相位补偿时，该单相电子式电流互感器（电子式互感器）的各项性能指标为：单次采样处理所需时间为40us；8k采样率下输出的信号额定延时为375us；在1%的额定测试点处，测量通道测量误差为±0.5%左右。该电子式互感器采用本方法后系统性能指标为：单次采样处理所需时间为35us；8k采样率下输出的信号额定延时为250us；在1%的额定测试点处，测量通道测量误差为±0.4%左右。

实施例2

以三相电流式互感器为例。该三相电子式电流互感器中，每相都包含一个测量电流采样通道和双重保护电流采样通道，共计9个采样通道。该方法实现时的具体步骤如下：

1）首先，将电子式互感器与一次母线连接，将三相电子式电流互感器的9个采样通道以及测试母线均与电子式互感器校验仪连接，电子式互感器校验仪与工控机相连接；在测试母线上加测试电流。在基准采样时刻点，三相电子式互感器对母线电流进行采样；通过电子式互感器校验仪接收三相电子式互感器输出的9个采样通道。将三相电子式互感器输出数的字信号依次记为信号~，将自测试母线的电流进行采样所得到的数字信号记为无延迟数字信号；上述10个信号值均存入工控机；

2）由工控机通过函数式计算测试母线的无延迟数字信号与电子式互感器的采样通道的信号的差值，获得9个针对母线电流的相位延迟值：~；

3）将上述9个针对母线电流的相位延迟值中的数值最大的值记为最大相位延迟值；由工控机通过函数式=-和最大相位延迟值计算电子式互感器的9个采样通道所需的相位补偿值：~；

4) 由工控机通过函数式将上述9个相位补偿值分别叠加到同步采样脉冲控制的采样时刻上，获取三相电子式互感器的9个采样通道修正后的采样时刻，其中~为第一路采样通道到第九路采样通道的采样时刻。为单位弧度所表征的时间；为采样序号；为第i个采样通道的第次采样的采样时刻；为采样频率；为同步采样脉冲控制的基准采样时刻；

5)按由步骤四得到的修正后的采样时刻分别调整三相电子式互感器的9个采样通道的模拟采样时刻并进行采样，此时电子式互感器输出的9个采样通道数字信号相位延迟一致。

将传统方法与本发明方法比较如下：采用拉格朗日插值方法对各采样通道进行相位补偿时，该三相电子式互感器的各项性能指标为：单次采样处理所需时间为68us，即理论最高设计采样率为15K；8k采样率下输出的信号额定延时为375us；在1%的额定测试点处，测量通道测量误差为±0.5%。该三相电子式互感器采用本方法后系统性能指标为：单次采样处理所需时间为50us，即理论最高设计采样率为20K；8k采样率下输出的信号额定延时为250us；在1%的额定测试点处，测量通道测量误差为±0.4%。

Claims (1)

1.一种电子式互感器数字化相位补偿方法，所述电子式互感器含有N个采样通道，电子式互感器的每个采样通道均输出数字信号；电子式互感器内含一个同步采样脉冲控制器，脉冲控制器产生采样时刻                                                ；电子式互感器按采样时刻对采样通道进行信号采样；记电子式互感器第一次采样的时刻记为基准采样时刻点，其特征在于，按如下的步骤进行：

1）将电子式互感器的检测端与测试母线连接，将测试母线以及电子式互感器的N个采样通道的输出端分别与电子式互感器校验仪连接；电子式互感器校验仪与一台工控机相连接；给测试母线通上测试电流；在基准采样时刻点，由电子式互感器校验仪对电子式互感器的N个采样通道同时采样，获得基准点采样通道采样值并存入工控机，i取1至N，其中，I ₁ (k)代表第1路采样通道在基准采样时刻点的采样值，I ₂ (k)代表第2路采样通道在基准采样时刻点的采样值，以此类推，I _N (k)代表第N路采样通道在基准采样时刻点的采样值；由电子式互感器获取在基准采样时刻点的基准点母线采样值并存入工控机，基准点母线采样值为无任何采样延迟的测试母线电流的数字信号； 

2）令工控机将步骤1中的基准点母线采样值分别与基准点采样通道采样值相减，获得N路相对母线的相位延迟值， i取1至N，其中：为第一路采样通道相对母线的相位延迟值，为第二路采样通道相对母线的相位延迟值……，以此类推，为第N路采样通道相对母线的相位延迟值； 

3）令工控机将步骤2中获得的N个相对母线的相位延迟值中的数值最大者记为最大相位延迟值；将最大相位延迟值分别与步骤2中获得的N个相对母线的相位延迟值相减，获得N路采样通道所需的相位补偿值，i取1至N，其中：为第一路采样通道的相位补偿值，为第二路采样通道的相位补偿值……，以此类推，为第N路采样通道的相位补偿值；

4) 令工控机按函数式将由步骤3获得的N个相位补偿值分别叠加到同步采样脉冲控制的采样时刻上，获取到电子式互感器内的每个采样通道修正后的采样时刻t _i (k)，i取1至N，为第一路采样通道的修正后的采样时刻，为第二路采样通道的修正后的采样时刻……，以此类推，为第N路采样通道的修正后的采样时刻，为单位弧度所表征的时间，为采样序号，为采样频率，为同步采样脉冲控制的第k次采样的基准采样时刻；

5) 将工控机在步骤四计算得到的修正后的采样时刻t _i (k)存入电子式互感器内；电子式互感器按修正后的采样时刻t _i (k)对N个采样通道进行采样并输出数值，此时电子式互感器输出的N个采样通道数字信号的相位延迟一致。