CN105974351B - 罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置及方法，它包括上位机，上位机与测试主机连接，测试主机的主CPU模块与DA模块连接，DA模块与功率放大器连接，功率放大器与被测电子式互感器的罗氏线圈输入端连接，被测电子式互感器的罗氏线圈输出端与可控增益电压放大器连接，可控增益电压放大器与被测电子式互感器的采集器连接，被测电子式互感器的采集器与合并单元连接，合并单元与测试主机的数据接收模块连接；解决了智能变电站以及数字化变电站对于罗氏线圈原理电子式电流互感器的暂态仿真测试硬件试验条件高投入大，以及在测试中电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰减直流分量和谐波分量等技术问题。

Description

罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统智能变电站电子式互感器检测技术领域，尤其涉及罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置及方法。

背景技术

电子式互感器已经在电力系统中大量得到应用，目前基于罗氏线圈原理的电学电子式互感器依旧是市场的主流产品。目前国内电子式互感器的暂态测试基本都是采用大电流冲击的方式产生测试所需要的暂态过程大电流，然后再对被测器件连同合并单元进行测试。这种方式所依赖的硬件试验条件高投入大，需要搭建大占地的一次系统物理动态模型实验室，这使得绝大多数省级电科院这一级别的科研院所，都无法对电子式互感器的暂态特性进行专门研究。罗氏线圈是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律由非磁性材料为骨架构成的空心线圈，无铁芯设计使得其磁回路基本可以认为没有饱和和磁滞等造成暂态波形畸变，这些特性决定了罗氏线圈原理的电子式互感器的暂态特性在物理回路中不受暂态幅值的影响，由于罗氏线圈本身是一个微分信号所以其必须要经过积分过程将原有的微分信号还原为原始电流信号，目前主要采用软件积分与硬件积分两种方式来实现。

基于罗氏线圈的电子式电流互感器主要暂态特性的误差是在罗氏线圈的频率响应能力以及其后端采样处理以及积分环节。系统暂态过程出现时，电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰减直流分量和谐波分量，存在极大的测试误差，那么这种情况下如何对电子式互感器进行定量的测试是目前电子式互感器实验室所面临的最大挑战。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置及方法，以解决现有技术智能变电站以及数字化变电站对于罗氏线圈原理电子式电流互感器的暂态仿真测试硬件试验条件高投入大，需要搭建大占地的一次系统物理动态模型实验室，以及在测试中电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰减直流分量和谐波分量等技术问题。

本发明技术方案：

一种罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置，它包括上位机，上位机与测试主机连接，测试主机的主CPU模块与DA模块连接，DA模块与功率放大器连接，功率放大器与被测电子式互感器的罗氏线圈输入端连接，被测电子式互感器的罗氏线圈输出端与可控增益电压放大器连接，可控增益电压放大器与被测电子式互感器的采集器连接，被测电子式互感器的采集器与合并单元连接，合并单元与测试主机的数据接收模块连接。

可控增益电压放大器采用AD转换芯片对可控增益电压放大器的放大误差进行回采。

可控增益电压放大器采用电池供电，安装在被测电子式互感器或采集器内。

所述的罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置的测试方法，它包括：

步骤1、在上位机中导入电力系统一次故障波形或由软件通过仿真计算出一次故障波形，将波形数据下发至测试主机中；

步骤2、测试主机根据一次故障波形的电流数据，按照被测电子式互感器的额定电流In进行In/5倍数进行缩小；

步骤3、通过D/A模块生成数字信号，利用功率放大器生成按比例缩小后的二次故障电流信号，然后将缩小后的故障电流信号加至被测电子式电流互感器两端；

步骤4、在罗氏线圈输出端口采用可控增益电压放大器按照In/5的倍数进行微分信号放大，将放大后的电压信号输出给电子式互感器的采集器通过采集器的软件积分或硬件积分采样后送至合并单元输出形成一次故障电流信号；

步骤5、测试主机采集电子式互感器合并单元输出的数字信号和一次故障电流信号，并实现二组数据之间的同步；

步骤6、测试主机将二组数据送回至上位机，由上位机完成电子式互感器的暂态测试。步骤5所述实现二组数据之间的同步的方法为：测试主机按照一次故障电流输出的数据与合并单元输出的数字信号采集数据的时刻按照绝对时间分别打上时标，并对合并单元输出数据进行额定延时，进行时间修补，实现输出数据与采集数据之间的同步。

步骤6所述的暂态测试是指上位机进行一次故障后暂态电流数据的生成与发送，并完成测试数据的暂态误差计算，其计算公式为：

瞬时误差电流：i_e＝K_ni_s-i_p

式中：K_n为额定电流比；i_p为一次电流瞬时值；i_s为二次电流瞬时值；

最大峰值瞬时误差：

式中为最大瞬时误差电流；I_PSC为暂态特性的额定一次短路电流，I_PSC＝K_SSC×I_pr；K_SSC为暂态特性的额定对称短路电流倍数；I_pr为额定一次电流。

可控增益电压放大器根据测试主机所提供的增益放大倍数，调节其自身放大倍数，对罗氏线圈输出的微分电压信号进行放大，并将放大后的电压发送至电子式互感器的采集器，同时可控增益电压放大器采集调节前与调节后的微分电压信号，以消除测试过程中由于可控增益电压放大器所引入的附加暂态误差，所述附加暂态误差为：

E_x＝(U_o-K_mU_i)*100/K_mU_i

U_i为可控增益电压放大器调节前电压信号；

U_o为可控增益电压放大器调节后电压信号；

修正后瞬时误差电流：

i_e'＝K_ni_s/(1+E_x)-i_p

修正后最大峰值瞬时误差：

式中为修正后瞬时误差电流的最大值。

本发明的有益效果：

本发明针对罗氏线圈原理电子式互感器的暂态测试，旨在提高罗氏线圈原理电子式互感器的暂态测试能力，提高数字化变电站或智能变电站一次设备的安全性与可靠性，为电网的安全稳定运行提供保障。所以本发明具有以下技术特点：

1、不依赖于暂态大电流，采用功率放大器产生测试所需的暂态二次电流，利用微分信号放大使得电子式互感器合并单元输出一次暂态电流信号；

2.支持comtrade报文格式导入，可以对现场的故障电流进行暂态回放；

3.支持多种额定电流电子式互感器的暂态测试，可对可调增益电压放大器的放大倍数进行控制，按照被测合并单元的额定电流确定合适的放大倍数；

4.高精度回采，本发明利用高精度AD对可控增益放大的误差进行回采，采集可控增益电压放大器输入电压和输出电压，测出放大过程的实时误差，以修补可控增益电压放大器放大时引入的测量误差；

5.实时修补，暂态测试是基于瞬时值计算的，所以其修补参数采样速率与被测器件输出一致可对每一帧采样值报文进行实时修补；

6.可控增益电压放大器采用电池供电，采用光纤与测试主机相连，可以放置于电子式互感器与采集器内。

7.实时修补误差的暂态测试算法，上位机进行暂态误差计算时，实时读取可控增益电压放大器的实时回采值，对计算结果进行实时修补；

本发明解决了现有技术智能变电站以及数字化变电站对于罗氏线圈原理电子式电流互感器的暂态仿真测试硬件试验条件高投入大，需要搭建大占地的一次系统物理动态模型实验室，以及在测试中电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰减直流分量和谐波分量等技术问题。

附图说明：

图1为本发明的结构图。

具体实施方式

一种罗氏线圈微分信号可控放大的互感器暂态测试装置(见图1)，它包括上位机，上位机与测试主机连导线接，测试主机的主CPU模块与DA模块导线连接，DA模块与功率放大器导线连接，功率放大器与被测电子式互感器的罗氏线圈输入端导线连接，被测电子式互感器的罗氏线圈输出端与可控增益电压放大器导线连接，可控增益电压放大器与被测电子式互感器的采集器导线连接，被测电子式互感器的采集器与合并单元导线连接，合并单元与测试主机的数据接收模块导线连接。

可控增益电压放大器采用AD转换芯片对可控增益电压放大器的放大误差进行回采。

可控增益电压放大器采用电池供电，安装在被测电子式互感器或采集器内。

可控放大调节模块主要提供测试主机下发的增益放大倍数。

罗氏线圈是由非磁性材料为骨架构成的空心线圈，在空心线圈中，二次绕在非磁性骨架上，无铁磁材料使这种传感器的线性度良好，不饱和也无磁滞现象，因此，空心线圈具有优良的稳态性能和暂态响应。罗氏线圈应用安培定理时表明，当负荷为高阻抗Z时，线圈的输出电压是穿过线圈的一次电流I_p(t)的函数。对于圆环形骨架，任意截面的近似公式：

式中：

μ₀为真空导磁率，

N为匝数密度[匝/m]

A为单匝面积[m²]

e(t)为低负荷R_b→∞时，空心线圈的输出电压[V]

以这些符号，令

M＝μ₀·N·A

则空心线圈的输出电压为

或在稳态正弦电流下：

E＝M·j·ω·I _p

公式(1)

式中：

E为罗氏线圈二次输出的电压e(t)的矢量值；

I _p为一次通过电流的I_p(t)的矢量值。

可见，罗氏线圈二次输出的电压e(t)和一次电流I_p(t)成微分关系，所以其输出的暂态特性与其幅值大小并没有太大的关系，暂态影响因数主要在于其杂散电容对其频响特性的影响。而幅值影响主要体现在其数字饱和所带来的影响，所以通过对微分电压信号的放大使其数字采样时与大电流暂态时的输出特性一致。

本发明的技术解决方案为在上位机中导入电力系统一次故障波形或由软件通过仿真计算出一次故障波形，将波形数据下发至测试主机中。测试主机根据一次电流数据按照被试电子式互感器的额定电流In进行In/5倍数进行缩小，通过D/A生成小信号，利用功率放大器生成按比例缩小后的二次故障电流信号，然后将缩小后的故障电流加至被测电子式电流互感器两端，在罗氏线圈输出端口采用运算放大器按照In/5的倍数进行微分信号放大，将放大后的小电压信号输出给电子式互感器的采集回路通过采集器的软件积分或硬件积分采样后送至合并单元输出形成一次故障电流在电子式电流互感器上被试输出数字信号，测试主机采集电子式互感器合并单元的数字信号后与自身输出的一次故障电流信号，按照一次故障电流输出的数据与合并单元输出的数字信号采集数据的时刻按照绝对时间分别打上时标，并对合并单元输出数据进行额定延时进行时间修补，实现输出数据与采集数据之间的同步。完成同步计算后，将两组电流数据送回至上位机中，上位机再根据发出信号与采集信号完成电子式互感器的暂态测试工作。

整个测试过程中上位机负责一次故障后暂态电流数据的生成与发送，并完成测试数据的暂态误差计算。

1.瞬时误差电流：

i_e＝K_ni_s-i_p

K_n为额定电流比

i_p为一次电流瞬时值

i_s为二次电流瞬时值

2.最大峰值瞬时误差：

其中，为最大瞬时误差电流；

I_PSC为暂态特性的额定一次短路电流，I_PSC＝K_SSC×I_pr；

K_SSC为暂态特性的额定对称短路电流倍数；

I_pr为额定一次电流；

可控增益电压放大器根据测试主机所提供的增益放大倍数，调节其自身放大倍数，对罗氏线圈的微分电压信号进行放大，并将放大后的电压发送至电子式互感器的数据采集回路。同时电压放大器采集调节前与调节后的微分电压信号，对中间过程进行把控，以消除测试过程中由于可控增益电压放大器所引入的附加暂态误差。

附加暂态误差：

E_x＝(U_o-K_mU_i)*100/K_mU_i

U_i：电压放大器调节前电压信号；

U_o：电压放大器调节后电压信号；

修正后瞬时误差电流：

i_e'＝K_ni_s/(1+E_x)-i_p

修正后最大峰值瞬时误差：

其中为修正后瞬时误差电流的最大值。

上位机软件采用VC++可视化编程，支持倒入COMTRADE格式的暂态录波文件，也可以采用仿真计算得出所需测试的暂态测试数据。

测试主机，以PowerPC和FPGA构成硬件核心，主CPU采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPC MPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。理想罗氏线圈仿真模型的建立、仿真计算、人机交互的响应、FPGA数据的接口处理、暂态试验的录波等软件任务均在PowerPC上运行。

FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，DAC的控制，罗氏线圈二次电压仿真数据的发送等所有对时间有要求严格的工作。

以太网控制器为Intel公司LXT971。LXT971是单端口10/100M双速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT,100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质，选用Agilent AFBR5803作为光纤网络收发器。

数模转芯片DA采用ADI公司的AD5683R，这是一款16位单通道转换器，其相对精度为±2LSB INL，内置2ppm/℃2.5V基准电压源；采用节省空间的2mm×2mm 8引脚LFCSP和10引脚MSOP封装，可在更小的电路板空间中实现更多的功能；2mV总非调整误差，无需初始校准或调整；4kV HBM ESD额定值，实现了系统稳健性。

功率放大器采用额定5A，支持20倍交流叠加20倍直流的暂态输出。

可控增益电压放大器FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，与测试主机一致。

回采用的A/D芯片采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片1.5LSB INL、400kSPS差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

晶体振荡器选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化，高精度晶振为PowerPC和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性。

电流一次导线采用等安匝缠绕，10匝缠绕，以提高罗氏线圈微分小信号的输出精度。

Claims (4)

1.一种罗氏线圈微分信号可控放大的电子式互感器暂态测试装置的测试方法，罗氏线圈微分信号可控放大的电子式互感器暂态测试装置包括上位机，上位机与测试主机连接，测试主机的主CPU模块与D/A模块连接，D/A模块与功率放大器连接，功率放大器与被测电子式互感器的罗氏线圈输入端连接，被测电子式互感器的罗氏线圈输出端与可控增益电压放大器连接，可控增益电压放大器与被测电子式互感器的采集器连接，被测电子式互感器的采集器与合并单元连接，合并单元与测试主机的数据接收模块连接；其特征在于：所述测试方法包括：

步骤1、在上位机中导入电力系统一次故障波形或由软件通过仿真计算出一次故障波形，将波形数据下发至测试主机中；

步骤2、测试主机根据一次故障波形的电流数据，按照被测电子式互感器的额定电流In进行In/5倍数缩小；

步骤3、通过D/A模块生成模拟信号，利用功率放大器生成按比例缩小后的二次故障电流信号，然后将缩小后的故障电流信号加至被测电子式互感器罗氏线圈的输入端；

步骤4、在罗氏线圈输出端口采用可控增益电压放大器按照In/5的倍数进行微分信号放大，将放大后的电压信号输出给电子式互感器的采集器通过采集器的软件积分或硬件积分采样后送至合并单元输出形成一次故障电流信号；

步骤5、测试主机采集合并单元输出的数字信号和一次故障电流信号，并实现二组数据之间的同步；

步骤6、测试主机将二组数据送回至上位机，由上位机完成电子式互感器的暂态测试。

2.根据权利要求1所述的一种罗氏线圈微分信号可控放大的电子式互感器暂态测试装置的测试方法，其特征在于：可控增益电压放大器采用AD转换芯片对可控增益电压放大器的放大误差进行回采。

3.根据权利要求1所述的一种罗氏线圈微分信号可控放大的电子式互感器暂态测试装置的测试方法，其特征在于：可控增益电压放大器采用电池供电，安装在被测电子式互感器或采集器内。

4.根据权利要求1所述的罗氏线圈微分信号可控放大的电子式互感器暂态测试装置的测试方法，其特征在于：步骤6所述的暂态测试是指上位机进行一次故障后暂态电流数据的生成与发送，并完成测试数据的暂态误差计算，其计算公式为：

瞬时误差电流：i_e＝K_ni_s-i_p

式中：K_n为额定电流比；i_p为一次电流瞬时值；i_s为二次电流瞬时值；

最大峰值瞬时误差：

式中为最大瞬时误差电流；I_PSC为暂态特性的额定一次短路电流，I_PSC＝K_SSC×I_pr；

K_SSC为暂态特性的额定对称短路电流倍数；I_pr为额定一次电流。