CN107505500A - Gis内电子式互感器积分方法 - Google Patents
Gis内电子式互感器积分方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107505500A CN107505500A CN201710676787.7A CN201710676787A CN107505500A CN 107505500 A CN107505500 A CN 107505500A CN 201710676787 A CN201710676787 A CN 201710676787A CN 107505500 A CN107505500 A CN 107505500A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mutual inductor
- electronic mutual
- fpga
- gis
- integration method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
Abstract
本发明涉及一种GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，包括如下步骤：(1)通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号低通滤波后，由高精度模数转换器件定时进行高速率采样；(2)积分算法由FPGA完成，FPGA置于电子式互感器的远端模块内。本发明提出采用4阶贝塞尔滤波器和提高A/D采样速率至100kHz硬软结合抑制高频信号通过、由远端模块中的FPGA完成软件积分等改进措施；试验证明本发明所提方案是可行的，有助于提高GIS应用Rogowski线圈原理电子式互感器的运行可靠性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种GIS内电子式互感器积分方法，属于电力系统运检技术领域。
背景技术：
目前国内现场应用GIS内的电子式互感器大多是基于罗氏线圈原理电学电子式互感器，由于罗氏线圈原理电子式互感器输出为正比例于一次电流对时间的微分信号，所以其积分环节的好坏将直接影响电子式互感器的暂稳态性能。目前采用比较多的是以下两种方案：一是采用硬件积分，由运算放大器、电阻和电容电子元器件搭建模拟积分回路来实现信号的还原；二是由合并单元软件积分来实现信号还原，采集器仅负责信号低通滤波采集。这两种方案都存在一定的技术缺点，硬件积分由于其精度及可靠性均受到来自电子元器件电气参数的限制，所以其精度及可靠性均存在风险，合并单元实现的软件积分受制于采集器的采样带宽以及传输速率限制，其信号尤其是高频信号的失真性导致积分环节异常。
发明内容：
本发明要提供一种GIS内电子式互感器积分方法，以提高GIS内基于罗氏线圈原理电子式互感器的运行可靠性。
本发明所提供的GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号低通滤波后，由高精度模数转换器件定时进行高速率采样；
(2)积分算法由FPGA完成，FPGA置于电子式互感器的远端模块内。
所述的步骤(1)中贝塞尔滤波器运算放大器选用MAX275，其由两个2阶滤波节；一块 MAX275芯片以及8个外接电阻即构成4阶贝塞尔滤波器，选择低通类型。
所述的4阶贝塞尔滤波器选择低通类型，低通滤波回路的截止频率为2kHz、过渡带频率范围、增益系数为1。
所述的步骤(1)中高速率采样频率为100KHZ。
所述的步骤(2)中积分算法由FPGA完成，具体的远端模块内置处理器FPGA利用z匹配变换对读取的离散值采取值序列进行运算，从而还原取得被测信号，并根据合并单元4kHz 或者12.8kHz采样速率等应用需求，远端模块内置FPGA启用定时中断，对还原后的被测信号进行插值重采样。
以GIS内基于罗氏线圈原理的电子式互感器作为基础，对电容电流的产生及影响进行分析，并分析现阶段硬件积分、软件积分技术及存在的问题。针对频率混叠造成软件积分存在信号还原失真的问题，提出在信号调理回路中采用滤波特性优良的四阶贝塞尔滤波器和远远高于系统带宽的高速采样硬软件相结合的改进措施。为解决高速采样带来传输影响，将软件积分前移至远端模块并由FPGA实现。最后验证了本方案的可行性，以提高GIS内基于罗氏线圈原理电子式互感器的运行可靠性。
本发明的有益效果是：
本发明首先结合事故录波对GIS内电容电流的产生及影响进行分析，其次分析现阶段常用的电子式互感器软硬件积分实现技术；针对现阶段电子式互感器低通滤波回路采用二阶RC、采样速率不高于10kHz，电容电流进入采样回路造成频率混叠最终导致软件还原信号失真问题，提出采用4阶贝塞尔滤波器和提高A/D采样速率至100kHz硬软结合抑制高频信号通过、由远端模块中的FPGA完成软件积分等改进措施；试验证明本发明所提方案是可行的，有助于提高GIS应用Rogowski线圈原理电子式互感器的运行可靠性。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为应用于GIS的罗氏线圈原理的电子式互感器原理图；
图2为微分二阶RC低通比测试结果示意图。
图3为微分4阶贝塞尔低通比测试结果示意图；
图4为FPGA软件积分流程图。
图5为试验用变电站主接线图；
图6为故障时的录波图。
图7为变压器空充录波图；
图8为隔离开关分开时的录波图。
具体实施例：
结合图1-图8所示对本发明的具体实施方式做详细说明：
(1)方案整体架构设计
为了解决上述软件积分中存在的诸多问题，本发明有针对性的提出了一套改进的采样积分解决方案，系统的架构设计如附图1所示。
采样积分方案包括电子式互感器采集器(远端模块)和合并单元两部分。远端模块主要包括4阶贝塞尔低通滤波、高速高精度模数转换、软件积分，通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号低通滤波后，由高精度模数转换器件定时进行高速率采样，再通过软件离散积分算法对采样信号积分还原，实现对一次电流、电压量的测量，经电光转换通过高速串行协议据发送给合并单元，合并单元完成多通道数据同步和数据共享。
(2)信号调理回路的四阶贝塞尔滤波器设计
在设计新的信号调理回路之前，我们利用安捷伦33600A波形发生器对软件积分方案中采用的典型二阶低通滤波电路进行测试，以探究高频信号经过罗氏线圈的放大和低通滤波衰减后的输出特性。对高次谐波，考虑罗氏线圈输出的是一次电流的微分信号，所以其高频信号的输出值是一个按频率倍数放大的信号。测试结果如附图2所示。其中纵坐标表示Vo、Vi分别表示被测信号输出、输入值，fi、fb分别表示被测信号频率、基准频率。横坐标表示被测信号频率。
通过测试结果可以看出现阶段GIS用电子式互感器采用的二阶RC低通滤波回路对小于 750kHz以内的高次谐波并不能起到真正的阻断作用。测试结果与前述的安全事故分析相吻合。
为抑制二次侧输出信号采样的噪声和频率混叠现象，采用GB/T20840.8-2007上推荐的 Bessel滤波器。运算放大器选用MAX275，其由两个2阶滤波节。一块MAX275芯片以及8个外接电阻即构成4阶Bessel滤波器，按照电子式互感器应用需求，选择低通类型，为方便与前述二阶RC滤波效果进行比对，低通滤波回路的截止频率为2kHz、过渡带频率范围(衰减范围)、增益系数为1和衰减特性等设计R参数。同等试验条件对4阶贝塞尔滤波电路滤波效果进行测试，测试结果如附图3所示。
从测试结果不难看出，4阶贝塞尔滤波器相比二阶RC低通滤波电路，能有效抑制高频信号。
(3)高于系统带宽的高速采样回路设计
经过4阶贝塞尔滤波回路，有效进入A/D采样回路的信号频率被控制在15kHz以内。为检测现阶段GIS电子式用10kHz采样速率抗频率混叠效果，借助波形发生器和电子式互感器暂态校验仪及GIS用电子式互感器合并单元搭建测试平台。在贝塞尔信号调理回路前级施加基波叠加等量高次谐波信号，为了防止采样精度影响测试结果，测试含量均为30％的额定值。在10kHz采样速率情况下，测试结果表现为：
1)10次谐波情况下基波与高次谐波反应基本正常。
2)20～99次谐波基波基本没影响，高次谐波衰减并产生畸变。
3)100次谐波，谐波含量淹没。
4)130次谐波以上开始对基波产生影响，其影响程度与高次谐波叠加角度有关，本质是与采样时刻的随机性有关。
5)200次谐波开始波形偏向时间轴一侧，出现采样大值其偏向特性与采样时刻有关，所以不同叠加相位角具有不同的效果。
6)不同叠加角度会产生不同的影响，本质是由于采样时刻与高次谐波采样点之间的关系。
7)超过200次谐波，积分后变成了直流分量。
从测试结果不难发现，即使采用低通滤波效果更好的4阶贝塞尔滤波器，如果采样速率选择10kHz，仍然不能很好的解决频率混叠导致采样数据输出失真的问题。根据香农采样定理，只有将采样速率提高至不小于2倍的系统带宽才能消除频率混叠，从z域系统函数的幅频特性考虑，Ts取值越小，其幅频特性与理想特性的近似程度越高，但Ts与单位周期内的采样点数N成反比，Ts越小，采样数据越多，给后续数据计算及传输带来负担。综合以上因素，选择采样频率100kHz。
(4)基于FPGA的远端模块积分实现
FPGA软件积分算法流程如附图4所示。
将采样速率提高至100kHz，可以消除频率混叠现象，并且积分函数的幅频特性也更加理想，但是增加了单位时间内的采样数据量。如果仍然选择将软件积分功能由合并单元实施完成，则需要将单位时间内大量增加的采样数据传输给合并单元。采样速率100kHz，假定以每点采样值最小数据量＝(2保护+1测量)*每个数据长度2字节+1字节远端模块状态+1字节 CRC校验位＝8字节计算，每秒需传输有效数据6.4MBit,远超出IEC60044-8协议规定物理链路带宽要求。为解决采样速率提高带来的数据传输带宽瓶颈问题，将积分算法交由远端模块完成。远端模块内置处理器FPGA利用z匹配变换对读取的离散值采取值序列进行运算，从而还原取得被测信号，并根据合并单元4kHz或者12.8kHz采样速率等应用需求，远端模块内置 FPGA启用定时中断2，对还原后的被测信号进行插值重采样，从而实现提高A/D采样速率的情况下，不增加数据传输带宽。并且支持100kHz原始采样数据输出，为今后科学研究和高级应用提供技术基础。
(5)测试验证
为验证本发明提供方案的实际效果，按照前述发生继电保护安全事故的如附图5所示主接线搭建试验环境，被试合并单元为桥开关110合并单元。多次进行区内外故障模拟、变压器空充、隔离刀分合试验。附图6对应故障时的录波，附图7对应变压器空充时的录波，附图8对应隔离开关分开时的录波。从图中可以看出，改进后的采样系统未出现异常状态，对高频信号有很好的抑制能力，能够正确传变各种非稳态一次侧信号。
上述实施案例仅是为清楚本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号低通滤波后，由高精度模数转换器件定时进行高速率采样；
(2)积分算法由FPGA完成，FPGA置于电子式互感器的远端模块内。
2.根据权利要求1所述的GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，所述的步骤(1)中贝塞尔滤波器运算放大器选用MAX275，其由两个2阶滤波节；一块MAX275芯片以及8个外接电阻即构成4阶贝塞尔滤波器，选择低通类型。
3.根据权利要求2所述的GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，所述的4阶贝塞尔滤波器选择低通类型，低通滤波回路的截止频率为2kHz、过渡带频率范围、增益系数为1。
4.根据权利要求1所述的GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，所述的步骤(1)中高速率采样频率为100KHZ。
5.根据权利要求1所述的GIS内电子式互感器积分方法，其特征是，所述的步骤(2)中积分算法由FPGA完成，具体的远端模块内置处理器FPGA利用z匹配变换对读取的离散值采取值序列进行运算，从而还原取得被测信号，并根据合并单元4kHz或者12.8kHz采样速率等应用需求，远端模块内置FPGA启用定时中断，对还原后的被测信号进行插值重采样。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710676787.7A CN107505500A (zh) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | Gis内电子式互感器积分方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710676787.7A CN107505500A (zh) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | Gis内电子式互感器积分方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107505500A true CN107505500A (zh) | 2017-12-22 |
Family
ID=60690571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710676787.7A Pending CN107505500A (zh) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | Gis内电子式互感器积分方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107505500A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110441593A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-12 | 贵州电网有限责任公司 | 一种罗氏线圈电流信号采集系统和采集方法 |
| CN110441591A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-12 | 贵州电网有限责任公司 | 一种改进的电子式互感器电流采集方法 |
| CN111917360A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-10 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于级数分解确定伺服电机定子故障状态指标的方法及系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090146666A1 (en) * | 2005-11-29 | 2009-06-11 | Shinya Ohtsuka | Partial discharge charge quantity measuring method and device |
| CN103513093A (zh) * | 2013-09-17 | 2014-01-15 | 国家电网公司 | 基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器 |
| CN104730485A (zh) * | 2015-02-04 | 2015-06-24 | 国家电网公司 | 一种gis式电流互感器测试方法 |
| CN106840637A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-06-13 | 国网山东省电力公司莱芜供电公司 | 基于改进hht算法的gis机械振动信号时频分析方法 |
-
2017
- 2017-08-09 CN CN201710676787.7A patent/CN107505500A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090146666A1 (en) * | 2005-11-29 | 2009-06-11 | Shinya Ohtsuka | Partial discharge charge quantity measuring method and device |
| CN103513093A (zh) * | 2013-09-17 | 2014-01-15 | 国家电网公司 | 基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器 |
| CN104730485A (zh) * | 2015-02-04 | 2015-06-24 | 国家电网公司 | 一种gis式电流互感器测试方法 |
| CN106840637A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-06-13 | 国网山东省电力公司莱芜供电公司 | 基于改进hht算法的gis机械振动信号时频分析方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110441593A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-12 | 贵州电网有限责任公司 | 一种罗氏线圈电流信号采集系统和采集方法 |
| CN110441591A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-12 | 贵州电网有限责任公司 | 一种改进的电子式互感器电流采集方法 |
| CN111917360A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-10 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于级数分解确定伺服电机定子故障状态指标的方法及系统 |
| CN111917360B (zh) * | 2020-06-30 | 2023-05-05 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于级数分解确定伺服电机定子故障状态指标的方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106093547B (zh) | 基于辅助线圈修正的罗氏线圈电流互感器测量装置及方法 | |
| CN103257271A (zh) | 一种基于stm32f107vct6的微电网谐波与间谐波检测装置及检测方法 | |
| CN107505500A (zh) | Gis内电子式互感器积分方法 | |
| CN203287435U (zh) | 一种基于stm32f107vct6的微电网谐波与间谐波检测装置 | |
| CN108802566B (zh) | 一种基于hht信号分析的接地选线方法 | |
| Schmid et al. | Application of non conventional voltage and currents sensors in high voltage transmission and distribution systems | |
| Xu et al. | A novel frequency estimation method based on complex bandpass filters for P-class PMUs with short reporting latency | |
| Jafarpisheh et al. | Phasor estimation algorithm based on complex frequency filters for digital relaying | |
| JP2013036884A (ja) | 絶縁監視方法及び絶縁監視装置 | |
| Razo-Hernandez et al. | A phasor estimation algorithm based on Hilbert transform for P-class PMUs | |
| Wang et al. | An adaptive filters based PMU algorithm for both steady-state and dynamic conditions in distribution networks | |
| Reza et al. | Fast and accurate frequency estimation in distorted grids using a three‐sample based algorithm | |
| Xu et al. | An improved Taylor weighted least squares method for estimating synchrophasor | |
| Poljak et al. | Power components estimation according to IEEE standard 1459–2010 under wide-range frequency deviations | |
| RU2539648C2 (ru) | Устройство и система связи по линии питания | |
| Faifer et al. | An electronic current transformer based on Rogowski coil | |
| CN107490719A (zh) | Gis内基于罗氏线圈原理的电子式互感器 | |
| Hwang | Improvement of phasor estimation accuracy by prony-based identification of two decaying dc components | |
| AU2020319634A1 (en) | Current sensors employing Rogowski coils and methods of using same | |
| CN103675433A (zh) | 用于电子式电流互感器的电流采样与保护电路 | |
| CN205643468U (zh) | 一种适用于智能电网电能质量检测的电子式电压互感器 | |
| Coenen et al. | ‘Live’mains impedance measurement and analysis | |
| US20210112317A1 (en) | Systems and methods for improving frequency response of a high-speed data acquisition device | |
| CN110441591A (zh) | 一种改进的电子式互感器电流采集方法 | |
| Das et al. | Robust algorithm to estimate fault synchrophasor from fault‐transient synchrophasor in phasor data concentrator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171222 |