CN108008182B - 一种主动实时补偿型电压互感器及交流采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主动实时补偿型电压互感器及交流采样方法，在电压互感器的一个采样端向电压互感器的分压电路主动注入信号f(w)，从电压互感器采样信号中提取频率该信号的幅度和相位，计算CxRb，其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容；Rb为分压电路中采样电阻的阻值；获取电压互感器的实部补偿参数和虚部补偿参数。本发明提供了一种通用的补偿方法，适用于采用电压互感器交流采样的场合，方法简单易行，通用性好，不受电缆及安装环境的限制，为交流采样的补偿提供了一种全新思路。本发明根据实际需要开启补偿，更新补偿参数，不影响电压互感器的正常采样。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动实时补偿型电压互感器及交流采样方法，属于信号采样技术领域。
背景技术
与传统电磁式电压互感器不同，新型电子式电压互感器是将10kV、35kV、110kV等高电压信号变换为3.25V的低压小信号，其原理是采用电阻分压，如图1所示。
从新型电子式电压互感器出来的小信号，经导线连接接入到交流采样模块后进入ADC模数转换后由MCU处理分析计算得到交流采样的结果数据，如图2所示。
新型电子式电压互感器与交流采样模块之间用信号电缆连接，且长度一般较长，多大于10米，寄生电容Cj在1nF～10nF之间；由于信号源(即新型电子式电压互感器)的输出阻抗为65kΩ，Cj在交流工频信号50Hz上的等效阻抗为300k～3000kΩ，交流信号在通过电缆传输之后会产生较大的幅度失真和相位改变。
为了补偿信号在传输过程中的失真，需要在交流采样模块中进行数字补偿。
采样波形f(y)的复数表达式为Y0，原始信号波形f(x)的复数表达式为X0
X0＝Y0*(Pr+jPi)
公式中的Pr和Pi即为补偿参数。
然而，补偿参数的获得却是一个非常麻烦的问题，由于连接电缆的差异、互感器内阻的差异，就要求每个交流采样模块中的补偿参数时不一样的，或者在更换了采样模块或电缆或新型互感器，或者运行一段时间以后周围环境(如温湿度)的变化导致信号路径中的寄生电容改变，这个参数也应该改变。
目前的做法有三种：1、在交流采样模块的输入侧使用标准的信号源对交流采样模块上电路进行调试，生成校准参数；2、采用长度一致规格一致的连接电缆样本，在电缆输入端使用标准的信号源对传输电缆样本以及交流采样模块电路两部分进行调试，生成校准参数；3、采用长度一致规格一致的连接电缆样本、电子式电压互感器样本，在电子式互感器的高压侧使用标准的高压信号源对电子式电压互感器样本、传输电缆样本以及交流采样模块上电路三部分进行调试，生成校准参数。
不管采样哪种做法，所有出厂的交流采样模块都使用相同的补偿参数。这种补偿方式在出厂时补偿参数就被确定，设备运行时始终按照既定的参数实现信号补偿。这种做法的不足在于：1、由于电子式电压互感器和连接电缆的个体差异，使用相同的参数实际上不能够正确补偿被测信号；2、运行环境变化后，信号传输过程中的变化也会不一样，由于使用的补偿参数不变，所以这个变化也不能被识别出来。
如何根据每个电路的实际传输情况获取补偿参数，在线进行补偿是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决补偿参数的自动生成问题，本发明提供一种主动实时补偿型电压互感器及交流采样方法，能够适应不同的电子式电压互感器、不同的连接电缆，并且在环境发生变化寄生电容改变后也能自动修正补偿参数。
本发明的技术方案如下：
提供一种主动实时补偿型交流采样方法，包括如下步骤：
(1)在电压互感器的一个采样端向电压互感器的分压电路注入频率为f1的信号f(w)，复数表达式为W1；
(2)从电压互感器采样信号中提取频率f1的信号的幅度和相位，获取频率f1的信号的复数表达式为Y1；通过公式计算β值，
式中ω1＝2πf1，令β＝CxRb，其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容；Rb为分压电路中采样电阻的阻值；
(3)获取电压互感器的实部补偿参数虚部补偿参数
ω0＝2πf0，
为电压互感器的采样比，f0为待采集电压信号的频率。
优选的，信号f(w)的频率f1为待采集电压信号频率f0的整数倍。
优选的，待采集电压信号为电网信号，频率f0为50Hz。
优选的，频率f1大于1kHz。
优选的，频率f1为2.5kHz。
优选的，步骤(3)中待采集电压信号f(x)的信号复数表达式为X0，采样电路采集的信号f(y)中频率为f0的信号复数表达式为Y0，则
优选的，定期启动主动实时补偿型交流采样方法，获取实部补偿参数和虚部补偿参数。
同时提供一种主动实时补偿型电子式电压互感器，包括分压电路、采样电路以及连接在分压电路和采样电路之间的传输电缆；所述采样电路通过一个采样端向电压互感器的分压电路注入频率为f1的信号f(w)，f(w)复数表达式为W1；从采样信号中提取频率f1的信号的幅度和相位，获取频率f1的信号的复数表达式为Y1；通过公式
计算β值，
式中ω1＝2πf1，令β＝CxRb，其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容；Rb为分压电路中采样电阻的阻值；更新电压互感器的实部补偿参数
虚部补偿参数
ω0＝2πf0，
为电压互感器的采样比，f0为待采集电压信号的频率。
优选的，信号f(w)的频率f1为待采集电压信号频率f0的整数倍。
优选的，所述采样电路定期注入频率为f1，获取实部补偿参数和虚部补偿参数。
有益效果：
1、本发明新型电子式电压互感器因其设计简单体积小巧等特点将会被广泛用在配电网10kV、35kV、110kV断路器和负荷开关上，但是同时由于其内阻大输出信号幅度小驱动能力弱，在测量其信号时信号失真导致交流采样误差大，电流保护动作不精确，给配电网自动化设备带来了诸多不利，而普通的误差补偿方法对互感器特性、连接电缆特性、现场环境安装特性的一致性要求非常高，而且在环境发生变化后无法自动适应更改补偿参数，从而导致较大的测量误差。本发明采用了一种实时主动补偿的思想，较好地解决了这个问题，其对电子式互感器和配网自动化的核心部件的实用化提供了完美的技术解决方案。
2、本发明提供了一种通用的补偿方法，适用于采用电压互感器交流采样的场合，方法简单易行，通用性好，不受电缆及安装环境的限制，为交流采样的补偿提供了一种全新思路。
3、本发明根据实际需要开启补偿，更新补偿参数，不影响电压互感器的正常采样。
附图说明
图1为电子式电压互感器分压原理图；
图2为电子式电压互感器采样原理示意图；
图3为交流采样电路等效电路示意图；
图4为简化后的交流采样电路等效电路示意图。
具体实施方式
在电子式电压互感器和交流采样模块之间的传输电缆和环境特征可以用等效电路来表示，如图3所示。等效电路类似一个π形滤波器，由两个电容和一个电阻组成。
由于传输电缆和环境处在相同的条件，所以可以认为下图中的Ca1＝Ca2，R1＝R2，Cb1＝Cb2。
考虑到R1、R2远小于电子式电压互感器的内阻，将上图简化为图4所示电路，仅有寄生电容Cx的影响。
(1)计算补偿参数
在采样侧向信号源注入信号f(w)，注入的信号经过Cx后在信号源一侧与原始信号f(x)汇合，再经过Cx后变成采样信号f(y)，在f(y)中包含有f(w)信号的信息，当然f(w)信号在到达f(y)后也会受到Cx以及电子式电压互感器内阻Rb的影响。
f(x)信号的主要频率成份是50Hz的电网工频，令f0＝50Hz
注入信号f(w)的频率f1为电网工频50Hz的整数倍，例如f1＝2.5kHz。
注入信号f(w)在传输过程中其频率特征不会变化，但是幅度和角度均会发生改变，因此可以在收到的f(y)上，提取与f(w)相同频率f1的信号的幅度和相位。
令f(w)的信号复数表达式为W1，f(y)中f1的信号复数表达式为Y1，则
其中：ω1＝2πf1
已知Y1和W1，则CxRb可以通过计算得出结果来，令β＝CxRb
(2)还原测量信号
取消f(w)信号，即f(w)＝0
令f(x)的信号复数表达式为X0，f(y)中f0的信号复数表达式为Y0，则
其中：ω0＝2πf0
即：
其中：
可以在交流采样模块运行中定期启动计算补偿参数流程，不断更新补偿参数，及时还原测量信号。
参见图4，主动实时补偿型电子式电压互感器，包括分压电路、采样电路以及连接在分压电路和采样电路之间的传输电缆。
采样电路的控制部件CPU通过一个采样端向电压互感器的分压电路注入频率为f1的信号f(w)，f(w)复数表达式为W1；从采样信号中提取频率f1的信号的幅度和相位，获取频率f1的信号的复数表达式为Y1；通过公式
计算β值，式中ω1＝2πf1，令β＝CxRb，其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容；Rb为分压电路中采样电阻的阻值；更新电压互感器的实部补偿参数
虚部补偿参数
ω0＝2πf0，
为电压互感器的采样比，f0为待采集电压信号的频率。
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在电压互感器的一个采样端向电压互感器的分压电路注入频率为f1的信号f(w)，复数表达式为W1；
(2)从电压互感器采样信号中提取频率f1的信号的幅度和相位，获取频率f1的信号的复数表达式为Y1；通过公式
计算β值，
式中ω1＝2πf1，令β＝CxRb，
其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容，Rb为分压电路中采样电阻的阻值；
(3)获取电压互感器的实部补偿参数
虚部补偿参数
ω0＝2πf0，
为电压互感器的采样比，f0为待采集电压信号的频率。
2.如权利要求1所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，信号f(w)的频率f1为待采集电压信号频率f0的整数倍。
3.如权利要求1或2所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，待采集电压信号为电网信号，频率f0为50Hz。
4.如权利要求3所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，频率f1大于1kHz。
5.如权利要求3所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，频率f1为2.5kHz。
6.如权利要求1所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，步骤(3)中待采集电压信号f(x)的信号复数表达式为X0，采样电路采集的信号f(y)中频率为f0的信号复数表达式为Y0，则
7.如权利要求1所述的主动实时补偿型交流采样方法，其特征在于，定期启动主动实时补偿型交流采样方法，获取实部补偿参数和虚部补偿参数。
8.一种主动实时补偿型电子式电压互感器，包括分压电路、采样电路以及连接在分压电路和采样电路之间的传输电缆，其特征在于：
所述采样电路通过一个采样端向电压互感器的分压电路注入频率为f1的信号f(w)，f(w)复数表达式为W1；从采样信号中提取频率f1的信号的幅度和相位，获取频率f1的信号的复数表达式为Y1；通过公式
计算β值，
式中ω1＝2πf1，令β＝CxRb，
其中Cx为电压互感器的分压电路与采样电路之间传输电缆的寄生电容；Rb为分压电路中采样电阻的阻值；更新电压互感器的实部补偿参数
虚部补偿参数
ω0＝2πf0，
为电压互感器的采样比，f0为待采集电压信号的频率。
9.如权利要求8所述的主动实时补偿型电子式电压互感器，其特征在于，信号f(w)的频率f1为待采集电压信号频率f0的整数倍。
10.如权利要求8所述的主动实时补偿型电子式电压互感器，其特征在于，根据所述采样电路定期注入的频率f1，获取所述电压互感器的实部补偿参数和虚部补偿参数。
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