CN108254640B - 一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，包括智能变电站电场环境智能模拟系统、智能变电站磁场环境智能模拟系统、电子式互感器电参量模拟系统、多参量交叉叠加控制及监测系统和试验平台；智能变电站电场环境智能模拟系统用于模拟变电站现有电场环境；智能变电站磁场环境模拟系统用于模拟变电站现有磁场环境；电子式互感器电参量模拟系统用于模拟220kV及以下电子式互感器电压电流情况；所述多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器和升流器，实现电子式互感器所处环境电场强度和磁场强度的叠加，完成智能变电站实际环境的模拟。本发明实现对电子式互感器现场运行环境下多种复杂因素影响机理的研究。

Description

一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统

技术领域

本发明涉及一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，属于电子式互感器性能测试技术领域。

背景技术

随着智能变电站大量投入运行，电子式互感器得到了广泛应用。理论上电子式互感器有点突出，能有效提高变电站测量系统的准确性，减少电能计量系统的综合误差，但多年的运行经验表明电子式互感器也存在诸多不足，特别是稳定性和可靠性。

虽然电子式互感器在安装运行之前均已通过各类型的型式试验，但在现场复杂的运行环境下电子式互感器易受电磁环境、湿温度以及空气振动的多种因素的耦合干扰造成电子式互感器的工作不可靠。目前国内外开展了许多电子式互感器性能试验技术的研究，其中中国电力科学研究院开展了电子式互感器在隔离开关分合条件下的抗干扰性能研究，在试验室搭建隔离开关分合电子式互感器试验回路，模拟现场隔离开关开合操作，考核在该条件下电子式互感器的电磁防护性能；同时还开展了电子式互感器温度及振动特性，该实验方法仅考虑单一干扰源作用对电子式互感器的性能试验研究。而单一干扰源与多个干扰源同时叠加对电子式互感器的影响是不一样的，由于电子式互感器原理结构复杂，更需要在多参量条件下进行试验，保证其在智能变电站实际使用中的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，实现多参量自动化交叉叠加和调节，实现对电子式互感器现场运行环境下多种复杂影响因素影响激励的研究。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，包括智能变电站电场环境智能模拟系统、智能变电站磁场环境智能模拟系统、电子式互感器电参量模拟系统、多参量交叉叠加控制及监测系统和试验平台；

所述智能变电站电场环境智能模拟系统用于模拟智能变电站现有电场环境，由高压电极、地电极和升压器和标准电压互感器组成；所述升压器外接标准电压互感器，升压器的一端连接高压电极，另一端连接地电极，高压电极连接在撑架上且置于试验平台正上方，地电极置于试验平台下方，通过多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器，使升压器产生电压输出；

所述智能变电站磁场环境智能模拟系统用于模拟智能变电站现有磁场环境，由两个亥姆赫兹线圈、升流器和标准电流互感器组成；所述升流器外接标准电流互感器，与亥姆霍兹线圈串联连接，为所述升流器的输出端，通过多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升流器，使升流器产生电流输出；

所述电子式互感器电参量模拟系统的输出端连接电子式互感器的输入端，用于模拟220kV及以下电子式互感器电压电流情况；

所述多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器和升流器，实现电子式互感器所处环境电场强度和磁场强度的叠加，完成智能变电站实际环境的模拟；所述多参量交叉叠加控制及监测系统能够根据实验要求调整电场强度和磁场强度，同时能够监测电场强度和磁场强度。

前述的升压器为30kV升压器。

前述的升流器为1kA升流器。

前述的两个亥姆霍兹线圈关于试验平台对称放置，彼此平行且共轴，通以同方向电流。

前述的多参量交叉叠加控制及监测系统采集标准电压互感器和标准电流互感器二次侧的信号，二次侧信号经过模数转换之后，采用快速傅里叶变换插值算法进行谐波分析，求取基波特征量。

前述的标准电压互感器为阻容式电压互感器，所述标准电流互感器为穿心式电流互感器。

前述的基波特征量的求取过程为：

快速傅里叶变换插值算法加汉宁窗进行运算，汉宁窗的时域形式为：

其中，N为模数转换采样点数；

窗函数对应的频域表达式为：

其中，主瓣函数为

ω为频率；

用汉宁窗对信号x(n)进行加权截断，得到离散加窗信号x_w(n)：

x_w(n)＝x(n)*w(n),n＝0,1,2,…,N-1 (12)

其中，x(n)为标准电压互感器和标准电流互感器二次侧信号模数转换采样值序列；

x(n)的频谱x(e^jω)为：

因此x_w(n)的频谱X_W(e^jω)为：

将频谱X_W(e^jω)以频率为横轴、幅值为纵轴绘制直角坐标图，找出幅值最大和次最大的谱线，假设两谱线的频率分别为k_h和k_h+1，两谱线的幅值分别为

则得到基波幅值和频率的估计公式；

频率偏差α_h为：

其中，

基波信号的幅值A_h为：

基波信号的频率f_h为：

其中，f_s为模数转换采样频率。

前述的试验平台水平放置，通过旋转和升降，使得电场和磁场施加给电子式互感器不同的部位。

本发明的有益效果为：

1、本发明具备智能化和自动化的特性，试验人员根据试验电子式互感器的实际运行条件设置输出相应的电压信号和电流信号，系统通过负反馈调节自动完成变电站实际环境的模拟；

2、本发明控制部分基于图形化设计，优化试验人员的操作流程，同时具备运行状态监测及实验系统故障报警功能，通过监测升压器和升流器输出，在系统故障时快速准确判断系统状态，确保试验过程的安全性和可控性；

3、本发明选用阻容式电压互感器测量升压器输出电压，避免传统电容式电压互感器不能进行谐波分析的问题；阻容式电压互感器输出端经过模数转换，并采用快速傅里叶变换插值算法进行谐波分析，求取基波特征量；

4、本发明允许在多参量条件下对电子式互感器性能进行研究，实现多参量自动化交叉叠加及调节，实现对电子式互感器现场运行环境下多种复杂因素影响机理的研究。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构示意图；

图2为电场环境智能模拟系统电路图；

图3为磁场环境智能模拟系统电路图；

图4为阻容式电压互感器的原理图；

图5为穿心式电流互感器的原理图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，包括智能变电站电场环境智能模拟系统、智能变电站磁场环境智能模拟系统、电子式互感器电参量模拟系统、多参量交叉叠加控制及监测系统和试验平台；其中，

智能变电站电场环境智能模拟系统用于模拟智能变电站现有电场环境，由高压电极、地电极和升压器和标准电压互感器组成。四者连接关系如图2所示。智能变电站电场环境模拟系统由30kV升压器作为电压输出，升压器外接标准电压互感器，同时升压器的一端连接高压电极，另一端连接地电极，高压电极连接在撑架上且置于试验平台正上方，地电极置于试验平台下方，通过多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器，使升压器产生电压输出。电子式互感器置于试验平台上，电子式互感器所处环境电场强度计算方法如下：

其中，U为升压器输出电压，d为地电极和高压电极之间距离。

智能变电站磁场环境智能模拟系统用于模拟变电站现有磁场环境，由两个亥姆赫兹线圈、升流器和标准电流互感器组成，四者连接关系如图3所示。智能变电站磁场环境智能模拟系统由1kA升流器作为电流输出，升流器外接标准电流互感器，与亥姆霍兹线圈串联连接，为所述升流器的输出端；两个亥姆霍兹线圈关于试验平台对称放置，彼此平行且共轴，通以同方向电流。电子式互感器所处环境磁场强度计算方法如下：

其中，N₁为亥姆霍兹线圈匝数，I₁为亥姆霍兹线圈通过电流，R为亥姆霍兹线圈半径。

推导过程如下：

由毕奥-萨伐尔定律可得，单匝线圈电流元在其轴线上某一点产生磁感应强度大小为：

其中，μ₀为磁导率，R为线圈半径，x为该点到线圈圆心的距离；

将公式(3)对单匝线圈积分可得公式(4)，

由于亥姆霍兹线圈匝数均为N₁，两线圈中心连接线的中点到线圈中心的距离均为R/2，该中点的磁感应强度为：

该点的磁场强度为：

电子式互感器电参量模拟系统用于控制电子式互感器两端的电压和流经电子式互感器的电流，模拟220kV及以下电子式互感器电压电流情况。电子式互感器电参量模拟系统可以输出与电子式互感器实际运行条件相应的电压信号和电流信号，两者连接关系如图1所示，电子式互感器电参量模拟系统的输出端连接电子式互感器的输入端。

多参量交叉叠加控制及监测系统可分别发出控制信号给升压器和升流器，根据实验要求分别调整电场强度和磁场强度，同时能够监测电场强度和磁场强度。多参量交叉叠加控制及监测系统根据电子式互感器实际运行条件，输出控制信号至升压器和升流器，并设置电场强度和磁场强度的叠加，完成变电站实际环境的模拟，升压器和升流器的输入端连接多参量交叉叠加控制及监测系统的控制信号输出端。

多参量交叉叠加控制及监测系统，在升压器输出端并联标准电压互感器，采集标准电压互感器二次侧的信号，通过公式(1)监测电子式互感器所处环境的电场强度；在升流器输出端串联标准电流互感器，采集标准电流互感器二次侧的信号，通过公式(2)监测电子式互感器所处环境的磁场强度。

其中，标准电压互感器为阻容式电压互感器，标准电流互感器为穿心式电流互感器。标准电压互感器和标准电流互感器二次侧信号经过模数转换之后，采用快速傅里叶变换插值算法进行谐波分析，求取基波特征量。

阻容式电压互感器电路原理如图4所示，被测高电压从输入端U₁进入分压器，经过两个电容器串联分压之后，从低压端U₂输出，U₂经过两个串联电阻分压之后，从低压端U₃输出。阻容式电压互感器的输出U₃接信号处理的电路板。

阻容式电压互感器的输出U₃为：

其中，ω₁为角频率，C₁为高压臂电容，C₂为低压臂电容，R₁为高压臂电阻，R₂为低压臂电阻，U₁为输入电压；

阻容式电压互感器的增益系数为：

阻容式电压互感器的相角关系为：

穿心式电流互感器结构如图5所示，互感器线圈1均匀绕在环形骨架2上，载流导线3垂直于互感器线圈1所在的平面。穿心式电流互感器的感应电势E₂输出为：

其中，N₂为线圈匝数，a为环形骨架厚度，μ为环形骨架介质磁导率，r₁、r₂分别为环形骨架的外半径和内半径，I₂为被测电流。

快速傅里叶变换插值算法加汉宁窗进行运算，汉宁窗的时域形式为：

其中，N为模数转换采样点数；

窗函数对应的频域表达式为：

其中，主瓣函数为

ω为频率。

用汉宁窗对信号x(n)进行加权截断，得到离散加窗信号x_w(n)：

x_w(n)＝x(n)*w(n),n＝0,1,2,…,N-1(12)

其中，x(n)为标准电压互感器和标准电流互感器二次侧信号模数转换采样值序列；

x(n)的频谱x(e^jω)为：

因此x_w(n)的频谱X_W(e^jω)为：

将频谱X_W(e^jω)以频率为横轴、幅值为纵轴绘制直角坐标图，找出幅值最大和次最大的谱线，假设两谱线的频率分别为k_h和k_h+1，两谱线的幅值分别为

则可以近似得到基波幅值和频率的估计公式。

频率偏差为：

其中，

基波信号的幅值A_h估计为：

基波信号的频率估计为：

其中，f_s为模数转换采样频率。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，包括智能变电站电场环境智能模拟系统、智能变电站磁场环境智能模拟系统、电子式互感器电参量模拟系统、多参量交叉叠加控制及监测系统和试验平台；

所述智能变电站电场环境智能模拟系统用于模拟智能变电站现有电场环境，由高压电极、地电极和升压器和标准电压互感器组成；所述升压器外接标准电压互感器，升压器的一端连接高压电极，另一端连接地电极，高压电极连接在撑架上且置于试验平台正上方，地电极置于试验平台下方，通过多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器，使升压器产生电压输出；

所述智能变电站磁场环境智能模拟系统用于模拟智能变电站现有磁场环境，由两个亥姆霍兹线圈、升流器和标准电流互感器组成；所述升流器外接标准电流互感器，与亥姆霍兹线圈串联连接，通过多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升流器，使升流器产生电流输出；

所述电子式互感器电参量模拟系统的输出端连接电子式互感器的输入端，用于模拟220kV及以下电子式互感器电压电流情况；

所述多参量交叉叠加控制及监测系统发出控制信号至升压器和升流器，实现电子式互感器所处环境电场强度和磁场强度的叠加，完成智能变电站实际环境的模拟；所述多参量交叉叠加控制及监测系统能够根据实验要求调整电场强度和磁场强度，同时能够监测电场强度和磁场强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述升压器为30kV升压器。

3.根据权利要求1所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述升流器为1kA升流器。

4.根据权利要求1所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述两个亥姆霍兹线圈关于试验平台对称放置，彼此平行且共轴，通以同方向电流。

5.根据权利要求1所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述多参量交叉叠加控制及监测系统采集标准电压互感器和标准电流互感器二次侧的信号，二次侧信号经过模数转换之后，采用快速傅里叶变换插值算法进行谐波分析，求取基波特征量。

6.根据权利要求5所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述标准电压互感器为阻容式电压互感器，所述标准电流互感器为穿心式电流互感器。

7.根据权利要求5所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述基波特征量的求取过程为：

快速傅里叶变换插值算法加汉宁窗进行运算，汉宁窗的时域形式为：

其中，N为模数转换采样点数；

窗函数对应的频域表达式为：

其中，主瓣函数为

ω为频率；

用汉宁窗对信号x(n)进行加权截断，得到离散加窗信号x_w(n)：

x_w(n)＝x(n)*w(n),n＝0,1,2,…,N-1 (12)

其中，x(n)为标准电压互感器和标准电流互感器二次侧信号模数转换采样值序列；

x(n)的频谱x(e^jω)为：

因此x_w(n)的频谱X_W(e^jω)为：

将频谱X_W(e^jω)以频率为横轴、幅值为纵轴绘制直角坐标图，找出幅值最大和次最大的谱线，假设两谱线的频率分别为k_h和k_h+1，两谱线的幅值分别为

则得到基波幅值和频率的估计公式；

频率偏差α_h为：

其中，

基波信号的幅值A_h为：

基波信号的频率f_h为：

其中，f_s为模数转换采样频率。

8.根据权利要求1所述的一种基于多参量叠加模拟的电子式互感器性能试验系统，其特征在于，所述试验平台水平放置，通过旋转和升降，使得电场和磁场施加给电子式互感器不同的部位。

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