CN108490380A - 一种电压电流互感器在线校验系统 - Google Patents

Abstract

一种电压电流互感器在线校验系统，包括标准互感器、被校互感器、PC机。所述标准互感器包括一次传感单元、采集传输单元、主控制模块；一次传感单元连接采集传输单元，采集传输单元连接主控制模块，主控制模块连接PC机；一次传感单元输出的电压或电流信号经屏蔽电缆传输给低压侧的采集传输单元进行信号处理，其输出信号经第一光纤传送给主控制模块，进行组帧处理后作为标准信号传输给PC机。本发明一种电压电流互感器在线校验系统，可同时实现对运行中的电压电流互感器进行在线校验，使用一套采集传输单元和主控制模块即可实现，大大节省了设备投入，简化了系统复杂程度。

Description

一种电压电流互感器在线校验系统

技术领域

本发明涉及一种电压电流互感器在线校验系统，用于高压环境下的电压电流互感器准确度带电校验。

背景技术

互感器作为电力系统中重要的测量设备，其测量的准确度和稳定性是电力系统安全、可靠运行的必要保障。特别是随着数字化变电站和智能电网的发展，电子式互感器因具有动态范围广、测量频带宽、数字量输出等优点而得到广泛应用。然而，因属于新兴技术，挂网运行中电子式互感器的故障率要明显高于传统互感器，这就要求缩短校验周期，并进一步提高校验系统的准确度。互感器传统校验大多采用停电校验方式，不仅操作复杂，校验周期长，且会带来停电损失，对电网发展带来了一定的不利影响。此外，传统的校验仪大都着重研究硬件电路，效率低，通用性差。

针对这一问题，许多文献提出了互感器在线校验方法和系统，但大都采用FFT算法实现对信号电气参数的计算，然而，随着变电站电磁环境愈加恶劣，受电网频率波动、谐波、间谐波等的影响，传统的FFT算法因计算误差较大，已无法满足现场带电校验系统的准确度要求。因此，为降低停电校验带来的损失，弥补现有带电校验的不足，提高互感器带电校验的准确度。

发明内容

为提高在线校验系统的精度，本发明提供了一种基于八倍率数字积分器和基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法的电压电流互感器在线校验系统。利用八倍率数字积分器提高积分环节准确度，并利用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法进行数字信号处理，可有效降低非同步采样引起的相对测量误差，可实现最大程度地降低因频谱泄漏造成的误差，提高数据的分析精度，具有较好的抗干扰性和实时性。该在线校验系统软件平台采用基于LabVIEW的虚拟仪器实现，精度高、成本低、开发周期短，可有效避免噪声干扰带来的硬件误差。

本发明采取的技术方案为：

一种电压电流互感器在线校验系统，包括标准互感器、被校互感器、PC机。所述标准互感器包括一次传感单元、采集传输单元、主控制模块；一次传感单元连接采集传输单元，采集传输单元连接主控制模块，主控制模块连接PC机；一次传感单元输出的电压或电流信号经屏蔽电缆传输给低压侧的采集传输单元进行信号处理(包括滤波处理、A/D转换等)，其输出信号经第一光纤传送给主控制模块，进行组帧处理后作为标准信号传输给PC机。

所述被校互感器包括互感器、采集器、第二光纤、合并单元；互感器连接采集器，采集器通过第二光纤连接合并单元；被校互感器输出的信号经由合并单元上传至网卡，然后由网卡上传至PC机。

所述一次传感单元包括电流传感单元、电压传感单元，其中电流传感单元采用Rogowski线圈，电压传感采用电容分压器构成，一次传感单元能够同时实现电压和电流的测量。因而只需一套采集传输单元和主控制模块即可实现电压电流互感器的同时校验，有效节省了设备投入，简化了系统构成。

所述采集传输单元采用NI USB-6289多功能USB数据采集卡，内部含有高精度的A/D转换器。有效提高了校验系统的分辨率和灵敏度。采用DSK321STD晶振时钟振荡器作为同步时钟系统，体积小、功耗低、精度高，通过LabVIEW编程控制，可准确获得PC机发出的动态信号，实现校验中对标准互感器采集传输单元和校准互感器合并单元的准确同步。采用DSK321STD晶振时钟振荡器作为同步时钟系统，体积小、功耗低、精度高，通过LabVIEW编程控制，可准确获得PC机发出的动态信号，实现校验中对标准互感器采集传输单元和校准互感器合并单元的准确同步。

所述主控制模块采用FPGA，用于对采集传输单元所输出信号的组帧处理，编程简单，易于实现，运算速度快。当系统接收到同步时钟信号后，FPGA通过串口读取A/D转换器输出的数据，并将采集到的数据经UART模块上传给HFBR-1414光纤发射器进行协议转换后发送给PC机进行处理。

所述的PC机用于嵌入校验系统软件平台。软件平台采用基于LabVIEW的虚拟仪器实现，由前面板和软件程序组成，用于实现PC机与NI USB-6289、DSK321STD等各模块的串行通信、数字积分以及对误差计算等。其中，PC机与主控制模块等的串行通信，通过LabVIEW调用VISA库函数并配置不同的设备参数，实现对各模块串行接口的编程控制。

数字积分模块用于对电流传感单元Rogowski线圈的输出微分信号进行积分还原，为提高积分精度，采用八倍率数字积分器并利用FIR滤波法实现。

误差计算采用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法实现，该算法具有较窄的主瓣宽度和较低的旁瓣峰值电平，从而可进一步实现对频谱泄漏问题的有效抑制，降低因非同步采样或高次谐波等引起的误差，提高带电校验的准确度，最终准确输出被校互感器的谐波分量、比差、相位差等电气参数，从而实现互感器在线校验，抗干扰性强、实时性好。与传统的加窗FFT算法相比，该方法可有效降低各次谐波信号的计算误差，显著提高系统的测量精度。

本发明一种电压电流在线校验系统，改善效果如下：

1、采用八倍率数字积分器并利用FIR滤波法实现对电流传感单元Rogowski线圈的输出微分信号进行积分还原，有效提高了积分精度。

2、采用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法对数据信号进行处理，旁瓣衰减更快，旁瓣峰值更低，因而，可实现最大程度地降低因频谱泄漏造成的误差，提高数据的分析精度。

3、采用基于LabVIEW的虚拟仪器实现了校验系统软件平台的设计，成本低、效率高、可实施性强，可有效避免噪声干扰带来的硬件误差。

4、采用NIUSB-6289多功能USB数据采集卡作为标准互感器的采集传输单元，内部含有高精度的A/D转换器，有效提高了校验系统的分辨率和灵敏度；采用DSK321STD晶振时钟振荡器作为同步时钟系统，体积小、功耗低、精度高，通过LabVIEW编程控制，可准确获得PC机发出的动态信号，实现校验中对标准互感器采集传输单元和校准互感器合并单元的准确同步。

5、本发明一种电压电流互感器在线校验系统，可同时实现对运行中的电压电流互感器进行在线校验，使用一套采集传输单元和主控制模块即可实现，大大节省了设备投入，简化了系统复杂程度。

附图说明

图1为本发明电压电流互感器在线校验系统结构图。

图2为本发明标准信号数据采集原理图。

图3为本发明互感器在线校验系统界面图。

图4为传统Al-Alaoui积分器、用FIR近似的八倍率积分器的幅值响应误差图。

图5为本发明互感器在线校验系统的电流校验测试结果图。

图6为本发明互感器在线校验系统的电压校验测试结果图。

其中：标准互感器1、被校互感器2、PC机3，一次传感单元4、采集传输单元5、主控制模块6；互感器7、采集器8、第二光纤9’，合并单元10；高压母线L0。

具体实施方式

如图1所示，一种电压电流互感器在线校验系统，主要包括标准互感器、被校互感器和PC机三部分。被校互感器部分主要包含互感器、采集器、光纤及合并单元等；标准互感器包括一次传感单元、采集传输单元、主控制模块和PC机等。一次传感单元输出的电压或电流信号经屏蔽电缆传输给后面的采集传输单元进行信号处理(包括滤波处理、A/D转换等)，其输出信号经光纤传送给主控制模块，进行组帧处理后作为标准信号传输给PC机；被校互感器输出的信号经由合并单元通过网线上传至PC机。

所述合并单元采用如国电南自生产的PSMU 602合并单元。

所述的一次传感单元包括电流传感单元和电压传感单元，其中电流传感单元采用Rogowski线圈，电压传感采用电容分压器构成。一次传感单元用于将高电压大电流信号转换为适合采集传输单元的低电压小电流信号。一次传感单元可同时实现电压和电流的测量，因而只需一套采集传输单元和主控制模块即可实现电压电流互感器的同时校验，有效节省了设备投入，简化了系统构成。

所述的采集传输单元应用NI公司的USB-6289多功能USB数据采集卡，其内部含有高精度的A/D转换器，有效提高了校验系统的分辨率和灵敏度。为实现系统的高精度同步采样，同步时钟系统采用DSK321STD晶振时钟振荡器，体积小、功耗低、精度高，通过LabVIEW编程控制，可准确获得PC机发出的动态信号，实现校验中对标准互感器采集传输单元和校准互感器合并单元的准确同步。

如图2所示，为本发明的采集传输单元原理图，选用FPGA作为主控制模块，用于对采集传输单元所输出信号的组帧处理，编程简单，易于实现，运算速度快。当系统接收到同步时钟信号后，FPGA通过串口读取A/D转换器输出的数据，并将采集到的数据经UART模块上传给HFBR-1414光纤发射器进行协议转换后发送给PC机进行处理。

所述的PC机用于嵌入在线校验系统软件平台，如图3所示。校验系统软件平台具有开发周期短、操作简单、图形界面友好等特点，可实现对系统的配置以及校验波形的实时显示等。本发明所提出的校验系统软件平台由LabVIEW软件开发而成，由前面板和软件程序组成，用于实现PC机与NI USB-6289、DSK321STD等各模块的串行通信、数字积分以及对误差计算等。其中，PC机与主控制模块等的串行通信，通过LabVIEW调用VISA库函数并配置不同的设备参数，实现对各模块串行接口的编程控制；数字积分模块通过采用改进的数字积分算法，与传统的矩形积分、Simpson积分等相比，其幅频特性与相频特性更加接近理想积分器；误差计算采用加混合卷积窗的FFT算法，可有效削弱因异步采样造成的频谱泄漏误差，提高误差计算精度和准确度。

数字积分模块用于对电流传感单元Rogowski线圈的输出微分信号进行积分还原，为提高积分精度，采用八倍率数字积分器，其积分函数为：

其中z复频域变换。由于z的指数-0.047为非整数，为实现运算，采用如下方式：

将一个完全的D延迟近似为(D即为z的非整数指数)：

其中L为近似的阶数，且(L-1)/2≤D≤(L+1)/2。

此外，一个D全延迟也可表示为D＝N+d，这里的N为延迟的整数部分，d为延迟的分数部分。该延迟的整数部分需要增加阶数L从而使其与分数延迟更接近。然而，通过这样的转换后，相角响应就不再是-90°。为了解决这个问题，即只取延迟的分数部分d，我们将积分器传递函数中的z^-N-d用z^-N-d/z^-N代替；其中z^-N-d用式(1)来近似。

将式(1)中的延迟积分器用FIR滤波法近似。其中N＝5，L＝10，d＝0.5，该延迟的仿真如图4所示。图中可以看出，在低频段，采用的八倍率数字积分器的幅值响应误差远远小于传统Al-Alaoui的幅值响应误差。由于校验系统校验时的信号为工频信号，处于低频段，因而采用本专利中的八倍率积分器可有效较低积分误差。

为了提高校验系统软件平台的数据分析精度，数据处理算法采用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积的加窗FFT算法。利用该算法首先对读取到的数字信号加卷积窗处理，分析其时域特性；再对加窗后的函数进行FFT计算，分析频域特性(幅频、相位等)；最后计算比差、相位差以及谐波分量等电气参数。

混合卷积窗为若干个不同的余弦窗进行时域卷积运算得到的结果，其余弦窗的时域表达式为：

式中，a_m为窗函数系数；P为窗函数的项数。

一阶混合卷积窗由两个余弦窗卷积得到，即

ω_1-BH(n₁)＝ω_B(n)*ω_H(n)

式中，n₁＝0,1,…,M₁-1，M₁为卷积后一阶混合卷积窗窗长。

高阶卷积窗由多个混合卷积窗进行多次混合卷积而成，即

ω_x-BH(n_x)＝ω_x-BH(n₁)*ω_x-BH(n₁)*...*ω_x-BH(n₁)

式中，为x阶混合卷积窗。

混合卷积窗的主瓣宽度与参与卷积的窗函数中主瓣最窄的窗函数相同，旁瓣衰减速率为参与卷积窗函数的旁瓣衰减速率之和，旁瓣峰值为参与卷积的窗函数的旁瓣峰值之和，即混合卷积窗旁瓣衰减的更快，旁瓣峰值更低，因而，可实现最大程度地降低因频谱泄漏造成的误差，提高数据的分析精度。为证明本发明所采用的64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法的准确度，与其他卷积窗函数进行了对比，设定采样频率6.4kHz，采样数为1024，对信号分别加Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗以及混合卷积窗进行仿真，其比差、角差如表1、表2所示。

表1谐波测试比差

表2谐波测试角差

由结果可得：与传统的加窗FFT算法相比，本专利提出的64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法，可显著降低各次谐波信号的计算误差，提高系统的测量精度。

为验证校验系统的整体性能，对其进行了频率波动测试，将功率因数设置为1，初始相位设置为0，采样数为1024，当电网频率在49.5～50.5Hz间变化时，系统的比差和角差如表3所示。

表3频率波动时系统误差测试

结果表明：当频率在49.5Hz～50.5Hz间变化时，本发明中的在线校验系统比差为0.01％，角差为0.5′，满足校验系统准确度要求。

如图5、6所示，采用准确度等级更高的标准互感器对该互感器校验系统进行校准。结果表明：本发明所提供的电压电流互感器在线校验系统满足0.05级准确度要求。

本发明一种电压电流互感器在线校验系统，采用八倍率数字积分器进行Rogowski线圈输出信号的积分还原，可有效提高积分环节的准确度。数据处理算法采用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积加窗FFT算法，可有效降低各次谐波信号的计算误差，提高系统的测量精度。系统可同时实现对运行中的电压电流互感器进行在线校验，使用一套采集传输单元和主控制模块即可实现，大大节省了设备投入，简化了系统复杂程度。

加窗函数为64项的离散Hamming窗与128项的离散Blackman窗卷积，其主瓣宽度(π/16)等于参与卷积的窗函数中主瓣最窄的窗，旁瓣衰减速率为参与卷积窗函数的旁瓣衰减速率之和，旁瓣峰值也为参与卷积的窗函数的旁瓣峰值之和，相比于传统的单个Blackman窗、Hamming窗，该算法旁瓣衰减的更快，旁瓣峰值更低，可实现最大程度地降低因频谱泄漏造成的误差，提高数据的分析精度。

数字积分算法采用八倍率数字积分器，其积分函数为：由于z的指数-0.047为非整数，对该非整数指数利用FIR滤波法近似。结果表明，该数字积分算法对于50Hz的工频校验而言，相对于传统Al-Alaoui算法，精度更高。

Claims (9)

1.一种电压电流互感器在线校验系统，包括标准互感器(1)、被校互感器(2)、PC机(3)，其特征在于：所述标准互感器(1)包括一次传感单元(4)、采集传输单元(5)、主控制模块(6)；一次传感单元(4)连接采集传输单元(5)，采集传输单元(6)连接主控制模块(6)，主控制模块(6)连接PC机(3)；一次传感单元(4)输出的电压或电流信号经屏蔽电缆传输给低压侧的采集传输单元(5)进行信号处理，其输出信号经第一光纤(9)传送给主控制模块(6)，进行组帧处理后作为标准信号传输给PC机(3)；

所述被校互感器(2)包括互感器(7)、采集器(8)、第二光纤(9’)、合并单元(10)；互感器(7)连接采集器(8)，采集器(8)通过第二光纤(9’)连接合并单元(10)；被校互感器(2)输出的信号经由合并单元(10)上传至网卡，然后由网卡上传至PC机(3)。

2.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：所述一次传感单元(4)包括电流传感单元、电压传感单元，其中电流传感单元采用Rogowski线圈，电压传感采用电容分压器构成，一次传感单元(4)能够同时实现电压和电流的测量。

3.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：所述采集传输单元(5)采用NI USB-6289多功能USB数据采集卡，内部含有高精度的A/D转换器。

4.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：所述主控制模块(6)采用FPGA，FPGA通过串口读取A/D转换器输出的数据，并将采集到的数据经UART模块上传给HFBR-1414光纤发射器进行协议转换后，发送给PC机(3)进行处理。

5.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：所述PC机(3)含有基于LabVIEW的虚拟校验平台，PC机(3)中校验系统软件平台的数字信号处理采用基于64项Hamming与128项Blackman混合卷积加窗FFT算法。

6.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：加窗函数为64项的离散Hamming窗与128项的离散Blackman窗卷积，其主瓣宽度π/16等于参与卷积的窗函数中主瓣最窄的窗，旁瓣衰减速率为参与卷积窗函数的旁瓣衰减速率之和，旁瓣峰值也为参与卷积的窗函数的旁瓣峰值之和。

7.根据权利要求1所述一种电压电流互感器在线校验系统，其特征在于：数字积分算法采用八倍率数字积分器，其积分函数为：由于z的指数-0.047为非整数，对该非整数指数利用FIR滤波法近似。

8.一种电压电流互感器在线校验方法，其特征在于：校验系统软件平台由LabVIEW软件开发而成，由前面板和软件程序组成，用于实现PC机与NI USB-6289、DSK321STD等各模块的串行通信、数字积分以及对误差计算；其中，PC机与主控制模块等的串行通信，通过LabVIEW调用VISA库函数并配置不同的设备参数，实现对各模块串行接口的编程控制；数字积分模块通过采用改进的数字积分算法，与传统的矩形积分、Simpson积分等相比，其幅频特性与相频特性更加接近理想积分器；误差计算采用加混合卷积窗的FFT算法；

数字积分模块用于对电流传感单元Rogowski线圈的输出微分信号进行积分还原，为提高积分精度，采用八倍率数字积分器，其积分函数为：

其中z复频域变换；由于z的指数-0.047为非整数，为实现运算，采用如下方式：

将一个完全的D延迟近似为(D即为z的非整数指数)：

其中L为近似的阶数，且(L-1)/2≤D≤(L+1)/2；

此外，一个D全延迟也可表示为D＝N+d，这里的N为延迟的整数部分，d为延迟的分数部分；该延迟的整数部分需要增加阶数L从而使其与分数延迟更接近；然而，通过这样的转换后，相角响应就不再是-90°；为了解决这个问题，即只取延迟的分数部分d，我们将积分器传递函数中的z^-N-d用z^-N-d/z^-N代替；其中z^-N-d用式(1)来近似；

将式(1)中的延迟积分器用FIR滤波法近似；其中N＝5，L＝10，d＝0.5，在低频段，采用的八倍率数字积分器的幅值响应误差远远小于传统Al-Alaoui的幅值响应误差。

9.一种电压电流互感器在线校验方法，其特征在于：数据处理算法采用基于64项Hamming窗与128项Blackman窗混合卷积的加窗FFT算法；利用该算法首先对读取到的数字信号加卷积窗处理，分析其时域特性；再对加窗后的函数进行FFT计算，分析频域特性：幅频、相位；最后计算比差、相位差以及谐波分量等电气参数；

混合卷积窗为若干个不同的余弦窗进行时域卷积运算得到的结果，其余弦窗的时域表达式为：

式中，a_m为窗函数系数；P为窗函数的项数；

一阶混合卷积窗由两个余弦窗卷积得到，即：

ω_1-BH(n₁)＝ω_B(n)*ω_H(n)

式中，n₁＝0,1,…,M₁-1，M₁为卷积后一阶混合卷积窗窗长；

高阶卷积窗由多个混合卷积窗进行多次混合卷积而成，即

ω_x-BH(n_x)＝ω_x-BH(n₁)*ω_x-BH(n₁)*...*ω_x-BH(n₁)

式中，为x阶混合卷积窗；

混合卷积窗的主瓣宽度与参与卷积的窗函数中主瓣最窄的窗函数相同，旁瓣衰减速率为参与卷积窗函数的旁瓣衰减速率之和，旁瓣峰值为参与卷积的窗函数的旁瓣峰值之和，即混合卷积窗旁瓣衰减的更快，旁瓣峰值更低。