CN113504467A - 一种高精度波形反演系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高精度波形反演系统，该系统包括一次电压电流功率源，一次信号驱动器，录波仪；其中，一次电压电流功率源的信号输出端与一次信号驱动器的信号输入端连接，一次信号驱动器的输出端与录波仪的信号输入端连接，录波仪的信号反馈端与一次电压电流功率源连接。本发明的优点：本发明针对目前单相接地故障功能测试存在手段单一、自动化水平低的问题，进行故障波形反演系统硬件设计，保证了反演波形高精度，可便捷地针对一二次融合智能开关开展单相接地故障处理的功能测试。

Description

一种高精度波形反演系统

技术领域

本发明涉及一种高精度波形反演系统，尤其适用于一次侧的故障波形反演，属于配电设备技术领域。

背景技术

馈线自动化(Feeder Automation，简称FA)是配电自动化的重要组成部分，它是指当配电网故障发生后，系统根据配电自动化终端监测到的数据进行故障诊断、故障定位、自动隔离和恢复健全区域供电，从而达到缩短故障停电时间和缩小故障停电范围的目的；但长期以来配电终端的正确动作率不容乐观，不正确动作的原因主要有：硬件存在缺陷，保护原理、动作策略存在局限性，配置不合理，运行环境恶劣(干扰严重)；这促使业界不断提出新的硬件结构、保护原理和动作策略，以改善配电终端硬件的可靠性、保护的全面性、配置的灵活性和面对干扰的鲁棒性；但当新的结构、原理和策略被提出后，如何检验评估其有效性并非易事；因配电终端经受电力系统异常或故障考验的机会少，且在运行中不允许对其进行在线检测，这使故障波形反演测试技术应运而生；目前的波形反演测试系统具有以下问题：

1.目前市面上的波形反演测试系统多数是基于功率源的二次侧故障波形反演，难度不大，也很成熟；但一次侧的故障波形反演需要高电压(>10kV)、大电流(720A)，高精度(0.1％)，传统升流器无法精确控制电流大小、相位，技术难度很大，因此应用较少；

2.目前市面上的波形反演测试系统，自动化水平较低，以手动测试为主，无法真正意义上实现闭环测试，且单相接地故障功能测试仍停留在使用RTDS仿真波形,无法使用现场一次故障波形，因此对于提高一二次融合智能开关故障动作正确率作用不大。

发明内容

本发明提出的是一种高精度波形反演系统，其目的旨在解决高电压、大电流波形的高精度反演问题。

本发明的技术解决方案：一种高精度波形反演系统，该系统包括一次电压电流功率源，一次信号驱动器，录波仪；其中，一次电压电流功率源的信号输出端与一次信号驱动器的信号输入端连接，一次信号驱动器的输出端与录波仪的信号输入端连接，录波仪的信号反馈端与一次电压电流功率源连接。

进一步地，所述高精度波形反演系统还包括波形反演系统控制软件，所述波形反演系统控制软件安装在工作站上，波形反演系统控制软件通过以太网与一次电压电流功率源相连接。

进一步地，所述一次电压电流功率源包括一次电压功率源，一次电流功率源，DA转换器；一次电压功率源和一次电流功率源输出电压和电流，现场一次故障波形形成数字信号并传输给DA转换器，通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给一次信号驱动器。

进一步地，所述高精度波形反演系统还包括功率放大器，所述通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给功率放大器，经功率放大器后再传输给一次信号驱动器。

进一步地，所述一次信号驱动器优选为升压升流器；所述升压升流器包括升压器和升流器。

进一步地，所述录波仪内置有校准装置，所述校准装置包括宽频直流模块、精密电阻、电压采样及增益模块、分压模块、数模采样模块；通过校准装置分别对一次电流功率源进行校准和对一次电压功率源进行校准。

进一步地，所述对一次电流功率源进行校准，具体校准流程包括：

1)被检测一次电流功率源输出的大电流I₁经过宽频直流模块转换成小电流I₂；

2)小电流I₂经过精密电阻电路后得到第一电压U₂；第一电压U₂经过电压采样及增益模块后得到第二电压U₃；

3)然后将第二电压U₃传输到数模采样模块中得到测量电流，将测量电流与设定波形中的电流进行比较；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内，则认为一次电压电流功率源的输出信号与设定波形一致；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值超过可接受范围，则将第二电压U₃通过分压模块得到最终电压值U₁，接着利用最终电压值U₁得到最终检定电阻的电阻值R₁；

4)将得到的最终检定电阻的电阻值R₁反馈给一次电流功率源，对一次电流功率源的输出电流值就行校准，直至数模采样模块中得到的测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内为止。

进一步地，所述数模采样模块中有转换电阻，通过转换电阻将第二电压U₃转化为测量电流；所述转换电阻优选为一个具有固定阻值的电阻。

进一步地，所述宽频直流模块变比具体通过公式(1)求出：

公式(1)中I₁为被检测一次电流功率源产生的大电流，K为宽频直流模块变比；所述宽频直流模块优选为宽频直流比较仪。

进一步地，所述第一电压U₂具体通过公式(2)求出：

公式(2)中R为精密电阻的阻值。

进一步地，所述第二电压U₃具体通过公式(3)求出：

公式(3)中K₁为U₂经过电压采样及增益模块的电压信号放大比例系数。

进一步地，所述最终电压值U₁具体通过公式(4)求出：

公式(4)中K₂为U₃经过分压模块由控制器设定的放大比例系数。

进一步地，所述最终检定电阻的电阻值R₁具体通过公式(5)求出：

本发明的优点：

本发明针对目前单相接地故障功能测试存在手段单一、自动化水平低的问题，进行故障波形反演系统硬件设计，保证了反演波形高精度，可便捷地针对一二次融合智能开关开展单相接地故障处理的功能测试。

附图说明

附图1是高精度波形反演系统的整体示意图。

附图2是高精度波形反演系统硬件设计架构示意图。

附图3是电流升流原理简图。

附图4是录波仪内置的校准装置架构图。

附图5是本发明中故障波形输出处理过程示意图。

具体实施方式

一种高精度波形反演系统，该系统包括一次电压电流功率源，一次信号驱动器，录波仪；其中，一次电压电流功率源的信号输出端与一次信号驱动器的信号输入端连接，一次信号驱动器的输出端与录波仪的信号输入端连接，录波仪的信号反馈端与一次电压电流功率源连接。

所述高精度波形反演系统还包括波形反演系统控制软件，所述波形反演系统控制软件安装在工作站上，波形反演系统控制软件通过以太网与一次电压电流功率源相连接；工作时，工作站上的波形反演系统控制软件根据设定波形将指令下发给一次电压电流功率源，一次电压电流功率源将数字信号的现场一次故障波形转换成模拟信号作为输出信号输出给功率放大器，经功率放大器后再传输给一次信号驱动器得到初步的输出波形；为保证输出波形与设定波形一致，本发明采用录波仪进行高精度高速实时回采，经过几个周波的计算将初步输出波形跟设定波形进行误差比对，然后反馈给一次电压电流功率源对输出信号进行修正，最终确保输出信号与设定波形的一致性。

所述一次电压电流功率源包括一次电压功率源，一次电流功率源，DA转换器；一次电压功率源和一次电流功率源输出电压和电流，现场一次故障波形形成数字信号并传输给DA转换器，通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给一次信号驱动器；所述一次电压功率源和一次电流功率源的输出波形路数为6路(三相电压、三相电流)，可完整地描述一个故障状态，其中，一次电压功率源的优选型号为FTT100-C56，一次电流功率源的优选型号为FTT100-C57。

所述高精度波形反演系统还包括功率放大器，所述通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给功率放大器，经功率放大器后再传输给一次信号驱动器。

所述一次信号驱动器优选为升压升流器；所述升压升流器包括升压器和升流器；其中，升压器的优选型号为JDZ8-10 10/0.22KV 30VA 0.2级，升流器的优选型号为DV 85/195-110；通过信一次信号驱动器可反演现场一次故障波形，其输出能力最大可达电压12kV、电流1000A。

所述升流器位于升流回路上，升流回路通过升流CT阻抗传递方式，把负载侧阻抗传递到电流功率源侧，一次电流功率源侧电流输出采用电流反馈方式，通过快速响应的自动反馈控制电路，驱动大电流MOS管(功率放大器)产生非线性电压驱动负载回路得到高精度大电流；待测负载不同时，负载特性在通过升压器传递到功率源侧时，变压器传递过程中的非线性会对输出精度造成影响，负载特性的差异性将会导致微小精度差值偏差，波形反演系统第一次输出时，经过几个周波会根据负载的特性进行输出修正，并将该补偿系数保存到RAM内存当中，当第二次输出时，直接套用该补偿参数，启动输出即具备精度。

所述录波仪内置有校准装置，所述校准装置包括宽频直流模块、精密电阻、电压采样及增益模块、分压模块、数模采样模块；通过校准装置分别对一次电流功率源进行校准和对一次电压功率源进行校准。

所述对一次电流功率源进行校准，具体校准流程包括：

1)被检测一次电流功率源输出的大电流I₁经过宽频直流模块转换成小电流I₂；

2)小电流I₂经过精密电阻电路后得到第一电压U₂；第一电压U₂经过电压采样及增益模块后得到第二电压U₃；

3)然后将第二电压U₃传输到数模采样模块中得到测量电流，将测量电流与设定波形中的电流进行比较；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内，则认为一次电压电流功率源的输出信号与设定波形一致；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值超过可接受范围，则将第二电压U₃通过分压模块得到最终电压值U₁，接着利用最终电压值U₁得到最终检定电阻的电阻值R₁；

4)将得到的最终检定电阻的电阻值R₁反馈给一次电流功率源，对一次电流功率源的输出电流值就行校准，直至数模采样模块中得到的测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内为止。

所述数模采样模块中有转换电阻，通过转换电阻将第二电压U₃转化为测量电流；所述转换电阻优选为一个具有固定阻值的电阻。

所述接受范围优选为测量电流与设定电流相比差值≤0.1％；实现高精度波形反演系统进行高精度实时回采，最终确保一次电压电流功率源的输出信号与设定波形的一致性；一次电压功率源校准与一次电流源校准原理基本相同，仅校准装置架构略有不同，一次电压功率源校准装置需在宽频直流模块前加装一固定阻值的精密电阻，将一次电压源输出电压信号转为电流信号，后续架构均与一次电流源校准装置相同。

本发明高精度波形反演系统中的精密电阻值R是固定的，宽频直流模块变比与信号放大比例系数分别表示为K、K₁，二者也是保持不变的，因此只需要根据分压比K₂值，即能够对检定电阻阻值进行合理地设置，就可以对一次电流源输出电流值就行校准。

所述宽频直流模块变比具体通过公式(1)求出：

公式(1)中I₁为被检测一次电流功率源产生的大电流，K为宽频直流模块变比；所述宽频直流模块优选为宽频直流比较仪。

所述第一电压U₂具体通过公式(2)求出：

公式(2)中R为精密电阻的阻值。

所述第二电压U₃具体通过公式(3)求出：

公式(3)中K₁为U₂经过电压采样及增益模块的电压信号放大比例系数。

所述最终电压值U₁具体通过公式(4)求出：

公式(4)中K₂为U₃经过分压模块由控制器设定的放大比例系数。

所述最终检定电阻的电阻值R₁具体通过公式(5)求出：

所述高精度波形反演系统预置短路、接地和防误动等故障场景，验证一二次融合智能开关(BJZX-ZW32-12JG/630-20)故障研判、处理功能、性能，用于验证单台设备的故障处理能力。

所述一次电压电流功率源输出电压/电流的带宽设计时应留有足够裕量；故障过程高压线路会产生衰减的直流分量，一次电压电流功率源须能输出直流量才能重现含有直流分量的故障波形，故输出电压/电流的最低频率应为0Hz，且功率放大器输出端须直接耦合，不允许用变压器耦合；故障初期高次谐波频率可达几千赫兹，故又要求一次电压电流功率源的输出电压/电流的频率至少能达到几千赫兹，本发明频率设计范围为0～3000Hz。

本发明中波形反演系统分别以工控机、MCU/DSP作为上、下位控制核心，工作站从外部存储器接收故障波形数据并存于硬盘上，在波形反演系统控制软件控制下，工作站通过以太网接口将故障波形数据传送给一次电压电流功率源MCU/DSP并存于RAM中，作站将启动命令转发给一次电压电流功率源，一次电压电流功率源根据命令将数字信号转换为低电压/电流模拟信号。

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1

如图1-图5所示，一种高精度波形反演系统硬件设计，该设计为：波形反演系统控制软件安装在工作站上，通过以太网与一次电压电流功率源相连接；工作站控制波形反演控制软件下发现场一次故障波形至一次电压电流功率源，一次电压电流功率源将数字信号转换成模拟信号输出，经功率放大器得到一次故障波形；为保证输出波形与设定波形一致，本实施例采用高精度录波仪进行高精度高速实时回采，经过几个周波的计算将实际输出波形跟设定波形进行误差比对，然后对输出信号进行修正，确保了输出信号与设定信号的一致性。

优选的，上述电压电流功率源包括电压功率源和电流功率源，输出波形路数为6路(三相电压、三相电流)，可完整地描述一个故障状态。

优选的，上述一次电压电流功率源将模拟信号转换为数字信号，通过升压升流装置可反演现场一次故障波形，其输出能力最大可达电压12kV、电流1000A。

电压升压原理(以A相为例)：采用10/0.22kV升压PT，将一次电压功率源输出的电压信号Uan接入低压侧，高压侧输出电压为10/0.22*Uan(kV)，当低压侧输入220V，高压侧输出可达到10kV。

电流升流原理(以A相为例)：采用1000/5A升流CT，将一次电流功率源输出的电流信号Ian接入低压侧，高压侧输出电流为1000/5*Ian(A)，当低压侧输入3A，高压侧输出可达到600A。

优选的，上述升流回路通过升流CT阻抗传递方式，把负载侧阻抗传递到电流功率源侧，电流功率源侧电流输出采用电流反馈方式，通过快速响应的自动反馈控制电路，驱动大电流MOS管(功率放大器)产生非线性电压驱动负载回路得到高精度大电流。

优选的，上述升压回路当负载不同时，负载特性在通过变压器传递到信号功率源侧时，变压器传递过程中的非线性会对输出精度造成影响，负载特性的差异性将会导致微小精度差值偏差，波形反演系统第一次输出时，经过几个周波会根据负载的特性进行输出修正，并将该补偿系数保存到RAM内存当中，当第二次输出时，直接套用该补偿参数，启动输出即具备精度。

优选的，上述一次电压、电流功率源输出电压/电流的带宽设计时应留有足够裕量。故障过程高压线路会产生衰减的直流分量，一次电压、电流功率源须能输出直流量才能重现含有直流分量的故障波形，故输出电压/电流的最低频率应为0Hz，且功率放大器输出端须直接耦合，不允许用变压器耦合，故障初期高次谐波频率可达几千赫兹，故又要求输出电压/电流的频率至少能达到几千赫兹，本申请频率设计范围为0～3000Hz。

优选的，上述波形反演系统分别以工控机、MCU/DSP作为上、下位控制核心，工作站从外部存储器接收故障波形数据并存于硬盘上，在波形反演系统控制软件控制下，工作站通过以太网接口将故障波形数据传送给一次电压电流功率源MCU/DSP并存于RAM中，工作站将启动命令转发给一次电压电流功率源，一次电压电流功率源根据命令将数字信号转换为低电压/电流模拟信号。

优选的，上述波形故障反演系统预置短路、接地和防误动等故障场景，验证一二次融合智能开关(BJZX-ZW32-12JG/630-20)故障研判、处理功能、性能，用于验证单台设备的故障处理能力。

本实施例中的故障波形输出处理过程如图5所示，具体过程如下：

1)波形反演控制软件载入需要反演的故障波形文件；

2)通过网络接口将该波形文件数据发送到一次电压、电流功率信号源主处理器；

3)主处理器根据数据内容所示通道通过内部总线分发到对应通道子处理器的内存空间中；

4)通道处理器根据启动信号将波形数据送往DA转换器，输出模拟信号；

5)模拟信号经功率放大后输出；

6)经功率放大后输出的信号经升压升流器转换成10kV侧信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高精度波形反演系统，其特征是包括一次电压电流功率源，一次信号驱动器，录波仪；其中，一次电压电流功率源的信号输出端与一次信号驱动器的信号输入端连接，一次信号驱动器的输出端与录波仪的信号输入端连接，录波仪的信号反馈端与一次电压电流功率源连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述一次电压电流功率源包括一次电压功率源，一次电流功率源，DA转换器；一次电压功率源和一次电流功率源输出电压和电流，现场一次故障波形形成数字信号并传输给DA转换器，通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给一次信号驱动器。

3.根据权利要求2所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述高精度波形反演系统还包括功率放大器，所述通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号作为输出信号输出给功率放大器，经功率放大器后再传输给一次信号驱动器；所述一次信号驱动器为升压升流器；所述升压升流器包括升压器和升流器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述录波仪内置有校准装置，所述校准装置包括宽频直流模块、精密电阻、电压采样及增益模块、分压模块、数模采样模块；通过校准装置分别对一次电流功率源进行校准和对一次电压功率源进行校准。

5.根据权利要求4所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述对一次电流功率源进行校准，具体校准流程包括：

1)被检测一次电流功率源输出的大电流I₁经过宽频直流模块转换成小电流I₂；

2)小电流I₂经过精密电阻电路后得到第一电压U₂；第一电压U₂经过电压采样及增益模块后得到第二电压U₃；

3)然后将第二电压U₃传输到数模采样模块中得到测量电流，将测量电流与设定波形中的电流进行比较；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内，则认为一次电压电流功率源的输出信号与设定波形一致；如果测量电流与设定波形中的电流相比差值超过可接受范围，则将第二电压U₃通过分压模块得到最终电压值U₁，接着利用最终电压值U₁得到最终检定电阻的电阻值R₁；

4)将得到的最终检定电阻的电阻值R₁反馈给一次电流功率源，对一次电流功率源的输出电流值就行校准，直至数模采样模块中得到的测量电流与设定波形中的电流相比差值在可接受范围内为止。

6.根据权利要求5所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述宽频直流模块变比具体通过公式(1)求出：

公式(1)中I₁为被检测一次电流功率源产生的大电流，K为宽频直流模块变比。

7.根据权利要求6所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述第一电压U₂具体通过公式(2)求出：

公式(2)中R为精密电阻的阻值。

8.根据权利要求7所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述第二电压U₃具体通过公式(3)求出：

公式(3)中K₁为U₂经过电压采样及增益模块的电压信号放大比例系数。

9.根据权利要求8所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述最终电压值U₁具体通过公式(4)求出：

公式(4)中K₂为U₃经过分压模块由控制器设定的放大比例系数。

10.根据权利要求9所述的一种高精度波形反演系统，其特征是所述最终检定电阻的电阻值R₁具体通过公式(5)求出：

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