陳建波

（山西省機電設(shè)計研究院，山西太原 030009）

隨著國家智能電網(wǎng)十二五規(guī)劃的出臺及特高壓、超高壓輸電技術(shù)、數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，作為電力系統(tǒng)最重要的高壓設(shè)備之一，用于繼電保護、系統(tǒng)監(jiān)測、電力系統(tǒng)分析等作用的電磁式互感器，基于自身絕緣復(fù)雜、磁飽和、鐵磁諧振、易燃易爆、動態(tài)范圍小、頻帶窄等缺點，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展需求。取而代之的數(shù)字式互感器正在以更安全、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點陸續(xù)在國內(nèi)外高壓、超高壓乃至特高壓智能變電站中推廣應(yīng)用，為電網(wǎng)智能化保護控制起到了至關(guān)重要的作用。保證互感器穩(wěn)定可靠安全運行就顯得特別重要。作為測量互感器誤差的儀器互感器校驗儀，是電力、計量檢測部門檢定互感器不可缺少的設(shè)備。傳統(tǒng)電工式互感器校驗儀采用了補償式零值平衡法，亦即用手動調(diào)盤的方式，控制校驗儀內(nèi)部微差源產(chǎn)生矢量去補償、抵消，由被測互感器和標準互感器之間差值產(chǎn)生矢量，從而得到被測互感器的誤差。電工式互感器校驗儀工作性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，但精度較低，操作繁瑣，不支持自動化測量。數(shù)字式互感器校驗儀主要采用矢量分解法，亦即校驗儀直接采集被測互感器和標準互感器之間差值電壓或差值電流，進行矢量分解、計算，從而得到被測互感器的誤差。自動化程度高，操作簡單，很容易智能化。

1 校驗系統(tǒng)原理

電子式互感器輸出為數(shù)字信號或小電壓信號，故不能用電工式測差法對其校驗，而需采用直接比較法，即通過比較標準互感器與被測互感器頻域中的基波分量有效值與相位實現(xiàn)。

1.1 電子式電流互感器校驗原理

以標準電磁式電流互感器輸出信號為基準，一次側(cè)與被測電子式電流互感器串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸出電流的大小。24位A/D采集卡（PCI-4474）采集標準電磁式電流互感器二次側(cè)輸出信號，低壓側(cè)的合并單元接收二次側(cè)的電子式電流互感器輸出的電流信號。由工控機提供時鐘同步信號對兩者同步采樣，并經(jīng)數(shù)字濾波、DFT運算等得出電子式電流互感器比值誤差和相位誤差。

電子式電流互感器檢定裝置原理框圖如圖1所示。

1.2 電壓互感器校驗原理

電子式電壓互感器校驗原理與電子式電流互感器校驗原理類似，不同的是一次側(cè)被測電子式電壓互感器與標準電磁式電壓互感器并聯(lián)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸出電壓的大小。標準PT的二次側(cè)接標準電壓互感器100V（100/3 V）/1.5V并送入24位A/D采集卡（PCI-4474）。

圖1 電子式電流互感器校驗原理圖

電子式電壓互感器檢定裝置原理框圖如圖2所示。

圖2 電子式電壓互感器校驗原理圖

2 系統(tǒng)組成

2.1 標準互感器

使用標準互感器的目的是為校驗系統(tǒng)提供標準輸出信號，且必須可溯源。其精度要比被測互感器精度高兩個等級以上，如校驗0.2級互感器，精度須達萬分之一，提高系統(tǒng)測量準確度。

2.2 標準A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在其通道數(shù)目，輸入范圍、輸入方式等各項技術(shù)指標中，最重要的參數(shù)是采樣率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，故此最初設(shè)計時我們選用Agilent3458A數(shù)字多用表，其優(yōu)點是測量精度高，在速度與精度上可長期滿足科研開發(fā)性能要求，且可溯源，缺點是價格較貴，體積較大。

為降低成本，利于產(chǎn)品推廣，我們選用PCI-4462高精度數(shù)據(jù)采集卡代替3458A數(shù)字多用表，其優(yōu)點是價格便宜，體積較小，缺點是采集卡不能溯源。測試小信號時其超強抗干擾能力使其優(yōu)勢更加突出，同時該卡和LabⅥEW軟件均由NI公司生產(chǎn)，兩者高度兼容，縮短了開發(fā)過程，加快了研發(fā)進度，同時可提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.3 合并單元

遵循IEC61850標準的合并單元是電子式互感器的接口裝置。合并單元在一定程度上實現(xiàn)了過程層數(shù)據(jù)的共享和數(shù)字化，可進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，通過以太網(wǎng)絡(luò)接口控制器發(fā)送信息。采用外同步觸發(fā)方式。

合并單元主要硬件介紹:

（1）網(wǎng)絡(luò)接口控制器采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議以太網(wǎng)控制器，速率為10Mbps，自動檢測所連接的介質(zhì)，跳線模式、pnp模式和RT模式三種接口模式，符合IEEE802.3協(xié)議;內(nèi)置16 kB的SDRAM，支持8位或16位數(shù)據(jù)總線。

（2）DSP芯片DSP采用的是TI公司的16-bit定點DSP TMS320F206，控制A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波處理，運算速度40MIPS，改進型哈佛結(jié)構(gòu)，有1條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線，流水線操作，有高度并行32-bit算術(shù)邏輯單元、16*16-bit并行硬件乘法器、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集，從而使該芯片速度高、操作靈活。具有超強抗干擾能力、數(shù)據(jù)處理能力，且能耗較低，價格便宜。

2.4 取樣電阻

將電流互感器二次電流變成電壓信號，萬分之一精度。

2.5 待檢電子式互感器

經(jīng)合并單元的二次輸出應(yīng)符合IEC60044.8通訊要求。

2.6 工控機

工業(yè)級系統(tǒng)計算機，通過通信規(guī)約為IEEE488.2的PCI-GPIB卡與標準A/D轉(zhuǎn)換器相連。

2.7 上位機軟件

虛擬儀器技術(shù)人機界面的LabVIEW軟件是NI公司2008年8月新推出的最新軟件;圖形化編程語言（G語言）;內(nèi)建的編譯器;采用數(shù)據(jù)流模型，自動實現(xiàn)的多線程;輕松調(diào)用DLL、CIN 節(jié)點、ActiveX、.NET或 MATLAB腳本節(jié)點;內(nèi)建600多個分析函數(shù)、用于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理;方便的子VI程序設(shè)計。在此軟件基礎(chǔ)上開發(fā)出的虛擬儀器，通過計算采集到的標準信號與被測信號，得到校驗結(jié)果。軟件界面顯示實時測量波形，及比差、角差等檢定參數(shù)，還可顯示MU的相關(guān)信息（如ASDU個數(shù)等），并自動生成檢定報告和數(shù)據(jù)報表。除比差、角差外，還可記錄頻率、比率、頻差以及相關(guān)統(tǒng)計量等，便于更加系統(tǒng)和綜合地分析互感器性能。

3 數(shù)字算法

上位機分別讀取數(shù)表和合并單元的數(shù)據(jù)，然后通過離散傅立葉變換計算比差和角差:

式中:ip——一次電流;

式中:Krd——額定變比。

相位誤差:

當然，由于電網(wǎng)頻率在波動，信號計算、處理、傳輸都有延時，現(xiàn)場干擾又大，因此要準確計算出比差和角差并非易事。

is——二次數(shù)字輸出;

n——數(shù)據(jù)組計數(shù)器的計數(shù);

tn——一次電流的第n次數(shù)據(jù)組被抽樣的時刻;k——累加周期數(shù);

Ts——兩次采樣之間的時間間隔。

額定頻率下比值誤差用f1時的傅立葉變換系數(shù)來計算:

4 試驗測試

為測試校驗系統(tǒng)的正確性，用標準信號源提供信號，經(jīng)實驗室測量比差及角差，證實其精度優(yōu)于5/10 000，能對0.2級及以下數(shù)字輸出電子式互感器進行檢定。同時根據(jù)電子式互感器校驗系統(tǒng)測試方法，對0.2級電流、電壓互感器進行現(xiàn)場實地校驗，校驗通道C相，結(jié)果如下:

4.1 電子式電流互感器

制造廠:南京南瑞繼保電氣有限公司;型號:PCS-9250-EAC-35-2000;額定一次電流:2000A;方式:數(shù)字式;準確級:0.2S;合并單元:PSMU602。C相電流測試結(jié)果見表1。

表1 C相電流測試結(jié)果

4.2 電子式電壓互感器

制造廠:江蘇西電南自智能電力設(shè)備有限公司;型號:PSET6330VTGS;額定一次電壓:330000/√3V;二次輸出標準:IEC61850-9-2-2004;二次輸出準確級:0.2/3P;合并單元:PSMU602。C相電壓測試結(jié)果見表2。

表2 C相電壓測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，上述兩類電子式互感器均達到0.2級精度。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)多地多次現(xiàn)場實際運行，性能穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)IEC61850-9-1及IEC61850-9-2標準，精度可達5/10000，能兼顧對0.2級及以下模擬輸出及數(shù)字輸出的電子式電流、電壓互感器校驗進行檢定，為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行起到關(guān)鍵性作用。

［1］劉延冰.電子式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［2］羅承淋.電子式互感器互數(shù)字化變電站［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［3］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計［M］.北京:電子工程出版社，2003.