《电工技术》期刊精选——电子式互感器的校准方案及在数字化变电站的应用

geros 2016-10-28

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电子式互感器的校准方案及在数字化变电站的应用

张喜

（重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123）

[摘要] 在电子式互感器校准原理和算法的研究基础上，提出了电子式互感器的校准方案。介绍了电子式互感器在重庆杉树变电站的数字化变电站中的应用，论证了其可行性。

关键词 电子式互感器校准数字化变电站

0 引言

互感器是为电力系统电能计量、测量、控制、保护提供电流/电压信号的重要设备，其精度与电力系统安全、稳定和经济性能的可靠性密切相关。传统电磁式互感器因具有绝缘结构复杂、体积大、成本高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小等缺点，已难以满足电力系统发展需求[1]；而新型电子式互感器结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、不饱和及易于数字信号传输，能顺应电力工程的发展需求[2]。随着GIS、HGIS的普及和特高压变电站的建设，电子式互感器在工程应用上的实践研究已显得尤其重要。更多资讯尽在中国电工网。

1 电子式互感器简介

电子式互感器是具有模拟量或数字量输出，供频率15～100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用的电流/电压互感器。模拟量输出信号主要用于变电站现有的模拟接口二次设备，是一种过渡形式；数字量输出信号符合电力系统继电保护设备数字化的发展方向，是变电站通信对电子式互感器的最终要求。然而，由于目前尚无输出接口的统一要求，因此电子式互感器是通过组合型的输出单元（如FPGA，DSP和ARM等）来实现信号的输出[3]。

目前，互感器校准仪有传统电工型、数显型、现场型和虚拟仪器4种。传统电工型互感器校准仪采用测差原理，将被测互感器与标准互感器之间的输出差异做外差检测的基础，其功能基本上由硬件实现，每个试验都需繁琐的手动平衡调节[4]；数显型校验仪是将标准互感器与被测互感器输出的差值信号分解成正交分量和同相分量的差分信号，从而得到被测互感器的比值差和相位差。由于电子式互感器一次侧和二次侧之间的绝缘效果好，不存在直接的磁接触，主要和次要信号类型可能与一次侧的次级输出电流/电压信号不一致，因此数显型校准仪不能用于电子式互感器校准。

由于带有多种输出形式的电子式互感器需要建立相应的校准系统[5]，同时电子式互感器校准尚无统一的标准，因而使得电子式互感器的校准成为当下研究热点。

2 电子式互感器的校准原理和算法

交流电参量的采样测量方法主要有直流和交流采样法。直流采样法软件设计简单，易于计算。但直流采样法存在以下问题：

（1）测量精度及稳定性差；

（2）整流电路参数调整困难，且受波形因素影响较大；

（3）工频电压/电流是通过测量平均值来求出有效值，当电路谐波含量不同时，平均值和有效值之间的关系将发生变化，从而影响计算结果。

因此，要获得高准确性，高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术[6]。交流采样法是根据抽样定理对信号频谱的2倍以上最高频率进行处理，这就需要硬件处理电路来提供高的采样速度和数据处理速度[7]。目前，数字信号处理器、高速微控制器和高速A/D转换器已被广泛使用，为交流采样法提供了强有力的硬件支持。

交流采样方法包括同步采样法、准同步采样法和非同步采样法[8]。同步采样法要求被测交流信号的周期T、采样的时间间隔Δt和一个周期内的采样点数N满足关系式T=N·Δt，常使用硬件或软件同步采样方法进行同步跟踪、同步采样，以减少同步误差。如果采样间隔不能实现补偿，或者采用信号周期的整数倍纠正偏差，则称为非同步采样，或准同步采样[9]。实践中，理想的同步采样是很难实现的[10]，数据采样通常采用非同步或准同步采样法，特别是在被测波形严重失真，采样时间信号频率波动和采样过程限制等技术方面缺失情况下。

3 电子式互感器的校准方案设计

电子式互感器分为电压互感器和电流互感器，其校准标准信号仍然由电磁式互感器提供。电子式互感器校准方法有两种：一种是被测互感器的数字输出经D/A转换，然后与标准电磁式互感器的输出比较；另一种是标准电磁式互感器的模拟输出经A/D转换，然后与被测的互感器的数字输出比较。

前一种方法易于实现，并与传统的互感器校准系统整合输出模拟量。但它存在以下问题：

（1）被测互感器时延（取样，A/D转换，数据处理，D/A转换）带来的相位偏差和互感器相移之和可能超出校准仪的测试范围；

（2）无法检测到被测互感器的数字输出信号是否符合标准要求；

（3）A/D转换和D/A转换带来的误差难以分离。

后一种方法不存在上述问题，且便于调整；校准程序参考IEC60O44-8，使用常用的数字校准方法；数据采集设备为标准的电磁式互感器和电子式互感器，通过软件计算电子式互感器谐波含量、输出信号振幅和相位等，精确度高。

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