电子・电路2010年第23卷第1期ElectronicSci1&Tech1/Jan115,2010
收稿日期:2009203211
作者简介:李伟(1984-),男,硕士研究生。研究方向:实时信号处理。齐红涛(1984-),男,硕士研究生。研究方向:
实时信号处理。苏涛(1967-),男,教授,博士生导师。研究方向:高速实时信号处理,快速算法,并行处理系统设计等。
电子式电流互感器数字校验仪设计李 伟,齐红涛,苏 涛(西安电子科技大学电子工程研究所,陕西西安 710071)摘 要 对电子式电流互感器进行校验,是确保其成功的重要环节。传统的电磁式互感器的校验仪已不能胜任电子式互感器的校验工作。文中介绍了一种新型的数字校验仪,它具有操作方便、便于携带、功能多样、升级灵活等优点。误差处理采用加窗插值DFT算法,大大提高了运算精度,满足了校验仪的精度要求。关键词 电子式电流互感器;校验仪;加窗插值DFT算法中图分类号 TM452 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2010)01-038-03
DesignoftheCalibratorfortheElectronicCurrentTransformerLiWei,QiHongtao,SuTao(SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity,Xiπan710071,China)Abstract Thecalibratingofelectroniccurrenttransformersisamajorfactorfortheirproperwork.However,conventionalelectromagnetictransformercalibratorsareincompetentforthejob.Thispaperintroducesanewtypeofdigitalcalibratorwiththeadvantagesofportability,versatility,simpleoperation,andeasyupgrading.WindowsandinterpolatedDFTalgorithmisadoptedtocomputethemeasurementerror,thusgreatlyimprovingthecomputingprecisiontomeettheaccuracyrequirementsofthecalibrator.Keywords electroniccurrenttransformer;calibrator;windowsandinterpolatedDFTalgorithm
由于电子式电流互感器的结构与校验方法与传统的电磁式电流互感器有很大不同,且大部分电子式互感器输出的是数字量,所以传统的电磁式互感器校验仪,已经不能胜任电子式电流互感器的校验工作。开发一种新的校验仪,以对电子式电流互感器输出进行校验。电子式电流互感器的输出,有模拟输出和数字输出两种方式。随着数字化变电站的发展,大多数电子式互感器都采用数字接口。这里介绍的校验仪,主要针对数字接口的电子式互感器。1 电子式电流互感器校验系统图1是数字输出的电子式电流互感器的校验系统框图,该系统主要包括:标准电流互感器、电子式电流互感器、数字校验仪和计算机。对于标准互感器的选择,在文献[1]中规定“在额定频率和被检电子式互感器被测量程范围内,标准互感器应比被检电子式互感器高两个准确度级别,其实际误差应不大于被检电子式互感器误差限值的1/5”。“标准器的变差应不大于标准器误差限值的1/5”。由于目前电子式电流互感器的精度不是很高,所以标准互感器一般仍选用电磁式互感器。
图1 电子式电流互感器数字输出校验回路标准电流互感器输出的一般是模拟电流信号,该电流信号在数字校验仪中转换成数字信号,数字校验仪同时接收电子式电流互感器发送的数字信号,并将
83李伟,等:电子式电流互感器数字校验仪设计电子・电路它们打包发送到计算机,在计算机中由校验仪信号处理软件对其进行处理。2 电子式电流互感器数字校验仪硬件电路设计 文中设计电子式电流互感器数字校验仪主要包括:模拟电流取样调理单元、A/D转换器、DSP处理器、USB接口单元等。数字校验仪的结构,如图2所示。图2 数字校验仪结构由于标准电流互感器的输出一般是0～1A或0～5A的电流信号,所以模拟电流取样调理单元的主要功能,是将该电流信号转换成符合A/D转换器采样要求的电压信号。该部分对取样电阻的温漂要求非常严格,以保证数字校验仪校验精度不受温度影响。调理电路必须是线性的,而且不能改变输入信号的相位。A/D转换器主要对调理后的模拟信号进行采样,将其转换成数字信号。为保证校验精度,文中设计的数字校验仪采用了16位并行A/D转换器AD8364。两路同步信号由校验仪中的DSP处理器产生,经过电/光转换器转换成光信号,分别发送到互感器和校验仪,再由光电转换器转换成电信号,用于互感器和校验仪同步采样,这样使两路同步信号之间的延迟误差达到最小。DSP处理器读取A/D转换器采集的标准信号,并对其进行修正,同时接收电子式电流互感器发送的测量数据,然后将标准信号和测量信号打包后经USB接口单元发送到计算机进行处理。校验仪与互感器接口按照文献[2]标准要求。3 电子式电流互感器数字校验仪软件设计数字校验仪信号处理软件的主要功能是在计算机中对接收的数据进行幅值、频率计算和误差分析,然后将计算结果显示出来,并根据用户选择,存储显示数据。图3是文中研制的数字校验仪的软件控制面板。
图3 数字校验仪控制面板接上标准互感器后,选择“数据校验”可以得到被测互感器的计量通道和保护通道的有效值、比差、角差及电流的基波频率等参数。在不接标准互感器时,选择“波形显示”可以得到计量和保护通道的有效值,并可以实时观察两个通道的电流波形。用户还可以根据需要选择不同的电流变比、数据刷新频率、波形放大倍数等,给用户带来了很大的方便。用户需要保存计算结果时,不再需要人工手动记录,只需在“保存显示数据”项中选择“是”,由计算机自动按设定的刷新频率记录,这样不仅解放了人力,而且提高了数据的可靠性。对接收的数据进行处理是数字校验仪软件设计中最重要的部分。对于标准互感器和被测电子式互感器的输出信号,可以用离散傅里叶变换求得两路信号的幅值Ig,Ip和相位φg,φp,然后根据比差和角差的
定义,由式(1)和式(2)求得比差q和角差φ[3]。ε%=(Krd×Ig-Ip)/Ip×100%(1)
φ=φp-φg-φd(2)
其中,Krd为额定变比;φd为电子式电流互感器的固定延迟。电网中的电流信号频率并不总是固定在工频,而是在工频附近波动,但是采样频率即同步信号的频率是固定的,所以这样就无法做到同步采样,从而造成“栅栏效应”。而要处理的信号是经过采样和A/D转换得到的有限长数字信号,这相当于对原始信号乘以一个矩形窗进行截短,由于非同步采样,从而会产生频谱泄漏[4]。频谱泄漏和栅栏效应给FFT的分析精度带来很大影响,使检测出的信号幅值和相位及频率存在较大误差,无法满足校验精度的要求。利用插值算法可以解决栅栏效应带来的问题,而利用加窗算法可以减少频谱泄漏造成的误差。文中设计的数字校验仪,采用文献[5]中介绍的加窗插值DFT算法,使用
93电子・电路李伟,等:电子式电流互感器数字校验仪设计
2阶汉宁窗,减小了栅栏效应和频谱泄漏引起的误差,大大提高了计算精度。表1是普通DFT算法与加窗插值DFT算法求解得到的误差对比。表1 加窗插值DFT算法与普通DFT算法比较
仿真信号频率/Hz
幅值误差/%普通DFT算法加窗插值DFT算法相位误差/%
普通DFT算法加窗插值DFT算法
4910-0152817-0100428-3312830102864913-0124392-0100245-2313590101034915-0111694-0100138-1617070100204916-0107110-0100092-131372-0100074917-0103667-0100055-101033-0100234918-0101343-0100026-61691-0100274919-0100124-0100007-31346-010020501000005011-0100968-0100005313460100245012-0103030-0100022616920100405013-0106195-01000501010360100485014-0110476-01000871313770100495015-0115893-01001331617140100435017-0130240-01002452313740100155019-0149498-0100376301008-0100325110-0161071-0100446331313-010061该校验仪经对比鉴定,比差在±0105%以内,角差在2′以内,满足011级的电子式电流互感器的校验精度要求。4 结束语文中设计的数字校验仪不仅能显示校验误差、线路电流幅值和频率,还可将校验结果自动存储,而且可以在没有标准互感器时,用以实时观察互感器的输出信号波形,此外该校验仪携带、操作方便。由于该校验仪的数据处理由计算机软件完成,所以它可以根据用户的需要,灵活增加如谐波分析等功能,应用前景非常广阔。参考文献[1] 国网武汉高压研究院.电子式互感器校准规范[C].武汉:电子式互感器技术研讨会,2007,10:1-15.[2] IEC.IEC60044-8.InstrumentTransformers-Part7:E2lectronicCurrentTransformers[S].IEC,2002.[3] 中国国家标准管理委员会.GB/T20840.8/-2007互感器第8部分:ECT[S].北京:国家质量监督检验检疫总局,2007.
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