电子式电流互感器数字校验仪设计

电子・

电路

2010年第23卷第1期

Electr onic Sci 1&Tech 1/Jan 115,2010

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　T M452 文献标识码　A 文章编号　1007-7820(2010)01-038-03

D esi gn of the Ca li bra tor for the Electron i c Curren t Tran sform er

L iW ei,Q i Hongtao,Su Tao

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi πan 710071,China )

Abstract The calibrating of electr onic current transfor mers is a maj or factor for their p roper work .However,conventi onal electromagnetic transfor mer calibrators are incompetent for the job .This paper intr oduces a new type of digital calibrator with the advantages of portability,versatility,si m p le operation,and easy upgrading .W indo ws and inter polated DFT algorithm is adop ted t o compute the measurement err or,thus greatly i m p roving the computing p recisi on t o meet the accuracy requirements of the calibrat or .

Keywords electronic current transfor mer;calibrator;windows and interpolated DFT algorithm

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

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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、US B 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US B 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I g ,I p 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%=(K rd ×I g -I p )/I p ×100%

(1)φ=φp -φg -φd (2)

其中,K rd 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

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