顧　強, 劉浩武,， 徐曉萌, 李曉輝, 陳　彬, 葛磊蛟

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2. 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；3. 國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300055)

0　引言

電子式互感器是一種廣泛應用于智能變電站的電參量測量裝置，也是一種模擬量輸入、數(shù)字量輸出的非傳統(tǒng)互感器，其采集信號通過合并單元提供給智能變電站的計量、保護和控制等進行應用。不僅擔負著電網(wǎng)的精確計量，也肩負故障監(jiān)測等重要責任，故在實際運行中對其進行離線式、在線式準確度校驗是一種常態(tài)。在國家標準GB/T20740.8—2007電子式電壓互感器[1]和GB/T20840.7—2007電子式電流互感器[2]中，也明確規(guī)定了數(shù)字化變電站中電子式互感器校驗的流程和標準，以及準確檢定的誤差范圍。但是遵照IEC 60044標準，現(xiàn)有的以電磁式互感器作為標準源的電子式互感器校驗方法，直接用標準源生成的模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后與被檢測電子式互感器信號進行對比分析，會因電磁干擾、標準源的準確度、模數(shù)采集卡的準確性、信號的不同步等多種不確定因素導致校驗出現(xiàn)偏差，有待深入研究和改善。

近年來國際國內(nèi)的學者們對電子式互感器的校驗進行了研究，取得了一些成果。文獻[3]提出了一種含電子式互感器校驗儀的傳變特性測試研究方案，并分析光學裝置、空心線圈和鐵心線圈等3種不同類型的電子式電流互感器的誤差特性；文獻[4]系統(tǒng)闡述了電子式互感器在數(shù)字化變電站中應用的原則以及需要比傳統(tǒng)互感器增加的試驗項目和試驗方法，并提出了數(shù)字化變電站的一種配置方案。另外，一些國內(nèi)同行從電子式互感器校驗相關的信號處理方法[5]、在線校驗方法[6]、數(shù)據(jù)采集方法[7-8]、電磁干擾[9]、數(shù)據(jù)校驗方法[10]等方面進行了一些研究。

本文針對傳統(tǒng)電子式互感器校驗過程中校驗效果差和準確度低的問題，通過多次采樣數(shù)據(jù)，結(jié)合中位值濾波法、算術平均濾波法、滑動平均濾波法等多種數(shù)字濾波方法的優(yōu)點，提出了一種采用改進數(shù)字濾波算法的電子式互感器穩(wěn)態(tài)校驗方法，以期為電子式互感器的大規(guī)模推廣應用提供技術支持和借鑒。

1　電子式互感器的校驗方法

當前電子式互感器的準確度校驗主要以傳統(tǒng)方法為基礎，即以含鐵心的傳統(tǒng)電磁式互感器作為標準源。首先，通過對鐵心繞組抽頭引線的方式實現(xiàn)對不同規(guī)格額定一次電壓、電流的測量；其次，通過電子式互感器校驗系統(tǒng)內(nèi)部的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；再次，將該數(shù)字信號與被測電子式互感器輸出的數(shù)字信號對比；最后，采用差值法分析得出誤差及相差數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)電子式互感器的校驗，其框圖如圖1所示。

圖1　電子式互感器的校驗框圖Fig.1　Calibration chart of electronic transformers

電磁式互感器由于其應用時間長、穩(wěn)定性能較好等特點，一般被選作電子式互感器的標準源，但是以上的校驗平臺也存在以下幾個突出的不足：

(1) 采用鐵心式互感器作為標準互感器的校驗方式，存在鐵磁諧振及鐵磁飽和缺陷、增容困難、二次接線繁瑣以及二次開路高壓危險等問題，在實際的校驗過程中，增加校驗的操作流程難度和風險，從而導致電子式互感器快速、高效校驗的效果差。

(2) 此種校驗方法主要基于差值法原理，即將標準互感器的模擬輸出信號與被校電子式互感器的數(shù)字輸出做差，再對差值信號進行處理得到比差和角差，與標準互感器模擬輸出相比，電子式互感器的數(shù)字輸出是離散序列。因此，若將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號再用差值法將很難滿足準確度要求。

(3) 由于數(shù)字輸出電子式互感器的二次裝置和一次側(cè)存在延時現(xiàn)象，因此,將兩路信號直接做差會引起較大偏差，進一步降低了校驗的準確性。

為有效解決這些明顯缺陷，擬在電子式互感器校驗平臺軟件端采取一定的措施，即數(shù)字濾波算法，對校驗進行修正。

2　改進的數(shù)字濾波校驗方法

濾波技術是一種測量系統(tǒng)信號處理過程中對噪聲分析和處理的技術，包括硬件濾波和軟件濾波兩種方式[11]。其中，硬件濾波主要是指采用電阻、電容組成的RC濾波器或采用電感、電容組成的LC濾波器等模擬濾波器進行濾波的方式；軟件濾波，即數(shù)字濾波，是指對所采集的輸入數(shù)據(jù)，通過一定的計算或判斷程序，從而減少、消弱噪聲的影響。依據(jù)實際輸入信號的不同，有多種不同的濾波方法，主要有限幅濾波法、中位值濾波法、算術平均濾波法、滑動平均濾波法，以及以上幾種濾波法的混合使用等。

電子式互感器校驗過程中，電磁干擾、標準源的準確度、模數(shù)采集卡的準確性、信號的不同步等均對校驗結(jié)果有較大的影響[12-15]，但是本文所關注的重點是由數(shù)字信號和模擬信號種類不一致所引起重要的誤差或者噪聲，即標準源產(chǎn)生模擬信號，而被校驗對象是數(shù)字信號，為此在電子式互感器校驗平臺上，提出一種改進的數(shù)字濾波算法，對電子式互感器校驗的準確性進行修正。

2.1　改進的數(shù)字濾波算法

改進的數(shù)字濾波算法流程如下：

步驟1：建立一個容納N個數(shù)據(jù)的隊列{x1,x2,…,xN}；

步驟2：將采樣數(shù)據(jù)輸入隊列,并判斷隊列是否已滿；

步驟3：若隊列未滿,則將采樣數(shù)據(jù)輸出,并重復判斷隊列是否已滿；

步驟4：若隊列已滿,先用冒泡法求取隊列中的最大值xmax和最小值xmin，然后去除xmax和xmin,并求取剩余(N-2)個數(shù)據(jù)的算術平均值y,如式(1)所示，將y輸出,并重復判斷隊列是否已滿。

(1)

步驟5：對于已滿的隊列，按照先進先出原則，每次進來一個新數(shù)據(jù)的同時丟棄一個最“老”的數(shù)據(jù)，使整個隊列始終保持固定長度N。且每當新輸入一個數(shù)據(jù)后，先判斷其是否為最大值xmax或最小值xmin，然后進行求取算術平均值yj，j是采集數(shù)據(jù)的次數(shù)。

yj的計算按照先從輸入的N個采樣數(shù)據(jù)xi(i=1，2，…，N)中去除最大值xmax和最小值xmin，然后按去除后的(N-2)個采樣數(shù)據(jù),依據(jù)式(1)計算yj。

按照以上方法進行10次采樣，獲得一組{y1,y2,…,y10},然后對10個y值按照式(2)取算術平均值yavg，作為本次采樣值并輸出。

(2)

2.2　改進的數(shù)字濾波校驗流程

在電子式互感器校驗平臺應用過程中，為有效有序開展電子式互感器的校驗和管理[15-17]，應用改進的數(shù)字濾波算法，根據(jù)電子式互感器校驗的相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定度等4個重要校驗指標，在校驗平臺上制定相應的校驗算法流程，如圖2所示。

圖2　改進的電子式互感器數(shù)字濾波校驗流程Fig.2　Improved digital filter check flow chart for electronic transformer

(1) 根據(jù)脈沖同步時鐘信號，分別獲取待測電子式互感器的數(shù)字信號和標準電磁式互感器所產(chǎn)生的模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)；

(2) 根據(jù)2.1節(jié)所述的改進數(shù)字濾波算法分別對所述待測電子式互感器和標準源的采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理,并輸出所述數(shù)字濾波處理數(shù)據(jù)；

(3) 采用過零點檢測法分別提取采樣數(shù)據(jù)的基頻分量；

(4) 根據(jù)相位差法分別獲取采樣數(shù)據(jù)的幅值Am、相位φm和頻率f；

利用插值快速傅氏變換算法(fast fourier transformation, FFT)算法分別分析采集數(shù)據(jù)各次諧波的參數(shù),如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

可推得信號的幅值Am、相位φm和頻率f的值分別為：

(5)

(6)

(7)

式中：m為諧波次數(shù)；fs為采樣頻率；km為諧波信號采樣序列對應的離散頻點；δm為頻譜偏離估計值,且0≤δm≤1；XH為采樣點；WH為矩形窗。

(5) 根據(jù)式(5—7)所求的頻率、相位和幅值計算待測電子式互感器的相位誤差φe、電流誤差εi、電壓誤差εu和A類不確定度ua，如公式(8—10)所示。

φe=φ-(φor-2πfTtdr)

(8)

式中：φ為待測電子式互感器的相位差；φor為電子式互感器因技術產(chǎn)生的額定相位差；f為頻率；Ttdr為數(shù)據(jù)處理和傳輸所需時間的額定值。

(9)

式中：KCr為標準電流互感器的額定變比；Ip為信號源電流；Is為測量條件下,待測電流互感器的實際二次電流。

(9)

式中:Kr為標準電壓互感器的額定電壓比；Up為信號源電壓；Us為測量條件下,待測電流互感器的實際二次電壓。

(11)

(6) 按IEC 60044原則，依據(jù)GB/T 20840.7—2007和GB/T 20740.8—2007校驗標準，根據(jù)第5步的計算結(jié)果，核準電子式互感器的校驗數(shù)據(jù)。

3　算例分析

選取天津市高新區(qū)220 kV智能變電站的某一國內(nèi)知名品牌3臺0.5S級電子式互感器作為案例進行分析，分別編號為電子式互感器1號，2號和3號，其剛投入使用時的相位誤差為0.40，電流誤差為0.31，電壓誤差為0.12，A類不確定度為0.05(以上數(shù)據(jù)均為相對誤差)，3臺電子式互感器的投入運行時間分別為2.4 a，3.1 a和5.4 a?，F(xiàn)分別將3臺電子式互感器在電子式互感器校驗平臺進行檢測，檢測平臺所選擇配置有：電磁式互感器0.2S級作為標準源，40 M采樣頻率的A/D模數(shù)采集卡，單脈沖異步的脈沖同步時鐘器，CPU主頻為3.7 GHz的聯(lián)想Lenevo主站平臺，其檢測結(jié)果見表1。

表1電子式互感器的校驗結(jié)果對比
Tab. 1Comparison of calibration results of electronic transformers

項目1號2號3號相位誤差0．430．540．65電流誤差0．320．420．51電壓誤差0．140．280．34A類不確定度0．070．130．21

從表1中不難發(fā)現(xiàn)：

(1) 與剛投入運行時的原始數(shù)據(jù)對比可知，電子式互感器的投運時間越長，相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對較大。電子式互感器在實際運行過程中會產(chǎn)生一定的誤差，且與實際的工程運行情況，基本吻合。

(2) 檢測過程中，采用單脈沖異步的同步時鐘觸發(fā)方式，確保了在同一時刻,分別獲取模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)和待測電子式互感器的數(shù)字輸出信號,然后對數(shù)字輸出信號直接進行頻率、幅值和相位等比對,在數(shù)據(jù)處理方面大大降低了突發(fā)干擾的影響，校驗的準確性高,不存在延時現(xiàn)象,一定程度上確保了電子式互感器校驗的效果和準確性。

(3) 3個電子式互感器4個檢測指標的誤差均相對較小，其主要原因是所選用的標準源是0.2S級電磁式互感器，而被校驗的電子式互感器為0.5S級，這與檢測標準中所規(guī)定的標準源必須高于被檢測樣品2個數(shù)量級的規(guī)定有一定的差距，后續(xù)有待提高電磁式互感器的級別。

為對比分析改進的數(shù)字濾波方法有效性，在同一檢測平臺上，選取投運時間相對較久的3號電子互感器為樣本，進行算術平均數(shù)字濾波法和改進的數(shù)字濾波法對比分析，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2　校驗結(jié)果對比Tab. 2　Comparison of calibration results

表3　運算時間對比Tab. 3　Comparison of operation time 　s

基于以上案例的小樣本，從表2和表3可知：

(1) 改進的數(shù)字濾波算法與算術平均數(shù)字濾波算法相比，在相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對較小，其主要原因是多次采樣獲得數(shù)據(jù)進行計算，有效規(guī)避了數(shù)據(jù)的采樣誤差，且與實際的運行數(shù)據(jù)情況吻合度較高。

(2) 通常校驗標準源的輸入信號除了含有基波分量外，還含有高次諧波分量及白噪聲等。干擾量的來源一般也有兩個方面，其一是電力系統(tǒng)的高次諧波，另一個是環(huán)境的電磁干擾和噪聲干擾。因此，校驗系統(tǒng)設計抗干擾措施主要包括部分環(huán)節(jié)屏蔽、系統(tǒng)接地、采集回路設計低通濾波器等硬件的抗干擾措施，而本文提出了一種對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理的電子式互感器校驗方法，有利于提高電子式互感器的校驗精度。

(3) 本文所提出的改進數(shù)字濾波算法是在滑動平均值濾波算法、算術平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法的基礎上進行了改進,相比于單純的算術平均數(shù)字濾波算法，會更加適用于多次數(shù)據(jù)采集的計算。

4　結(jié)語

本文所提基于改進數(shù)字濾波算法的電子式互感器穩(wěn)態(tài)校驗方法，能夠確保在同一時刻,分別獲取模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量系統(tǒng)和待測電子式互感器的數(shù)字輸出信號,然后對數(shù)字輸出信號直接進行頻率、幅值和相位的比對,大大提高了電子式互感器校驗系統(tǒng)的準確性；同時也需要進行多次數(shù)據(jù)采樣，增加了一定的采用時間成本。

文中所提的改進數(shù)字濾波算法，是滑動平均值濾波算法、算術平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法等多種數(shù)字濾波的混合使用，在數(shù)據(jù)處理方面大大降低了突發(fā)干擾的影響，提高了電子式互感器校驗的準確性。

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