电子式互感器校验仪的设计与实现

电子式互感器替代电磁式互感器是电力系统的发展方向，但是由于电子式互感器结构的特殊性，难以应用电磁式互感器校验装置进行校验，因此电子式互感器校验方法及其装置的研究一直是国内外的研究热点，如何准确地检验电子式互感器对电力系统继电保护、计量和控制具有重要意义。

电子式互感器分为电压互感器和电流互感器两种，对其进行校准时，标准信号仍然由电磁式互感器获得。待测信号则针对不同情况分为两类：

模拟信号输出：对电压互感器而言，输出范围在1.625-6.5V之间，对电流互感器而言，其输出范围在22.5-4000mV之间;

数字信号输出：是模拟信号的等距抽样序列。对应这两种情况，电子式互感器的比差均可按照电磁式互感器的比差定义来进行计算，但是相差则依据情况的不同而有所变化，这源于数字信号输出时数据处理和传输时间带来的延迟。因此，数字信号输出时的相位误差应当在测得的相位差中减去额定相位偏移和额定延时时间构成的相位移。

对模拟信号输出的电子式互感器，由于其输出为弱电信号，不具备驱动能力，因此难以用现有的电磁式互感器校验装置进行校验，必须考虑将其和标准电磁式互感器的模拟输出信号均进行A/D转换后利用计算机或微处理器进行分析处理。 而对数字信号输出的电子式互感器，由于标准信号为模拟信号，也应将其转换为数字信号后再进行处理。

目前常用的方法是数字校验方法，其借助数据采集装置将标准电磁式互感器和待测电子式互感器输出信号读入计算机，通过软件分析计算得出电子式互感器的精度等级。该方法可进一步细分为直接法和差值法两种，前者除得到精度结果之外，还可以得到谐波、电子式互感器输出幅度及相位等附加信息，但其对采集装置的要求很高;后者对采集装置的要求不高，但要求电子式互感器输出和标准电磁式互感器输出须严格相等。除硬件方面的要求之外，两者在对信号的分析处理方面异曲同工，多采用傅里叶变换的方法求取各路采集信号的基波分量。目前，基于数字校验方法的校验装置多基于计算机实现，为了消除电网频率波动对校验结果的影响，又都采用基于高数据采集率的校验方法，这些都不利于校验过程的实时实现，也难以利用嵌入式微处理器构建便携式智能化校验装置。

本文描述电子式互感器校验仪系统，基于德州仪器OMAP-L138双核芯片;系统包含2路二次电压测量;2路二次电流测量;1路模拟小信号测量;2路(61850)光纤通道;2路RJ45网络接口;1路(FT3)光纤通道;电同步信号输入/输出接口;光同步信号输入/输出接口;1路 USB2.0，10/100M以太网;1路RS232;基于有限次迭代与最小二乘法的组合测量原理实现了频率的快速准确测量，随后结合准同步算法的基本原理进行信号基波分量的提取，两者的结合有效解决了因电网频率波动而导致的非同步采样对校验结果的影响问题。

图 1电子式互感器校验装置系统硬件框图

图1给出了电子式互感器校验仪系统原理框图，待校验的ECT有模拟和数字2种输出，其中模拟输出是采集的数字信号D/A变换后的输出。依据IEC60044-7/8 标准规定，电子式互感器输出的数字量和模拟量均需校验;

电子式互感器校验仪的基本原理：首先将被测电子式电流互感器的高压端和标准电磁式电流互感器的高压端串联接到高压侧(对电子式电压互感器的校验采用的是并联方式)。对于标准电磁式互感器输出的信号，先经过切换电路选择电压/电流互感器的处理电路，通过二阶压控低通滤波电路进行滤波，然后经过采样/保持电路进入A/D转换电路，使模拟信号数字化;被测电子式互感器的数字信号，由以太网接口按照电子式互感器标准接口的传输协议对其接收。标准信号和被测信号在微处理器中进行比较，按照电子式互感器的数字输出标准规定的误差定义计算出比差、相位差，实现对电子式互感器的校验工作。

电子式互感器校验仪的AD采集电路的精度要求较高，按照精度高两个等级的原则，电路精度需要保证在0.02%，采用22位A/D。可以校准0.1 级及以下准确级的电子式互感器。

电子式互感器的相位差与传统的电磁式互感器的相位差不同，原因是电子式互感器的数字数据输出量是经过处理的数据，在处理数据和传输数据时将产生一个相当大的延时，这一延时对相位差的影响会很大，把它当成相位差是不恰当的，电子式互感器的相位差和相位误差不能等同。电子式电流/电压互感器的数字输出相位差是一次侧某电流/电压出现时刻与二次侧对应的数字化数据启动传输的时刻的时间差。电子式互感器的相位误差(φw)则等于相位差(φ)减去由于额定相位差(φe：电子式互感器因选用的技术产生的额定相位差)和额定延时时间(tdr：数字数据处理和传输所需时间的额定值)所引起的偏移量。

数学表达式为：φw­=φ-φe-2πftdr

由于数字输出要求与时钟脉冲同步，相位误差是时钟脉冲与数字传输值对应的一次电流采样瞬时值时间差。

电子式电流/电压互感器输出的数字信号是一系列的数值序列，是模拟信号的等距采样，电子式电流互感器的数字量输出表述式为：

Is(n)= √2Issc*sin(2πftn+φs)+isdc(n)+isres(n)

n=1,2…,N

其中，is(n)为合并单元输出的数字输出量，代表一次电流的瞬时值;Issc为合并单元输出的基波有效值;isdc(n)指数字部分的二次直流输出;isres(n)包括谐波和次谐波分量的二次剩余电流输出;n为数据组计数器的计数,即采样次数;tn为一次电流第n次数据组的抽样时刻;f为基频频率;φs为二次相位移。

同理，可以推出电子式电压互感器的数字输出表述式为[17]：

us(n)= Us*√2*sin(2πftn+ψs)+Usdc(n)+usres(n)

n=1,2…,N

电流误差(比差ε%)是电子式电流互感器引入到电流的测量中由于实际变比不等于额定变比所引起的误差。

ε%=(Krd*Is-Ip)/Ip*100%

其中：Krd是额定变比;Ip是isres(n)=0时的实际一次电流的有效值;Is是当isdc(n)+ isres(n)=0时的数字输出二次电流的有效值。

同理可以定义电子式电压互感器的比差。

ε%=(Krd*Us-Up)/Up*100%

本文描述基于德州仪器OMAP-L138双核芯片的电子式互感器校验仪系统，通过采集标准和待测信号后，实现了对信号的采集、数据处理和分析等，利用校准算法可计算出各信号的基波分量，进而得到待测电子式互感器的精度指标，其基本工作过程对其他情况下电子式互感器的校准同样适用。通过现场测试使用，本校验仪具有方便、快速、稳定等特点，非常适合实验室及现场使用。

参考文献

1.IEC60044-7，Instrument Transformers-part 7:Electronic Voltage Transducer.

2.IEC60044-8，InstrumentTransformers-part 8:Electronic Current Transformers.

3.GB/T 20840.7—2007 互感器第七部分：电子式电压互感器.

4.GB/T 20840.8—2007 互感器第八部分：电子式电流互感器.

5.余春雨.电子式互感器数字输出校准系统[D].武汉：华中科技大学电气与电子工程学院，2004.

6.钱政，李童杰，张翔.电子式互感器校验方法的设计与实现[J].北京航空航天大学学报，2006，23(11)：1316—1319.

7. 张蓬鹤,何俊佳，陆以彪，王保盛.电子式互感器误差校验装置的研究. 电测与仪表,2009年第01期

8.曹团结,尹项根,张哲,等.电子式互感器数据同步的研究[J].电力系统及其自动化学报,2007,49(2): 108-113.

——————————————

宋述勇(1971-)，男，山西交城人，高级工程师，1995年毕业于武汉大学电力系统自动化专业，硕士研究生，从事电力系统试验与研究工作。

李瑞(1981-)，男，山西临汾人，2012年毕业于太原理工机械设计及理论专业，博士，从事继电保护试验与研究工作。

郝伟(1979-)，男，山西太原人，工程师，2008年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，硕士研究生，从事继电保护试验与研究工作。

随着数字化变电站的快速发展，电子式互感器因其克服了传统电磁式互感器绝缘和磁饱和等问题的优势，在数字化变电站建设中占据重要地位。