电子式互感器在数字变电站的校验技术应用

余屹林

上海久隆电力（集团）有限公司

0 前言

电子式互感器是一种配电装置，是一种测量用的传感器，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。

1 校验原理

从互感器输出接口来看，数字输出电子式互感器的二次侧输出为合并单元（MU），它将同一时刻不同协议规定的三相电流、电压互感器的12路信号按标准规定的数据格式组成帧内容，以特定的格式发送给计量和保护装置，通过合并单元输出的数字信号有2 种以太网输出方式，分别为IEC60044-8中FT3 格式采用的曼切斯特编码发送方式和IEC61850-9-1中IEEE8802.3的发送方式。前者传输速率为2.5 Mbit/s，后者传输速率达到100 Mbit/s，应用更为广泛。

数字输出电子式互感器校验的基本原理如图1所示，将升流器/升压器、待测电子式互感器一次端子、标准互感器一次端子接成闭环，分为标准通道和待测通道2路。标准通道中的标准互感器通过标准A/D转换器输出数字信号接入计算机。待测通道中待测电子式互感器通过合并单元输出数字信号接入计算机。外部同步脉冲发生器发出触发信号至电子式互感器合并单元和标准A/D 转换器，使得2 路信号同步。调节调压器，使测量值覆盖标准要求的每个测量点。上位机校验系统软件分别对2路采样后的数字信号提取信号有效值和相位信息并计算误差。目前，国内外采用的数字输出电子式电流互感器校验系统多采用该原理。

2 电子式互感器校验技术分析

2.1 数字化变换技术

2.1.1 高分辨率

图1 数字输出ET校验原理

对于校0.2S级的电子式互感器，校验系统标准通道的精度至少要达到0.05级，这就要求A/D具有高分辨率。A/D的高分辨率是影响校验系统精度的主要因素之一，最好在24位以上。

2.1.2 高动态范围

对于测量用电子式电流（电压）互感器的校验，标准要求在额定电流的5%～120%之间（在额定电压的20%～120%之间）都要准确测量。对于0.2S 级准确度，更要求在额定电流的1%～120%之间准确测量，所以必须要求采集卡的高动态范围，即对万分之一伏到几伏范围内任何波动都可以准确采集。

2.2 信号的同步技术

根据国家电网公司物资采购标准，信号的同步技术误差要小于1 μs，而对于0.2S 级的电子式互感器的误差精度，在额定电流、电压下相位误差要求在10′（不足10 μs）以内。若仅同步误差就大于1μs，整个校验系统就难以满足校验等级要求，而要保证同步误差小于1 μs，就需要高精度同步脉冲源和同步实现方法。

插值计算法由二次设备完成，根据互感器提供的若干时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压、电流值。同步脉冲法则使用统一的同步脉冲信号，电子式互感器在送出的采样值中打上时标，提供给二次设备。目前，对于数字输出电子式互感器的校验系统，人们大多采用同步脉冲法实现2路信号的同步。

2.3 信号提取的精度

构成标准电流或电压通道的一次变换器由于是传统互感器，与被校验的电子式互感器的频带宽度有较大差别，所以校验软件需要在2 个不同的频带下准确提取基波信号，特别是基频变化时，采用普通的快速傅里叶变换（FFT）算法难以满足校验要求。为了准确提取基波信号，消除非同步采样与数据截断所引起的频谱泄漏和栅栏效应带来的误差，文献采用了加窗插值FFT 分析算法，在一定程度上抑制了频谱泄漏，提高了信号提取的准确度。

2.4 通信技术

在数字输出电子式互感器校验系统中，校验系统与MU的通信是必不可少的。MU的通信规约采用IEC61850-9标准，目前大多采用IEC61850-9-1协议进行通信。IEC61850-9-1 协议的数据帧格式虽然是固定的，但不同生产厂家生产的MU 数据帧中ASDU 的个数不同，计数器零点的位置也不同，所以要针对不同厂家开发MU 的数据帧捕获程序。目前，数据帧捕获程序有的采用Labview 编写，有的采用C++编写，为了快速得到稳定准确的数据帧格式，应采用执行效率更高的C++。

3 电子式互感器在线校验系统构成及技术实现

电子式互感器根据用途不同，校验系统可以分成实验室用、现场用及在线校验用等几类，前面两类在特定的离线情况下使用于传统互感器。人们由于对电子式互感器校验技术的研究较少，尤其是对现场带电校验技术的研究更是一片空白，也没有相应的标准出台。电子式互感器在线校验技术可以针对高压传统互感器和电子式互感器进行不断电监测，符合数字化变电站的发展趋势，可有效提高设备的利用率和可靠性，保证被校互感器运行更安全、可靠。

3.1 系统构成

在线校验系统是针对电磁式电流互感器、模拟输出电子式电流互感器和数字输出电子式电流互感器3 种基本电流互感器设计的。其中，数字输出电子式电流互感器校验最为复杂，是根据电子式电流互感器标准IEC60044-8中对于数字输出电子式互感器误差测量的实验要求设计的，即计算机在同一时间取一次电流的2 种样本，一路来自标准电流互感器，另一路来自被测电流互感器，2路分别送入计算机计算幅值和相位，再做比较运算。该校验原理适用于数字输出电子式互感器，也同样适用于模拟输出电子式电流互感器和电磁式电流互感器，在线校验系统如图2所示。

在线校验系统包括标准通道、被校通道和校验平台3 部分，其基本原理是将标准电流互感器和被校电流互感器的输出分别通过标准通道和被测通道发送到校验平台。校验平台得到2路信号同一时刻的输出信号，分别提取其幅值和相位，计算出比差和相差。

图2 电流互感器在线校验系统框图

3.2 关键技术

3.2.1 适用于现场带电操作的高准确度标准传感头

本系统采用了便于现场安装的基于PCB 板的钳形空心线圈作标准传感头，通过对该标准传感头进行数学建模和原理推导，并且针对其开口气隙大小、位置影响、邻相干扰、温度性能等进行详细实验研究以及挂网试验，证明该传感头具有准确度高、动态范围宽、实现方便及不断电安装的特点。

3.2.2 高准确度电力参数估算算法

采用绝对比较法测量原理的校验系统需要分别提取同一时刻一次导线电流的2 种样本值，即标准电流互感器输出值和待测电流互感器输出值。改进的误差理论算法能更精确地提取2路信号基频参数值，以便于比较运算。

4 电子式互感器的优点及应用

4.1 优点

1）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能，不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题。电磁互感器的被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。非常规互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化。电压等级越高其性价比优势越明显。

2）没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险。非常规互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。

3）动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽。电网正常运行时电流互感器流过的电流不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。非常规互感器有很宽的动态范围，可同时满足测量和继电保护的需要。

4）抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险。非常规互感器的高压侧和低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力，低压侧无开路引起的高电压危险。

5）数据传输抗干扰能力强。电磁式互感器传送的是模拟信号，电站中的测量、控制和继电保护传统上都是通过同轴电缆将电气传感器测量的电信号传输到控制室。

6）体积小、重量轻。非常规互感器无铁芯，其重量较相同电压等级的电磁式互感器小很多。

4.2 应用

电子式互感器主要应用于电力系统的电参量测量及各类输入或输出变频电量的电气设备的检验、试验和能效评测。其中，电子式电流互感器具有更高的带宽，适用于谐波含量较大的电流基波及谐波测量。为了准确测量功率，人们还可以采用电压、电流组合式电子式互感器，因为组合式电子互感器可以更好地控制电压、电流信号的相位差，提高功率测量的准确度。

5 结论

本文对数字输出电子式互感器校验的关键技术进行了详细介绍和研究,信号同步、标准通道采集单元的A／D位数和信号提取算法是数字输出电子式互感器校验系统的关键技术。在满足校验精度前提下，今后研究的重点应该放在电子式互感器校验系统的高度集成性及便携性上，为校验系统构建一个操作方便的工作平台。