电力互感器检定技术

成国锋

（国网江苏省电力有限公司扬州供电公司分公司 江苏省扬州市 225000）

互感器是测量保护设备实时运行的重要元件，其运行状况的好坏关系到一次设备安全运行水平，其计量功能则关系到二次设备的运行状况。近年来，互感器由于质量问题工艺不过关和外部恶劣环境等因素，引起故障导致停电事故的案例频发，给电网稳定运行带来不利影响[1]。因此，互感器既要在挂网运行前，又要在挂网运行的过程中，定期进行误差校验，即保证互感器的健康状态，以此保证互感器控制功能正常和输出值的长期可靠性，减少事故率[2]。如何在大量的变电站中的庞大的互感器群体中，准确跟踪把握互感器运行误差一直是困扰国内外专家学者的测量领域世界性难题[3]。

互感器检定项目包括基本准确度试验、谐波准确度试验、准确度与温湿度关系的实验、温度循环准确度试验、准确度与频率关系的试验等[4]，以上检定项目的能够综合地评价互感器，以供电力系统的安全运行。其中，准确度实验是互感器检定项目中最重要的项目，其含义是对其输出信号的比差和角差的校准实验，这也是互感器检定的通常理解，本文中的“互感器检定”亦为此含义。

近年来，围绕互感器的检定，也涌现出了许多方法。从最初的停电检定而后与标准互感器对比[5]，到“不停电检定”[6]，这一跨越使得检定过程对电网运行的影响减小。近年来，一种新的引入数学物理模型以全方位探究互感器状态的评价方法出现，此类方法发掘在电网运行过程中的某些可描述变化规律的参数，如互感器的输出值，建立复杂数学物理模型，而后计算真值与误差估计值或其他中间量以判断互感器状态。本文将依次介绍上述互感器检定方法。

1 基于与标准互感器差值的检定方法

1.1 思路和原理

传统检定方法的主要思路是比对标准器与待测互感器的差值。此类互感器的检定系统一般由以下四个步骤组成（如图1）：首先是信号源端，这一步骤包括了信号测量、信号传输、信号采集等技术；第二步是分别采样标准器和待测互感器输出值：由同步脉冲作为触发信号，一方面采样标准互感器的二次输出；另一方面被测互感器的采样也受同步脉冲控制，然后将数字信号传送至网口，检定仪通过网口接收并解析由待测互感器发送的包含了采样数据的数据包；第三步和第四步是对输出数据的比对和误差输出，即对两路数字信号进行分析和处理以得到角差和比差[7]，实现对互感器角差和比差等技术指标的测量和评定。

图1：基于与标准互感器差值法思路

但不能避免的是，误差估计值计算过程中也存在着许多误差，这其中有信号传输延时和同步误差、信号处理算法误差、标准互感器误差、信号采集误差等[8]，综上，基于与标准互感器差值的检定方法思路易于理解，不过在测量中存在各种误差会影响检定准确度，不断有专家学者提出新方法以简化操作难度，和提高准确度，不同技术方法的研究也正围绕该方面进行。

1.2 研究现状

我国在2007年颁布实施了电力互感器检定规程[9]，对互感器的检定条件做了详细的描述，并不断调整了检定项目，稳定性要求，检定周期等。检定方法需要将电网停电，并对待检定互感器和标准互感器同时施加相同的电压与电流，标准互感器的输出被视为真值，待检互感器的输出值与真值之间的差异即为互感器的误差，此为误差校验的基本方法。孙勇强[10]依照低压电流互感器检定项目要求，提出了合理完善的自动化检定系统总体设计方案，提高了检定质量和工作效率。然而，低压互感器与超高压互感器的检定有着较大区别。徐敏锐[11]等人专门研究了，包括大容量升流器、标准电流互感器、无功补偿装置、智能工频电源等关键部件的，特高压气体绝缘组合电器电流互感器自动化检定系统。相对于输出模拟信号的电磁式互感器，电子式互感器输出的是数字信号，其优点有如不失真，无损耗，无干扰，而传统的电磁式互感器检定法已不能胜任电子式互感器的检定工作，陈福胜[7]等人设计和实现了一种以DSP 和FPGA为硬件平台的电子式互感器检定仪，具有操作方便，功能多样，体积小，便于携带等优点。长期以来，以常规检定方法，必须电流互感器离线才能检定，且检定工作量很大、耗时多，甚至受条件制约无法检定的不足，在一个检定周期内难以完成全省贸易结算计量点互感器的误差检测工作，大量超过检定周期的关口互感器在网运行。为适应电网快速发展，急需实现不停电条件下的CVT 误差评估，对此，胡琛[12]和童悦[13]分别提出了一种新的电流互感器检定方式，胡琛提出了包括传感信号的采集与通信技术，传感信号的调理技术，传感信号的接收技术等的，高压电流互感器在线检定系统二次信号的数字化技术，该技术是研究高压电流互感器在线检定设备一项关键技术；童悦则解决了两个难点：适用于现场带电操作的高准确度标准传感头，和针对现场一次电流源谐波成分复杂的高准确度电力参数估算算法。在工程上，张志[14]在国内首次实现对数字输出电子式电流互感器的准确度在线校验，该系统具有 0.05 级的准确度，同时设计了一种基于绝缘操作杆的钳形操作机构，解决了针对校验系统需要带电操作的问题。李鹤[15]等人研发出一种变电站用电流互感器在线校准系统，设计了一种电子式开口双级电流互感器和误差测量装置，它基于的是以电子电路补偿铁心激磁电流的原理，其准确度优于0.01%，可在线路不断电的条件下评估电力用电流互感器实际运行工况下的误差特性，满足减小对电网运行影响的要求。带电检定中，电压互感器检定在标准器种类、标准器的接入方式、二次输出变换采集上与电流互感器略有差异，对于电压互感器，邵明鑫[16]等人提出了一种利用在运容性设备协助CVT 进行在线检定误差的新方法，通过在其末屏接地线处串入低压标准电容器和电子分压器组成标准电容分压器，实现了对CVT 误差的在线检定。如图2所示。

图2：互感器检定方法发展

此外，众多专家学者则不断在互感器带电检定的准确度、简便性上做出努力。罗志坤[17]等人在效阻抗测量的电压／电流互感器低校高检定方法的基础上，提出了现场实时校准方法，扫清了在互感器检定上的通信方面的障碍。郝俊峰[18]设计了一套可以远程监控和检定现场电能表的远程检定装置，丰富了带电检定的工程化方案。项琼[19]等人基于一次设备状态检修出现的问题，提出电压互感器在线群校准的概念，实现了在短时间内对全站在运电压互感器的多路信号进行采集、数据处理的能力。以上专家学者均对与标准互感器差值校验的方法进行了完善和优化，具体的技术归纳见表1。

表1：文献技术归纳

2 基于复杂模型的综合判据检定方法

2.1 思路和原理

基于复杂模型综合判据的检定方法不同与基于差值的互感器检定方法，而是发掘某些可描述变化规律的参数，这些参数将代入预先设置好的复杂数学物理模型，依据互感器的各项输出值，形成综合判据，从而对互感器的测量误差的统计分布是否有异常变化作出判断。此类方法的具体思路各有不同，但往往充分的运用到了模型、定理本身所带来的各种优势，如物理中的基尔霍夫定律、数学中的小波变换、高维随机矩阵、神经网络等，通过与复杂模型的结合，电参量数据得以被充分挖掘，得到更准确的结论，目前正在有更多的学者研究这一领域。

2.2 研究现状

近年来，非仅从待测互感器标准互感器差值入手的新方法逐渐进入人们视野，2012年，最早有国外学者[3]提出了一种不同于单一判据的“预标定”方法，该方法的判据是从节点电流平衡而来，从而完成互感器的检定，首先需要预先获得一组三相“标准互感器”，而后，以三相互感器所在电力网络等效电路为基础，依靠基尔霍夫电流定律建立节点电流平衡矩阵，最后通过求解矩阵方程得到相应互感器误差的评估量，该方法摈弃了单一简单判据的方法，使得数据被深层次的挖掘，结论准确度和可靠性更高；相似的，一种预标定方法以潮流分布为依据的互感器误差状态传递方法：该方法在预先获得一组母线电压和电流准确值的基础上，以互感器所在系统的节点网络为基础，最终将互感器误差评估转化成潮流网络数学模型的潮流求解问题得到一个误差估计值。相比较预标定方法，无标定评估法关注于信息物理相关性，即以互感器输出信号构成观测空间，以互感器群体内的信息物理相关性构建映射空间，估计互感器测量真值。针对基于模型的方法，国内学者也开展了相应研究，程含渺[20]采用高维随机矩阵判断发掘的可描述变化规律这些参数是否符合已知规律，从而对电子式互感器的测量误差是否有异常变化作出判断。徐思恩[21]等人对同一台CVT 采用母线电磁式电压互感器及变压器侧电容式电压互感器分别作为标准器进行误差测量，获得“CVT误差修正值”，通过对实测数据的分析发现对于同一个变电站而言，该值是一个常数，因此该修正值对所在变电站有着极高的参考价值，为同级别CVT 误差比对提供了指导，该值还能证明变电站内设备运行的稳定正常。余锐[22]等人提出了一种基于变电站站间信息的电子式互感器故障协同诊断方法及其判据。利用小波变换提取电子式互感器故障及电网故障时输电线路两端的异常信号。何宁[23]首先提出了基于小波神经网络的电子式互感器故障诊断方法，将知识处理与基于信号处理方法的结合，能够使网络收敛速度快、避免陷入局部最优又有时频局部分析，其中，小波分析用于信号频域特征的提取，人工神经网络用于模式的识别和分类。杨雪东[24]结合了小波-分形理论：将分形理论在信号特征提取方面的优势和小波理论在检测信号奇异值方面的能力进行结合，对建立的电子式互感器故障模型进行分形维数分析。数字式电能计量系统方面，王洪彬[25]等人提出了一种基于“电流观测器”的电子式电流互感器渐变性故障诊断方法。该方法在一些假设条件下对变压器和输电线路建立了精确数学模型，在已知首端电流的情况下，依据输电线路和变压器的模型求出末端电流并作为理论真值，由理论真值与电子式电流互感器的实际测量值作出残差序列，比较该序列与设定的阈值即可得到误差状态。张秋雁[26]则关注所有误差因素的综合作用,不注重每一个因素对误差的具体影响，其实质是将计量系统的历史运行误差状态作为“标准”，结合多影响因素对系统当前运行误差状态进行预测。总的来看，该类方法通常需要进行建模，包括物理模型、数学解析模型和模糊模型等，再依据模型求解传感器输出值并作为理论真值，通过对理论真值与实际输出值进行比对分析实现误差状态评估。

3 结语

3.1 总结

本文根据互感器检定方法的原理不同，归纳了两类方法，第一类是基于与标准互感器差值的方法，这种方法需要着重考虑在信号传输、标准器选取等方面，属于较为传统的一类方法，是目前实际运用最常见的一类方法，便于原理理解和实施；另一类是基于复杂模型的综合判据检定方法，该类方法新在不再需要标准互感器比对，而是综合运用各种电参量数据，引入复杂数学物理模型，从而得到互感器状态。由于在建立模型时存在一系列假设条件，而且模型参数还受环境的影响，所以很难建立精确的输变电设备的数学物理模型。不过基于复杂模型的综合判据方法相较于标准器插值方法有着开拓性的进步，不需要标准互感器，而是通过多个固定方程组代入值，来综合判断，这也符合互感器准确化，高效化的要求，应是互感器未来检定的方向。两种检定方法对比如表2所示。

表2：两种检定方法对比

3.2 展望

在现实中，互感器的故障模式是复杂多变的，互感器检定难度较大，本文列举了许多方法成果，不过依然有许多待改进的方向，比如，上述研究大多采用仿真方法获取故障波形，没有考虑到实际电路中的噪声和干扰问题，因此后续工作需要对电子式互感器的实际采集数据进行分析研究。对于互感器的各项输出值，即采集数据的特点、分布，目前的方法并没有完全的利用，数据之间的关系、发展规律没有充分挖掘。可进一步利用其统计学规律，引入更多更先进的数学模型，并可以引进机器学习深度学习的算法，对数据进一步的探索。