電子式互感器在數字變電站的校驗技術應用

余屹林

上海久隆電力（集團）有限公司

0 前言

電子式互感器是一種配電裝置，是一種測量用的傳感器，由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電壓或電流傳感器組成，用以傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。在數字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元完成此功能。

1 校驗原理

從互感器輸出接口來看，數字輸出電子式互感器的二次側輸出為合并單元（MU），它將同一時刻不同協議規定的三相電流、電壓互感器的12路信號按標準規定的數據格式組成幀內容，以特定的格式發送給計量和保護裝置，通過合并單元輸出的數字信號有2 種以太網輸出方式，分別為IEC60044-8中FT3 格式采用的曼切斯特編碼發送方式和IEC61850-9-1中IEEE8802.3的發送方式。前者傳輸速率為2.5 Mbit/s，后者傳輸速率達到100 Mbit/s，應用更為廣泛。

數字輸出電子式互感器校驗的基本原理如圖1所示，將升流器/升壓器、待測電子式互感器一次端子、標準互感器一次端子接成閉環，分為標準通道和待測通道2路。標準通道中的標準互感器通過標準A/D轉換器輸出數字信號接入計算機。待測通道中待測電子式互感器通過合并單元輸出數字信號接入計算機。外部同步脈沖發生器發出觸發信號至電子式互感器合并單元和標準A/D 轉換器，使得2 路信號同步。調節調壓器，使測量值覆蓋標準要求的每個測量點。上位機校驗系統軟件分別對2路采樣后的數字信號提取信號有效值和相位信息并計算誤差。目前，國內外采用的數字輸出電子式電流互感器校驗系統多采用該原理。

2 電子式互感器校驗技術分析

2.1 數字化變換技術

2.1.1 高分辨率

圖1 數字輸出ET校驗原理

對于校0.2S級的電子式互感器，校驗系統標準通道的精度至少要達到0.05級，這就要求A/D具有高分辨率。A/D的高分辨率是影響校驗系統精度的主要因素之一，最好在24位以上。

2.1.2 高動態范圍

對于測量用電子式電流（電壓）互感器的校驗，標準要求在額定電流的5%～120%之間（在額定電壓的20%～120%之間）都要準確測量。對于0.2S 級準確度，更要求在額定電流的1%～120%之間準確測量，所以必須要求采集卡的高動態范圍，即對萬分之一伏到幾伏范圍內任何波動都可以準確采集。

2.2 信號的同步技術

根據國家電網公司物資采購標準，信號的同步技術誤差要小于1 μs，而對于0.2S 級的電子式互感器的誤差精度，在額定電流、電壓下相位誤差要求在10′（不足10 μs）以內。若僅同步誤差就大于1μs，整個校驗系統就難以滿足校驗等級要求，而要保證同步誤差小于1 μs，就需要高精度同步脈沖源和同步實現方法。

插值計算法由二次設備完成，根據互感器提供的若干時間點上的采樣值，插值計算得到需要的時間點上的電壓、電流值。同步脈沖法則使用統一的同步脈沖信號，電子式互感器在送出的采樣值中打上時標，提供給二次設備。目前，對于數字輸出電子式互感器的校驗系統，人們大多采用同步脈沖法實現2路信號的同步。

2.3 信號提取的精度

構成標準電流或電壓通道的一次變換器由于是傳統互感器，與被校驗的電子式互感器的頻帶寬度有較大差別，所以校驗軟件需要在2 個不同的頻帶下準確提取基波信號，特別是基頻變化時，采用普通的快速傅里葉變換（FFT）算法難以滿足校驗要求。為了準確提取基波信號，消除非同步采樣與數據截斷所引起的頻譜泄漏和柵欄效應帶來的誤差，文獻采用了加窗插值FFT 分析算法，在一定程度上抑制了頻譜泄漏，提高了信號提取的準確度。

2.4 通信技術

在數字輸出電子式互感器校驗系統中，校驗系統與MU的通信是必不可少的。MU的通信規約采用IEC61850-9標準，目前大多采用IEC61850-9-1協議進行通信。IEC61850-9-1 協議的數據幀格式雖然是固定的，但不同生產廠家生產的MU 數據幀中ASDU 的個數不同，計數器零點的位置也不同，所以要針對不同廠家開發MU 的數據幀捕獲程序。目前，數據幀捕獲程序有的采用Labview 編寫，有的采用C++編寫，為了快速得到穩定準確的數據幀格式，應采用執行效率更高的C++。

3 電子式互感器在線校驗系統構成及技術實現

電子式互感器根據用途不同，校驗系統可以分成實驗室用、現場用及在線校驗用等幾類，前面兩類在特定的離線情況下使用于傳統互感器。人們由于對電子式互感器校驗技術的研究較少，尤其是對現場帶電校驗技術的研究更是一片空白，也沒有相應的標準出臺。電子式互感器在線校驗技術可以針對高壓傳統互感器和電子式互感器進行不斷電監測，符合數字化變電站的發展趨勢，可有效提高設備的利用率和可靠性，保證被校互感器運行更安全、可靠。

3.1 系統構成

在線校驗系統是針對電磁式電流互感器、模擬輸出電子式電流互感器和數字輸出電子式電流互感器3 種基本電流互感器設計的。其中，數字輸出電子式電流互感器校驗最為復雜，是根據電子式電流互感器標準IEC60044-8中對于數字輸出電子式互感器誤差測量的實驗要求設計的，即計算機在同一時間取一次電流的2 種樣本，一路來自標準電流互感器，另一路來自被測電流互感器，2路分別送入計算機計算幅值和相位，再做比較運算。該校驗原理適用于數字輸出電子式互感器，也同樣適用于模擬輸出電子式電流互感器和電磁式電流互感器，在線校驗系統如圖2所示。

在線校驗系統包括標準通道、被校通道和校驗平臺3 部分，其基本原理是將標準電流互感器和被校電流互感器的輸出分別通過標準通道和被測通道發送到校驗平臺。校驗平臺得到2路信號同一時刻的輸出信號，分別提取其幅值和相位，計算出比差和相差。

圖2 電流互感器在線校驗系統框圖

3.2 關鍵技術

3.2.1 適用于現場帶電操作的高準確度標準傳感頭

本系統采用了便于現場安裝的基于PCB 板的鉗形空心線圈作標準傳感頭，通過對該標準傳感頭進行數學建模和原理推導，并且針對其開口氣隙大小、位置影響、鄰相干擾、溫度性能等進行詳細實驗研究以及掛網試驗，證明該傳感頭具有準確度高、動態范圍寬、實現方便及不斷電安裝的特點。

3.2.2 高準確度電力參數估算算法

采用絕對比較法測量原理的校驗系統需要分別提取同一時刻一次導線電流的2 種樣本值，即標準電流互感器輸出值和待測電流互感器輸出值。改進的誤差理論算法能更精確地提取2路信號基頻參數值，以便于比較運算。

4 電子式互感器的優點及應用

4.1 優點

1）高低壓完全隔離，安全性高，具有優良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題。電磁互感器的被測信號與二次線圈之間通過鐵芯耦合，絕緣結構復雜，其造價隨電壓等級呈指數關系上升。非常規互感器將高壓側信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸到二次設備，這使得其絕緣結構大大簡化。電壓等級越高其性價比優勢越明顯。

2）沒有因充油而潛在的易燃、易爆炸等危險。非常規互感器的絕緣結構相對簡單，一般不采用油作為絕緣介質，不會引起火災和爆炸等危險。

3）動態范圍大，測量精度高，頻率響應范圍寬。電網正常運行時電流互感器流過的電流不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網容量的增加，短路電流越來越大。非常規互感器有很寬的動態范圍，可同時滿足測量和繼電保護的需要。

4）抗電磁干擾性能好，低壓側無開路高壓危險。非常規互感器的高壓側和低壓側之間只存在光纖聯系，信號通過光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側無開路引起的高電壓危險。

5）數據傳輸抗干擾能力強。電磁式互感器傳送的是模擬信號，電站中的測量、控制和繼電保護傳統上都是通過同軸電纜將電氣傳感器測量的電信號傳輸到控制室。

6）體積小、重量輕。非常規互感器無鐵芯，其重量較相同電壓等級的電磁式互感器小很多。

4.2 應用

電子式互感器主要應用于電力系統的電參量測量及各類輸入或輸出變頻電量的電氣設備的檢驗、試驗和能效評測。其中，電子式電流互感器具有更高的帶寬，適用于諧波含量較大的電流基波及諧波測量。為了準確測量功率，人們還可以采用電壓、電流組合式電子式互感器，因為組合式電子互感器可以更好地控制電壓、電流信號的相位差，提高功率測量的準確度。

5 結論

本文對數字輸出電子式互感器校驗的關鍵技術進行了詳細介紹和研究,信號同步、標準通道采集單元的A／D位數和信號提取算法是數字輸出電子式互感器校驗系統的關鍵技術。在滿足校驗精度前提下，今后研究的重點應該放在電子式互感器校驗系統的高度集成性及便攜性上，為校驗系統構建一個操作方便的工作平臺。