论文部分内容阅读
摘 要：各种电力电子设备的使用，使得电网中的谐波含量日益增加，电网谐波对电能计量及电力设备和线路的继电保护带来了极大危害。电子式互感器在当前智能变电站中的应用日益广泛，其谐波准确度的测量技术的社会关注度持续提升。文章提出了一种基于虚拟仪器技术（LabVIEW）的电子式互感器谐波校验系统，以电流比较仪为标准谐波电流传感器，对电流信号的频谱线进行适当的加窗和插值修正，测量电子式互感器所含的谐波准确度。可以满足0～1000A，频率0～1000Hz测量范围内电子式电流互感器的谐波准确度检测要求。
关键词：谐波准确度;虚拟仪器;加窗插值修正
中图分类号：TM45 文献标识码：A
随着智能变电站的不断发展，电网中电力电子技术的应用越来越普及，导致非线性负荷的占比逐渐提高，引起一系列的电能质量问题。这些问题中以谐波的危害最为广泛和突出。
谐波治理的前提是准确测量谐波，而互感器是谐波测量的直接手段。目前，智能型变电站广泛应用的电子式互感器与以前传统的互感器相比，不存在谐振和磁饱和问题，且响应频带更宽，响应速度也更快。利用电子式互感器测量电网谐波是其主要优势之一，而针对电子式互感器的谐波特性和谐波准确度检测，目前还未有相关实施标准。目前校验仪中，电子式互感器通常采用傅立叶算法进行基波的分离。但是一般实际电网电源大多含有谐波成分，当电网存在随机、较大的谐波含量，并且伴随基波频率波动时，简单的傅立叶展开算法难以达到使用要求。要想准确地提取出需要的信号，进行误差计算，必须使用更为先进的处理信号机分析误差方法[1-4]。
当前，常用的电流互感器的校验仪器设计时，通常采用硬件电路实现，操作较为繁琐，平衡调节工作量大，效率比较低，其通用性也较差。近期较为热门的虚拟仪器技术以NI公司的采集卡为硬件基础，直接实现软件编写，以其性能高、扩展性强、开发时间少、集成度高等优点，在工业及测控领域得以广泛运用。虚拟仪器的核心是以电脑当作仪器的功能载体，运用电脑的各种智能化功能，利用软件来实现传统仪器的功能[5-7]。文章利用虚拟仪器技术，在计算机软件上建立电子式互感器谐波校验系统平台。
1 电子式电流互感器谐波测试系统原理
电子式电流互感器谐波准确度试验的原理如图1所示。使用相同的外部信号在同一时间内触发电子电流互感器以及标准谐波电流互感器，可以同时获得两个一次电流样本。标准互感器和测试互感器的测量电流数据时间相关阵列为离散阵列，并通过傅立叶变换（DFT）后，间接计算出数值的误差和角度差。
图1 电子式电流互感器谐波测试系统图
1.1 谐波电流源
考虑到谐波大电流源的实现难度较大，文章的标准稳流源设定参数为：交流电流幅值0～1000A、频率50～1000Hz。
当大电流变化时，通过电流比较器检测到大电流后，控制电流源的输出电流以形成闭环系统，从而可以稳定大电流。此外，电流比较器还将大电流按比例转换为小电流，连接小电阻以获得小电压信号，并用作谐波测试系统的标准电流传感器头。
谐波电流源的参数为：
输出电流：1000A，输出电压5V。
输出频率范围：50～1000Hz。
电流稳定度：﹥1×10-4A/2min。
1.2 标准谐波电流传感器
标准谐波电流传感器由交流电流比例标准和无感标准电阻组成。交流电流参数：额定一次基准电流1000A，输出频率范围50～1000Hz;额定二次侧基准电流1A，比例准确度5×10-5，工作频率范围50～1000Hz。标准电阻器一般参数：额定电流1A、准确度0.01级、频率0～1kHz。
1.3 电子式互感器谐波误差校验
硬件由24位高精度采集卡NI PCI-5922和工控机构成，软件由LabVIEW实现。电子式互感器谐波误差校验参数：输入模拟量数值0～4V，数字输入格式依据IEC 61850 9-2LE，测试频率0～1000Hz、准确度0.05级。
2 电子式互感器谐波测试系统的软件实现
在虚拟仪器领域，目前美国NI公司的LabVIEW应用最为普及。该软件提供一种图形化的开发环境，采用图形化的编辑语言，可以大幅提高设计仪器系统的工作效率。
电子式互感器模拟输出谐波测试系统，软件包括三个子程序：NI-scope子程序（采集數据程序），谐波测试计算程序和数据存储程序。软件流程图如图2所示。其中标准谐波传感头输出信号和待测电子式互感器输出信号均为模拟信号，用采集卡的2个通道完成。
2.1 采集
初始化—设置信号源。水平时钟—设置采样率和采样点数。默认设定50，即软件采集时卡取触发时刻前后各50%的信号。要使采集卡正好在触发时刻开始数据采集，水平时钟应设置参考位置为0。
触发沿设置—选定模拟信号触发沿作为触发参考信号。设置阈值电压为2.5V，作为触发电压等级。选定触发斜率为正，则上升沿触发。触发耦合选择直流项。
读取波形—采样通道可以设置为0，1和（0，1）。可以单通道采集，也可以双通道采集。
该子程序应循环运行，且每个循环中都要收集波形，然后进行数据处理。
2.2 处理
算法程序设置在循环内部。设置500ks/s采样率，50k采样数，对于50Hz正弦波来说，每个周期采集个点。每个循环采集50k个点，则相当于每5个周期进行采集和处理。
2.3 记录
记录数据时，采样处理循环中止，数据存入指定路径下的txt文档中。如果循环不设定指定次数，则通过手动记录程序终止循环计算。
3 谐波测量仿真试验结果
在LabVIEW软件仿真一个信号发生器，在不涉及采集卡采样误差的情况下调试算法误差，寻找最优算法，仿真参数如表1所示。信号由LabVIEW子程序生成。
如图3所示，叠加2-13次谐波后，用上述子程序生成谐波源，仿真生成3V、50Hz的基波，按表1参数设置所叠加的谐波，计算误差。
用加窗插值修正算法误差，如表2所示。
4 结语
本项目提出了电子式互感器谐波准确度的检验方法，并利用图形化的编程语言开发环境LabVIEW，采用虚拟仪器技术构建了电子式互感器谐波校验系统。系统使用大功率稳定谐波电流源和谐波电压源，用于电子式互感器谐波准确度的检验。以电流比较仪为标准谐波电流传感器，高精度数据采集卡为采集系统，创新的谐波补偿算法加窗插值傅立叶变换为误差计算方法，来测量电子式互感器的谐波准确度。
本项目进行了仿真测试试验，标准功率源校准试验。试验结果表明，该系统可以满足测量范围0～1000A、频率0～1000Hz电子式电流互感器的谐波准确度检测。
由于电源的发展限制，目前只能做到单次谐波单独测量。以后的工作可以着重于非单一成分谐波和间谐波成分波形的测试。随着谐波检测这一工作的开展实施，将大大推动电子式互感器的发展，为谐波计量、谐波治理提供有力的检测手段。
参考文献
[1] 刘延冰.电子式互感器原理、技术及应用[M].北京：科学出版社，2009：1-20.
[2] GB/T 20840.8—2007.电子式电流互感器[S].北京：中国标准出版社，2007.
[3] 余春雨，叶国雄.电子式互感器的校准方法与技术[J].高电压技术，2004，30（4）：22.
[4] 潘文，钱俞寿，周鹗.基于加窗插值FFT的电力谐波测量理论──（Ⅰ）窗函数研究[J].电工技术学报，1994（1）：50-54.
[5] 徐波，童悦.基于虚拟仪器的高准确度电子式互感器模拟输出校验系统[J].电力自动化设备，2011，31（2）：146-148.
[6] 邓焱，王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[7] 王爱国，杨仕友，倪光正，等.基于准同步离散傅立叶变换的介损测量方法[J].高电压技术，2004，30（10）：44245.
关键词：谐波准确度;虚拟仪器;加窗插值修正
中图分类号：TM45 文献标识码：A
随着智能变电站的不断发展，电网中电力电子技术的应用越来越普及，导致非线性负荷的占比逐渐提高，引起一系列的电能质量问题。这些问题中以谐波的危害最为广泛和突出。
谐波治理的前提是准确测量谐波，而互感器是谐波测量的直接手段。目前，智能型变电站广泛应用的电子式互感器与以前传统的互感器相比，不存在谐振和磁饱和问题，且响应频带更宽，响应速度也更快。利用电子式互感器测量电网谐波是其主要优势之一，而针对电子式互感器的谐波特性和谐波准确度检测，目前还未有相关实施标准。目前校验仪中，电子式互感器通常采用傅立叶算法进行基波的分离。但是一般实际电网电源大多含有谐波成分，当电网存在随机、较大的谐波含量，并且伴随基波频率波动时，简单的傅立叶展开算法难以达到使用要求。要想准确地提取出需要的信号，进行误差计算，必须使用更为先进的处理信号机分析误差方法[1-4]。
当前，常用的电流互感器的校验仪器设计时，通常采用硬件电路实现，操作较为繁琐，平衡调节工作量大，效率比较低，其通用性也较差。近期较为热门的虚拟仪器技术以NI公司的采集卡为硬件基础，直接实现软件编写，以其性能高、扩展性强、开发时间少、集成度高等优点，在工业及测控领域得以广泛运用。虚拟仪器的核心是以电脑当作仪器的功能载体，运用电脑的各种智能化功能，利用软件来实现传统仪器的功能[5-7]。文章利用虚拟仪器技术，在计算机软件上建立电子式互感器谐波校验系统平台。
1 电子式电流互感器谐波测试系统原理
电子式电流互感器谐波准确度试验的原理如图1所示。使用相同的外部信号在同一时间内触发电子电流互感器以及标准谐波电流互感器，可以同时获得两个一次电流样本。标准互感器和测试互感器的测量电流数据时间相关阵列为离散阵列，并通过傅立叶变换（DFT）后，间接计算出数值的误差和角度差。
图1 电子式电流互感器谐波测试系统图
1.1 谐波电流源
考虑到谐波大电流源的实现难度较大，文章的标准稳流源设定参数为：交流电流幅值0～1000A、频率50～1000Hz。
当大电流变化时，通过电流比较器检测到大电流后，控制电流源的输出电流以形成闭环系统，从而可以稳定大电流。此外，电流比较器还将大电流按比例转换为小电流，连接小电阻以获得小电压信号，并用作谐波测试系统的标准电流传感器头。
谐波电流源的参数为：
输出电流：1000A，输出电压5V。
输出频率范围：50～1000Hz。
电流稳定度：﹥1×10-4A/2min。
1.2 标准谐波电流传感器
标准谐波电流传感器由交流电流比例标准和无感标准电阻组成。交流电流参数：额定一次基准电流1000A，输出频率范围50～1000Hz;额定二次侧基准电流1A，比例准确度5×10-5，工作频率范围50～1000Hz。标准电阻器一般参数：额定电流1A、准确度0.01级、频率0～1kHz。
1.3 电子式互感器谐波误差校验
硬件由24位高精度采集卡NI PCI-5922和工控机构成，软件由LabVIEW实现。电子式互感器谐波误差校验参数：输入模拟量数值0～4V，数字输入格式依据IEC 61850 9-2LE，测试频率0～1000Hz、准确度0.05级。
2 电子式互感器谐波测试系统的软件实现
在虚拟仪器领域，目前美国NI公司的LabVIEW应用最为普及。该软件提供一种图形化的开发环境，采用图形化的编辑语言，可以大幅提高设计仪器系统的工作效率。
电子式互感器模拟输出谐波测试系统，软件包括三个子程序：NI-scope子程序（采集數据程序），谐波测试计算程序和数据存储程序。软件流程图如图2所示。其中标准谐波传感头输出信号和待测电子式互感器输出信号均为模拟信号，用采集卡的2个通道完成。
2.1 采集
初始化—设置信号源。水平时钟—设置采样率和采样点数。默认设定50，即软件采集时卡取触发时刻前后各50%的信号。要使采集卡正好在触发时刻开始数据采集，水平时钟应设置参考位置为0。
触发沿设置—选定模拟信号触发沿作为触发参考信号。设置阈值电压为2.5V，作为触发电压等级。选定触发斜率为正，则上升沿触发。触发耦合选择直流项。
读取波形—采样通道可以设置为0，1和（0，1）。可以单通道采集，也可以双通道采集。
该子程序应循环运行，且每个循环中都要收集波形，然后进行数据处理。
2.2 处理
算法程序设置在循环内部。设置500ks/s采样率，50k采样数，对于50Hz正弦波来说，每个周期采集个点。每个循环采集50k个点，则相当于每5个周期进行采集和处理。
2.3 记录
记录数据时，采样处理循环中止，数据存入指定路径下的txt文档中。如果循环不设定指定次数，则通过手动记录程序终止循环计算。
3 谐波测量仿真试验结果
在LabVIEW软件仿真一个信号发生器，在不涉及采集卡采样误差的情况下调试算法误差，寻找最优算法，仿真参数如表1所示。信号由LabVIEW子程序生成。
如图3所示，叠加2-13次谐波后，用上述子程序生成谐波源，仿真生成3V、50Hz的基波，按表1参数设置所叠加的谐波，计算误差。
用加窗插值修正算法误差，如表2所示。
4 结语
本项目提出了电子式互感器谐波准确度的检验方法，并利用图形化的编程语言开发环境LabVIEW，采用虚拟仪器技术构建了电子式互感器谐波校验系统。系统使用大功率稳定谐波电流源和谐波电压源，用于电子式互感器谐波准确度的检验。以电流比较仪为标准谐波电流传感器，高精度数据采集卡为采集系统，创新的谐波补偿算法加窗插值傅立叶变换为误差计算方法，来测量电子式互感器的谐波准确度。
本项目进行了仿真测试试验，标准功率源校准试验。试验结果表明，该系统可以满足测量范围0～1000A、频率0～1000Hz电子式电流互感器的谐波准确度检测。
由于电源的发展限制，目前只能做到单次谐波单独测量。以后的工作可以着重于非单一成分谐波和间谐波成分波形的测试。随着谐波检测这一工作的开展实施，将大大推动电子式互感器的发展，为谐波计量、谐波治理提供有力的检测手段。
参考文献
[1] 刘延冰.电子式互感器原理、技术及应用[M].北京：科学出版社，2009：1-20.
[2] GB/T 20840.8—2007.电子式电流互感器[S].北京：中国标准出版社，2007.
[3] 余春雨，叶国雄.电子式互感器的校准方法与技术[J].高电压技术，2004，30（4）：22.
[4] 潘文，钱俞寿，周鹗.基于加窗插值FFT的电力谐波测量理论──（Ⅰ）窗函数研究[J].电工技术学报，1994（1）：50-54.
[5] 徐波，童悦.基于虚拟仪器的高准确度电子式互感器模拟输出校验系统[J].电力自动化设备，2011，31（2）：146-148.
[6] 邓焱，王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[7] 王爱国，杨仕友，倪光正，等.基于准同步离散傅立叶变换的介损测量方法[J].高电压技术，2004，30（10）：44245.