基于LabVIEW的电子互感器现场校验系统
张明1），李凯成2），王俊1），何顺凡2）
- 武汉纺织大学，电子电气工程学院，武汉市 430070，湖北省，中国
- 华中科技大学，电子电气工程学院，武汉市 430070，湖北省，中国
摘要
电子式电压互感器（EVT）和电子式电流互感器（ECT）是数字化变电站中的重要设备。为了简单，快速和便捷的开发，本文提出了一种基于LabVIEW的电子互感器现场校准系统。在该系统中，安捷伦3458A数字万用表保证了模拟信号的采样精度和动态范围，同时基于自主研发的PCI同步卡也可实现数据同步。为了提高测量精度，基于汉宁窗插值FFT的误差校正算法对频率波动和间谐波干扰有很好的抑制作用。它的人机界面和分析算法是基于LabVIEW设计，而自适应通信技术是基于IEC61850 9-1 / 2所设计。此校准系统可以考虑电子电压/电流互感器校准的数字输出和模拟输出对。系统测试结果表明，该校准系统能够满足0.2级校准精度的要求，实际测试和现场校准也表明该系统操作方便，稳定性令人满意。
关键词：校准系统，电子式互感器，数据采集，数据同步，LabVIEW。
- 介绍
近年来，随着变电站自动化和网络通信技术的快速发展，特别是IEC 61850标准的颁布和实施，传统变电站已逐步向数字化变电站过渡。
电子电压互感器（EVT）和电子电流互感器（ECT）是数字化变电站的重要仪器[1-3]。它们的输出被送到变压器的合并单元（MU），数字信号被转换成用于变电站监控，继电保护和控制系统的数据总线，因此可靠性可以达到99％。基于IEC60044-7 / 8标准，电子变压器次级输出分为数字输出和模拟输出两种[4-5]。然而，传统的校准设备不能满足要求，这引发了对电子互感器校准系统的一些研究[6-9]。
由于EVT/ECT的多样性和特性，此系统采用数字输出和模拟输出的校准系统代替传统的校准系统。因此，主要考虑影响校准系统精度的因素，采用简单可靠的结构，设计了电子式互感器现场校验系统，其额定电压为10〜500 kV的EVT，额定电流为5〜5000的ECT。在该系统中，使用安捷伦3458A数字万用表来极大地扩展采样精度，从而提高精度和可靠性。为了获得同步测量的数据采集，自行开发的PCI同步卡可以提供脉冲同步信号，以同步系统的参考和测试通道。此人机界面和分析算法基于LabVIEW设计，可以实时显示波形，频率，幅度，相位等数据，便于对变压器性能进行综合分析。另一方面，与硬件电路相比，软件开发、调试和改进更容易。它不仅加速了产品的开发进度，而且提高了产品的稳定性[10-11]。该系统实现了EVT/ECT校准的高精度，提高了数字信号处理的灵活性和计算速度。为了提高测量精度，采用汉宁窗插值FFT（HWIPFFT）算法。它不仅满足高精度采样的要求，而且对被测信号的高频干扰和频率波动不敏感。
文中提出的关键技术的组合是实现高精度的最重要的特征，也是本文的贡献。论文的结构如下：第2部分阐述了系统的理论和设计方案。首先介绍了现场校准系统的设计，然后在第3节中讨论了关键技术的方案。然后在第4节中给出和讨论实验结果。最后，在第5节中给出了结论。
- 原理和结构
在本文中，根据IEC 60044-7 / 8标准，电子互感器的现场校准系统旨在评估测试EVT / ECT的测量精度。 校准系统的框图如图1和图2所示。 他们分别描述了EVT / ECT测试的系统原理和结构。
所提出的校准系统包含参考信道、测试信道和测试设备。在图1中，参考信道包括标准电压互感器（VT）和8数字万用表（安捷伦3458A，用于模数转换）。在图2中，参考通道包括标准电流互感器（CT），采样电阻和Agilent 3458A。标准CT将提供输出电流，然后通过采样电阻，具有数据采集功能的安捷伦数字万用表可以采集信号并确保高精度。在图1和2中，测试通道包括测试EVT / ECT和MU。 来自测试EVT / ECT的信号在电力系统的高压侧采样，然后采样结果通过光纤传输到MU。
参考和测试信道的数据接收由基于工业PC机（IPC）的测试设备来充电，该工业PC具有PCI GPIB（通用接口总线）卡和以太网接口。使用自主开发的时钟同步卡，IPC发送脉冲同步信号以实现数据采集的同步。然后，IPC开始每次从两个通道接收10个周期的数据并按顺序存储它们。在IPC中，LabVIEW被用作计算，保存，调用和显示的统一软件平台，这为所提出的校准系统提供了便利的方法。因此，开发程序的特点是使用软件来校准带标准变压器的测试EVT / ECT。 可以使用HWIpFFT算法执行多个测量，例如比率误差，相位误差，频率，关于两组数据的谐波含量。
- 设计
此外，所提出的校准系统结合了信号转换单元、数据采集单元、信号同步单元、IPC和LabVIEW软件程序等。在该系统中，信号采集、信号同步等硬件集中在IPC中，通过LabVIEW软件实现信号处理等功能。
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- 硬件设计
信号转换单元（I / V转换）。该设备单独设置用于CT校准。标准CT（0.02级精度）的二次电流输出信号通过高精度采样电阻（with 1精度等级为0.01）转换为电压信号，以便Agilent数字万用表能够正确读取数据。
数据采集单元。 Agilent 3458A数字万用表是安捷伦科技提供的最快，最灵活，最精确的万用表，与LabVIEW软件兼容非常重要。它用于测量输入信号作为参考通道的A / D转换器。 它可以提供24位的有效精度，最低有效位权重为2-23。测试设置的误差足够小，在用于校准验证时可以忽略。MU用于合并和同步采样的电压/电流信号并将这些数据传输到IED（智能电子设备）。本文使用的MU模型是OEMU702。 它支持连接EVT / ECT和电磁VT / CT。 它还可以在ECT / EVT和常规VT / CT之间的变电站中作为A / D和D / A转换器运行，以将同步信号传输到母线保护和变压器保护。 OEMU702的技术数据如表1所示。
信号同步单元。 校准系统的关键还体现在脉冲同步信号上。采集过程必须是同步采样，否则计算结果将毫无意义。基于ARM7微控制器（LPC2214）开发了PCI同步卡。如果每个MU能够补偿信号延迟，则同步误差限制可以小于plusmn;1mu;s。 该卡插入IPC PCI插槽，可输出4路同步脉冲，即2路电信号和2路光信号。因此，很容易用来满足MU的不同步需求。 PCI同步卡的框图如图3所示。 如图3所示，我们在卡上设计了一个串口，用于PCI同步卡和IPC之间的串行通信。 使用不同的PC既方便又灵活。在测试中，MU和安捷伦3458A必须达到校准的时间同步[12-13]。 因此，IPC使用时钟同步信号来控制两个通道的同步采样。当接收同步卡产生的同步脉冲时，两个通道开始采样。MU时钟同步采用光同步脉冲信号（或电同步脉冲信号），使得MU的采样节拍与安捷伦3458A同步。所以，这将确认来自参考和测试通道的信号的同步，并且可以确保后续分析是正确的。
图4示出了同步第二脉冲信号的技术指标。时钟频率为1 Hz。触发光功率是同步第二脉冲信号上升沿处的最大光功率的50％。通常，MUs可以检测信号的正确性。如果相邻脉冲间隔时间和理想间隔时间（1s）之间的差值大于10mu;s，则同步信号异常，则根据IEC61850-9发出的同步状态为“1”。否则，根据IEC61850-9，MUs可以同步并发出同步状态为“0”。
接口。 GPIB接口和以太网接口可以提高校准系统的可靠性和方便的访问接口。 系统中的这些接口也可以进行高速数据传输。使用Ni-PCI-GPIB通信卡，插入IPC-PCI插槽。它有助于IPC和AGENOTE345 8A之间的连接。此外，LabVIEW软件支持GPIB和以太网协议是很重要的。
3.2. 软件设计
3.2.1 校准软件设计
校准软件主要完成两个任务：IPC与本地仪器之间的通信和数据分析。软件流程图如图5所示。
校准系统接口由LabVIEW软件设计，软件接口由参数设置接口、数据分析接口和参数分析接口三部分组成。
图6所示的参数设置接口完成校准参数设置，包括数字/模拟变压器选择、系统额定初级/次级值设置、系统协议选择、校准信道选择和校准时间。
数据分析界面主要显示计算结果，如图7所示。接口是系统的核心。在参数设置完成后，点击“开始”按钮（“一键”模型），根据配置参数完成整个测量和校准过程，并能显示标准源振幅、系统频率、比率误差的百分比（最大、最小和平均值、相位误差（最大值、最小值和平均值）、实时波形、系统测试执行的进度、参数的详细列表（振幅百分比、比率误差、相位误差）和计算对于每个比较来说是有效的或不适用的。
参数分析接口主要用于变压器的故障校准，如图8所示。在时域分析中，将计算两个信道信号的频率、幅值、相位角和其他参数。对于频域分析，它可以自动分析两个通道的直流信号幅度谱，2到20次谐波，然后计算它们的谐波比（HR），总谐波失真（THD）。
HR是第k次谐波幅度与第一次谐波幅度（基频分量）的比值。 对于电压信号，HR通常用百分比表示，可以等效地写成
HRUK=,
其中UK是第k次谐波的RMS（均方根）电压。 U1是一次谐波的RMS电压。
THD被定义为所有高次谐波频率的平方根与一次谐波幅度的幅度比。 对于电压信号，THD通常也用百分比表示，可以等效地写成
THD=,
其中UH是最高次谐波频率的平方根，可表示为
最后结论表明，时域和频域分析的结果有助于变压器性能的比较分析。
3.2.2． 系统通信
系统通信是指校准系统与MU之间的通信。随着数字化变电站的强大建设，MU的通信协议趋于使用IEC 61850-9标准[12-13]进行标准化。在校准系统的软件设计中，它与三个协议{IEC61850（-9-1，-9-2，-9-2LE）}兼容。因此，该系统可以灵活地选择通信协议来校准各种通信模式的电子互感器，并提供全帧分辨率来自动分析ASDU（应用服务数据单元）数据。
3.2.3 基于HWIpFFT的错误计算分析
众所周知，实际的功率信号并不理想。它们可以被看作是叠加在一个基本分量上的一系列不同分量的总和，并且谐波的振幅一般是基波或更小谐波的振幅的百分之几。
当对实际信号进行非同步采样时，频谱泄漏将严重影响FFT对基频分量的影响，导致校准系统误差较大。大振幅谐波分量也能压倒小的谐波分量。适当的窗函数和插值算法可以提高FFT的精度。
插值FFT（IpFFT）是一种众所周知的技术，可以提高非同步采样信号的参数估计精度。 通过使用非同步采样信号来卷积使用的窗口函数谱，获得FFT峰值的期望谱的理论函数。因此用这个函数内插FFT峰值将导致改进的参数估计。 对于实时使用，算法必须在准确性和执行时间之间进行权衡。 在本文中，选择的IpFFT算法是一个使用汉宁窗口的两点算法[14]。
考虑采样的单频信号
这里k=0,1,2，hellip;hellip;，N-1，f是频率，A是振幅，是相位角，是采样间隔。
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- 系统不确定性
校准系统存在三个主要的不确定因素：标准VT / CT，数字采样系统和误差计算方法。
标准VT / CT不确定度可以通过与更精确的参考传感器进行比较来测量。 发现标准VT的不确定度比率误差小于0.01％，相位误差小于0.2％。标准CT的不确定度误差小于0.02%，相位误差为0.3 min。采样电阻被用作标准CT的额定次级负载，并且作为从电流到电压的转换器，它提供具有适当电压值的安捷伦3458A。电阻由精密阻抗分析仪测试。电阻的相对误差小于0.01%。
校准系统不仅要求高分辨率，还需要低不确定性。为了保证低不确定性，使用安捷伦345 8A数字万用表。它可以实现低不确定性的性能与100 ppm的交流电压的最佳精度。具有数字采样功能和外部触发同步采样方式，保证采样精度（信号幅度）和采样同步（信号延迟）。安捷伦345 8A中的AD转换器的量化误差和非线性误差可以忽略，因为它们的影响通常可以忽略不计[15 ]。
当采样率不是施加到基准和测试变压器的初级电压或电流的频率的精确倍数时，就会发生泄漏效应。窗口技术和相位差校正方法可以大大降低效果。因此，HWIPFFT算法能够以非常高的精度分析信号，其通常小于0.05%〔14〕。
- 实验
4.1.错误计算的定义
以EVT测试为例。 为了单独验证测试的EVT，可以通过将其与标准VT进行比较，以0.02级的精度测量其在大范围电压下的准确度。
4.2典型测试
为了验证校准系统的正确性，在实验室中进行了以下测试。作为标准信号源的FLUKE 57 20A多功能校准器结合校准系统测量比值误差和相位误差，可提供两个标准电压信号。比例误差和相位误差测量的校准示意图分别在图10中示出。
测量结果表明，校准系统可以达到0.05％的精度。 因此，该系统可以满足电子式互感器0.2级校准精度的要求。
4.3.现场校验
根据图1和图2，我们建立了一个校准系统，以验证所测试的EVT/ECT的准确性和可行性。该系统已在广东省三湘变电站现场校准，如图11所示。
在实际测试中，在误差计算过程中采用了每个数据点的10个样本。根据IEC600 44-7，额定电压的80%～120%的电压必须满足
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