電子式電流互感器數(shù)字量輸出的校準

電子式電流互感器數(shù)字量輸出的校準

電流傳感器檢驗儀是用于監(jiān)測電流傳感器的專用儀式。傳統(tǒng)的電流互感器校驗儀大多是采用差值原理進行取差,然后利用直角坐標型交流電位差計測差,校驗過程相對復雜,且功能單一。本文以LabVIEW為工具,將虛擬儀器技術(shù)引入新型電流互感器校驗儀的研制,發(fā)揮虛擬儀器靈活、可自定義、具有強大數(shù)據(jù)處理和分析功能、易于嵌入數(shù)字補償以及開發(fā)周期短等特點,為電流互感器校驗提供了新的符合IEC60044-8標準的技術(shù)手段和方法。1rogowski生物學特性圖1是電子式電流互感器利用Rogowski線圈測量電流的原理圖。根據(jù)全電流定律和電磁感應(yīng)定律,可推導出線圈感應(yīng)電勢為e(t)=?Ndφdt=?μ0Nh2πl(wèi)nRaRi?didt?(1)e(t)=-Νdφdt=-μ0Νh(huán)2πl(wèi)nRaRi?didt?(1)其中:i為一次側(cè)電流,μ0為真空磁導率,N為線圈匝數(shù),h為骨架高度,Ra為骨架外徑,Ri為骨架內(nèi)徑。如圖1所示,Rogowski線圈輸出電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,利用發(fā)光二極管將該數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為光信號,通過光纖將光信號傳輸?shù)降蛪憾?在低壓端將包含了一次電流信息的光信號還原為電信號并進行相應(yīng)的信號處理。2000年頒布的IEC60044-8標準規(guī)定,新型電子式電流互感器具有模擬電壓輸出或數(shù)字電壓輸出,且其輸出的模擬電壓或數(shù)字電壓的準確度必須經(jīng)過校驗。依據(jù)IEC60044-8,原有電流互感器校驗儀已很難滿足檢定新型電子式電流互感器產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)需求,因此,十分必要研制新型的電流互感器校驗儀。2電流傳感校驗儀的數(shù)值積分法及其計算本文所研制的電流互感器校驗儀具有鮮明的微機化儀器特征,其許多功能均由軟件實現(xiàn)。該研制方案的特點是將原有電流互感器校驗儀的功能電路虛擬化,利用軟件實現(xiàn)對被校驗電流互感器比差、角差、頻率、諧波含量等多項性能指標的測量。這種新型互感器校驗儀主要由信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集卡、校驗用軟件程序等組成。具體實施校驗時,用標準電流互感器和被測電流互感器測量同一電流,它們二次側(cè)的電流信號I2N,I2X(模擬量或數(shù)字量)經(jīng)轉(zhuǎn)換、調(diào)理,成為便于數(shù)據(jù)采集卡接受的信號,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入該校驗儀的核心單元——計算機中,借助預(yù)先編制好的校驗軟件進行計算、分析、處理后,表征電流互感器技術(shù)性能的測量結(jié)果被存儲、顯示、或打印(輸出),如圖1所示。數(shù)據(jù)采集卡直接插在計算機的外圍設(shè)備接口(PCI)插槽中,并通過接線端子和電纜與信號調(diào)理箱相連。被校信號有效值,可以采用DFT法計算,也可用數(shù)值積分法求得。我們所研制的電流互感器校驗儀采用DFT算法,兩路電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后,經(jīng)過DFT運算便可得到有效值UN,UX(算法略),它們分別正比于標準電流互感器和被校電流互感器二次側(cè)電流信號的有效值?；谔摂M儀器技術(shù)的電流互感器校驗儀可很方便地對被校信號進行數(shù)字濾波處理,然后按式(2)計算出比差f,并以顯示、存儲等形式輸出。f=(100×(α1KTUT?α2KXUX)/α1KTUT)?(2)f=(100×(α1ΚΤUΤ-α2ΚXUX)/α1ΚΤUΤ)?(2)式(2)中:KT和KX分別是標準與被校電流互感器的額定電流比;α1,α2為標準和被校電流互感器的電流/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。這里的角差是針對工頻量而言的,對它的測算有多種方法,在我們所研制的校驗儀中采用了DFT方法。設(shè)被校電流互感器輸出的電流信號為x(t)=Acos(2πft+φ),數(shù)字采集卡的采樣頻率fs=Nf。對上述被校信號x(t)進行DFT變換,可以求出x(t)包含的基波和諧波分量大小,其中基波分量(工頻量)表達式為3電流傳感校驗儀的設(shè)計及結(jié)果圖3是所研制的新型電流互感器校驗儀的顯示軟面板,它相當于原有校驗儀的前面板。在該軟面板上,可直接對校驗儀數(shù)據(jù)采集卡的采樣通道、數(shù)據(jù)掃描率、數(shù)據(jù)讀取率以及緩存大小等進行設(shè)置。該軟面板通過端口與儀器的圖型化程序相連,圖型化程序即校驗軟件是這種新型校驗儀的核心,它是按用戶需求編制而成,不僅集合了校驗儀的所有功能,還執(zhí)行數(shù)據(jù)傳遞的功能。由圖3可見,在新型電流互感器校驗儀的顯示面板上不僅可以給出校驗結(jié)果,而且可以直觀地同時看到標準與被校電流信號的波形等。為確定所研制新型電流互感器校驗儀的技術(shù)性能,我們利用Fluke公司的多功能校驗儀5520A(比差準確度指標為0.01%)對其進行了對比校驗,校驗結(jié)果如圖4～6所示。由圖4,5可知,所研制的新型電流互感器校驗儀的比差為±0.05%,角差在2′以內(nèi)。圖6則表明,該校驗儀具有很好的線性度。上述結(jié)果說明了這種新型電流互感器校驗儀可用于對0.2級和以上電流互感器的校驗。4關(guān)于問題的討論4.1采樣頻率與信號頻率之比的確定在我們所編制的電流互感器校驗計算軟件中,利用FFT算法計算幅度譜和相位譜是以1s為一個基本計算單元的。其中N=2i,i為自然數(shù)。式(3)(4)是在假定采樣頻率與被測信號頻率之比為整數(shù)的情況下導出的,如果采樣頻率與被測信號頻率之比不為整數(shù),則式(3)應(yīng)改寫為X(1)=∑n=0fs?1Acos(2πnN+φ)?e?j2πnN?(5)X(1)=∑n=0fs-1Acos(2πnΝ+φ)?e-j2πnΝ?(5)經(jīng)過化簡,有X(1)=∑n=0fs?1A2[cosφ+cos(4πnN+φ)]+j?∑n=0fs?1A2[sinφ?sin(4πnN+φ)].(6)X(1)=∑n=0fs-1A2[cosφ+cos(4πnΝ+φ)]+j?∑n=0fs-1A2[sinφ-sin(4πnΝ+φ)].(6)對采樣頻率與信號頻率之比不為整數(shù)的情況,具體又分以下兩種可能加以討論。a)fs=2i(i為自然數(shù))如果進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時確定每秒鐘的采樣點數(shù)為2i,對于理想的工頻信號來說,相當于在50個周期內(nèi)均勻采樣2i點,考慮式(6),有∑n=02i?1A2[cos(200nπ/2i+φ)]=∑n=02i?1A2[sin(200nπ/2i+φ)]=0?(7)∑n=02i-1A2[cos(200nπ/2i+φ)]=∑n=02i-1A2[sin(200nπ/2i+φ)]=0?(7)由式(6),(7)可推導出φ=arctan[Im(X(1))Re(X(1))].(8)φ=arctan[Ιm(X(1))Re(X(1))].(8)b)fs≠2i(i為自然數(shù))相應(yīng)地,式(6)可改寫為X(1)=∑n=0fs?1A2[cosφ+cos(200nπ/2i+1+φ)]+j?∑n=0fs?1A2[sinφ?sin(200nπ/2i+1+φ)].(9)X(1)=∑n=0fs-1A2[cosφ+cos(200nπ/2i+1+φ)]+j?∑n=0fs-1A2[sinφ-sin(200nπ/2i+1+φ)].(9)顯然,此時式(7)不再成立。利用式(8)計算相角必然帶來誤差。因此,必須保證每秒鐘采樣點數(shù)為2的整數(shù)次冪。所以校驗之前,應(yīng)在互感器校驗儀軟面板中設(shè)置采集參數(shù)。4.2通道系統(tǒng)幅值的補償模塊數(shù)據(jù)采集卡的不同通道對于信號的衰減和相移很難達到完全一致,因此有必要在所開發(fā)的校驗儀軟件程序中增加測量補償功能。補償方法如下:首先將通道1和通道2接入同一個標準信號,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算出通道1和通道2的衰減A1和A2以及兩個通道之間的相差β。這樣,在編制框圖程序中計算信號幅值的功能單元時,就可以分別乘以系數(shù)A1,A2,從而實現(xiàn)對因通道不同造成的系統(tǒng)幅值測量誤差的補償與校正;編制計算兩信號相差的功能軟件時,就可以加上補償系統(tǒng)相差量β的功能部分。由于我們所研制的新型校驗儀正具有基于虛擬儀器技術(shù)的微機化儀器特點,即儀器的許多功能都是很方便通過軟件方式加以準確實現(xiàn)的,因此,該儀器不同輸入通道在信號傳輸上表現(xiàn)出的不一致性,可以通過軟件編程的辦法方便地加以補償。5儀器的智能化和承擔了作業(yè)主體的責任,有利于更好地為用戶提供自主校驗儀的技術(shù)基礎(chǔ)基于虛擬儀器技術(shù)所研制的便攜式電流互感器校驗儀具有以下優(yōu)點:1)該電流互感器校驗儀僅由信號調(diào)理箱、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(或筆記本電腦)和相應(yīng)測算軟件組成,裝置體積小、重量輕,便于攜帶。2)該校驗儀能夠?qū)﹄娏骰ジ衅鞯谋炔?、角差、頻率、諧波等多個技術(shù)性能指標進行檢測與分析,還能將它們輸出、存儲或打印,整個過程全部由儀器中的計算機智能化完成,不僅大大提高了校驗效率,通過對本身系統(tǒng)誤差的自動補償與校正還改善了校驗水平,且操作簡便,明顯降低了校驗的工作強度。3)其軟件化的構(gòu)