基于改進數字濾波算法的電子式互感器穩態校驗方法

顧　強, 劉浩武,， 徐曉萌, 李曉輝, 陳　彬, 葛磊蛟

(1. 國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2. 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；3. 國網天津市電力公司，天津 300055)

0　引言

電子式互感器是一種廣泛應用于智能變電站的電參量測量裝置，也是一種模擬量輸入、數字量輸出的非傳統互感器，其采集信號通過合并單元提供給智能變電站的計量、保護和控制等進行應用。不僅擔負著電網的精確計量，也肩負故障監測等重要責任，故在實際運行中對其進行離線式、在線式準確度校驗是一種常態。在國家標準GB/T20740.8—2007電子式電壓互感器[1]和GB/T20840.7—2007電子式電流互感器[2]中，也明確規定了數字化變電站中電子式互感器校驗的流程和標準，以及準確檢定的誤差范圍。但是遵照IEC 60044標準，現有的以電磁式互感器作為標準源的電子式互感器校驗方法，直接用標準源生成的模擬信號經過AD轉換后與被檢測電子式互感器信號進行對比分析，會因電磁干擾、標準源的準確度、模數采集卡的準確性、信號的不同步等多種不確定因素導致校驗出現偏差，有待深入研究和改善。

近年來國際國內的學者們對電子式互感器的校驗進行了研究，取得了一些成果。文獻[3]提出了一種含電子式互感器校驗儀的傳變特性測試研究方案，并分析光學裝置、空心線圈和鐵心線圈等3種不同類型的電子式電流互感器的誤差特性；文獻[4]系統闡述了電子式互感器在數字化變電站中應用的原則以及需要比傳統互感器增加的試驗項目和試驗方法，并提出了數字化變電站的一種配置方案。另外，一些國內同行從電子式互感器校驗相關的信號處理方法[5]、在線校驗方法[6]、數據采集方法[7-8]、電磁干擾[9]、數據校驗方法[10]等方面進行了一些研究。

本文針對傳統電子式互感器校驗過程中校驗效果差和準確度低的問題，通過多次采樣數據，結合中位值濾波法、算術平均濾波法、滑動平均濾波法等多種數字濾波方法的優點，提出了一種采用改進數字濾波算法的電子式互感器穩態校驗方法，以期為電子式互感器的大規模推廣應用提供技術支持和借鑒。

1　電子式互感器的校驗方法

當前電子式互感器的準確度校驗主要以傳統方法為基礎，即以含鐵心的傳統電磁式互感器作為標準源。首先，通過對鐵心繞組抽頭引線的方式實現對不同規格額定一次電壓、電流的測量；其次，通過電子式互感器校驗系統內部的A/D模數轉換模塊，將模擬信號轉換為數字信號；再次，將該數字信號與被測電子式互感器輸出的數字信號對比；最后，采用差值法分析得出誤差及相差數據，從而實現電子式互感器的校驗，其框圖如圖1所示。

圖1　電子式互感器的校驗框圖Fig.1　Calibration chart of electronic transformers

電磁式互感器由于其應用時間長、穩定性能較好等特點，一般被選作電子式互感器的標準源，但是以上的校驗平臺也存在以下幾個突出的不足：

(1) 采用鐵心式互感器作為標準互感器的校驗方式，存在鐵磁諧振及鐵磁飽和缺陷、增容困難、二次接線繁瑣以及二次開路高壓危險等問題，在實際的校驗過程中，增加校驗的操作流程難度和風險，從而導致電子式互感器快速、高效校驗的效果差。

(2) 此種校驗方法主要基于差值法原理，即將標準互感器的模擬輸出信號與被校電子式互感器的數字輸出做差，再對差值信號進行處理得到比差和角差，與標準互感器模擬輸出相比，電子式互感器的數字輸出是離散序列。因此，若將數字信號轉換成模擬信號再用差值法將很難滿足準確度要求。

(3) 由于數字輸出電子式互感器的二次裝置和一次側存在延時現象，因此,將兩路信號直接做差會引起較大偏差，進一步降低了校驗的準確性。

為有效解決這些明顯缺陷，擬在電子式互感器校驗平臺軟件端采取一定的措施，即數字濾波算法，對校驗進行修正。

2　改進的數字濾波校驗方法

濾波技術是一種測量系統信號處理過程中對噪聲分析和處理的技術，包括硬件濾波和軟件濾波兩種方式[11]。其中，硬件濾波主要是指采用電阻、電容組成的RC濾波器或采用電感、電容組成的LC濾波器等模擬濾波器進行濾波的方式；軟件濾波，即數字濾波，是指對所采集的輸入數據，通過一定的計算或判斷程序，從而減少、消弱噪聲的影響。依據實際輸入信號的不同，有多種不同的濾波方法，主要有限幅濾波法、中位值濾波法、算術平均濾波法、滑動平均濾波法，以及以上幾種濾波法的混合使用等。

電子式互感器校驗過程中，電磁干擾、標準源的準確度、模數采集卡的準確性、信號的不同步等均對校驗結果有較大的影響[12-15]，但是本文所關注的重點是由數字信號和模擬信號種類不一致所引起重要的誤差或者噪聲，即標準源產生模擬信號，而被校驗對象是數字信號，為此在電子式互感器校驗平臺上，提出一種改進的數字濾波算法，對電子式互感器校驗的準確性進行修正。

2.1　改進的數字濾波算法

改進的數字濾波算法流程如下：

步驟1：建立一個容納N個數據的隊列{x1,x2,…,xN}；

步驟2：將采樣數據輸入隊列,并判斷隊列是否已滿；

步驟3：若隊列未滿,則將采樣數據輸出,并重復判斷隊列是否已滿；

步驟4：若隊列已滿,先用冒泡法求取隊列中的最大值xmax和最小值xmin，然后去除xmax和xmin,并求取剩余(N-2)個數據的算術平均值y,如式(1)所示，將y輸出,并重復判斷隊列是否已滿。

(1)

步驟5：對于已滿的隊列，按照先進先出原則，每次進來一個新數據的同時丟棄一個最“老”的數據，使整個隊列始終保持固定長度N。且每當新輸入一個數據后，先判斷其是否為最大值xmax或最小值xmin，然后進行求取算術平均值yj，j是采集數據的次數。

yj的計算按照先從輸入的N個采樣數據xi(i=1，2，…，N)中去除最大值xmax和最小值xmin，然后按去除后的(N-2)個采樣數據,依據式(1)計算yj。

按照以上方法進行10次采樣，獲得一組{y1,y2,…,y10},然后對10個y值按照式(2)取算術平均值yavg，作為本次采樣值并輸出。

(2)

2.2　改進的數字濾波校驗流程

在電子式互感器校驗平臺應用過程中，為有效有序開展電子式互感器的校驗和管理[15-17]，應用改進的數字濾波算法，根據電子式互感器校驗的相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定度等4個重要校驗指標，在校驗平臺上制定相應的校驗算法流程，如圖2所示。

圖2　改進的電子式互感器數字濾波校驗流程Fig.2　Improved digital filter check flow chart for electronic transformer

(1) 根據脈沖同步時鐘信號，分別獲取待測電子式互感器的數字信號和標準電磁式互感器所產生的模擬量轉數字量系統的采樣數據；

(2) 根據2.1節所述的改進數字濾波算法分別對所述待測電子式互感器和標準源的采樣數據進行數字濾波處理,并輸出所述數字濾波處理數據；

(3) 采用過零點檢測法分別提取采樣數據的基頻分量；

(4) 根據相位差法分別獲取采樣數據的幅值Am、相位φm和頻率f；

利用插值快速傅氏變換算法(fast fourier transformation, FFT)算法分別分析采集數據各次諧波的參數,如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

可推得信號的幅值Am、相位φm和頻率f的值分別為：

(5)

(6)

(7)

式中：m為諧波次數；fs為采樣頻率；km為諧波信號采樣序列對應的離散頻點；δm為頻譜偏離估計值,且0≤δm≤1；XH為采樣點；WH為矩形窗。

(5) 根據式(5—7)所求的頻率、相位和幅值計算待測電子式互感器的相位誤差φe、電流誤差εi、電壓誤差εu和A類不確定度ua，如公式(8—10)所示。

φe=φ-(φor-2πfTtdr)

(8)

式中：φ為待測電子式互感器的相位差；φor為電子式互感器因技術產生的額定相位差；f為頻率；Ttdr為數據處理和傳輸所需時間的額定值。

(9)

式中：KCr為標準電流互感器的額定變比；Ip為信號源電流；Is為測量條件下,待測電流互感器的實際二次電流。

(9)

式中:Kr為標準電壓互感器的額定電壓比；Up為信號源電壓；Us為測量條件下,待測電流互感器的實際二次電壓。

(11)

(6) 按IEC 60044原則，依據GB/T 20840.7—2007和GB/T 20740.8—2007校驗標準，根據第5步的計算結果，核準電子式互感器的校驗數據。

3　算例分析

選取天津市高新區220 kV智能變電站的某一國內知名品牌3臺0.5S級電子式互感器作為案例進行分析，分別編號為電子式互感器1號，2號和3號，其剛投入使用時的相位誤差為0.40，電流誤差為0.31，電壓誤差為0.12，A類不確定度為0.05(以上數據均為相對誤差)，3臺電子式互感器的投入運行時間分別為2.4 a，3.1 a和5.4 a。現分別將3臺電子式互感器在電子式互感器校驗平臺進行檢測，檢測平臺所選擇配置有：電磁式互感器0.2S級作為標準源，40 M采樣頻率的A/D模數采集卡，單脈沖異步的脈沖同步時鐘器，CPU主頻為3.7 GHz的聯想Lenevo主站平臺，其檢測結果見表1。

表1電子式互感器的校驗結果對比
Tab. 1Comparison of calibration results of electronic transformers

項目1號2號3號相位誤差0．430．540．65電流誤差0．320．420．51電壓誤差0．140．280．34A類不確定度0．070．130．21

從表1中不難發現：

(1) 與剛投入運行時的原始數據對比可知，電子式互感器的投運時間越長，相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對較大。電子式互感器在實際運行過程中會產生一定的誤差，且與實際的工程運行情況，基本吻合。

(2) 檢測過程中，采用單脈沖異步的同步時鐘觸發方式，確保了在同一時刻,分別獲取模擬量轉數字量系統和待測電子式互感器的數字輸出信號,然后對數字輸出信號直接進行頻率、幅值和相位等比對,在數據處理方面大大降低了突發干擾的影響，校驗的準確性高,不存在延時現象,一定程度上確保了電子式互感器校驗的效果和準確性。

(3) 3個電子式互感器4個檢測指標的誤差均相對較小，其主要原因是所選用的標準源是0.2S級電磁式互感器，而被校驗的電子式互感器為0.5S級，這與檢測標準中所規定的標準源必須高于被檢測樣品2個數量級的規定有一定的差距，后續有待提高電磁式互感器的級別。

為對比分析改進的數字濾波方法有效性，在同一檢測平臺上，選取投運時間相對較久的3號電子互感器為樣本，進行算術平均數字濾波法和改進的數字濾波法對比分析，其結果如表2和表3所示。

表2　校驗結果對比Tab. 2　Comparison of calibration results

表3　運算時間對比Tab. 3　Comparison of operation time 　s

基于以上案例的小樣本，從表2和表3可知：

(1) 改進的數字濾波算法與算術平均數字濾波算法相比，在相位誤差、電流誤差、電壓誤差和A類不確定等偏差均相對較小，其主要原因是多次采樣獲得數據進行計算，有效規避了數據的采樣誤差，且與實際的運行數據情況吻合度較高。

(2) 通常校驗標準源的輸入信號除了含有基波分量外，還含有高次諧波分量及白噪聲等。干擾量的來源一般也有兩個方面，其一是電力系統的高次諧波，另一個是環境的電磁干擾和噪聲干擾。因此，校驗系統設計抗干擾措施主要包括部分環節屏蔽、系統接地、采集回路設計低通濾波器等硬件的抗干擾措施，而本文提出了一種對采樣數據進行數字濾波處理的電子式互感器校驗方法，有利于提高電子式互感器的校驗精度。

(3) 本文所提出的改進數字濾波算法是在滑動平均值濾波算法、算術平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法的基礎上進行了改進,相比于單純的算術平均數字濾波算法，會更加適用于多次數據采集的計算。

4　結語

本文所提基于改進數字濾波算法的電子式互感器穩態校驗方法，能夠確保在同一時刻,分別獲取模擬量轉數字量系統和待測電子式互感器的數字輸出信號,然后對數字輸出信號直接進行頻率、幅值和相位的比對,大大提高了電子式互感器校驗系統的準確性；同時也需要進行多次數據采樣，增加了一定的采用時間成本。

文中所提的改進數字濾波算法，是滑動平均值濾波算法、算術平均值濾波法以及防脈沖干擾平均濾波法等多種數字濾波的混合使用，在數據處理方面大大降低了突發干擾的影響，提高了電子式互感器校驗的準確性。

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