一種基于虛擬儀器技術的電子式互感器諧波校驗系統設計

吳亮

摘 要：各種電力電子設備的使用，使得電網中的諧波含量日益增加，電網諧波對電能計量及電力設備和線路的繼電保護帶來了極大危害。電子式互感器在當前智能變電站中的應用日益廣泛，其諧波準確度的測量技術的社會關注度持續提升。文章提出了一種基于虛擬儀器技術（LabVIEW）的電子式互感器諧波校驗系統，以電流比較儀為標準諧波電流傳感器，對電流信號的頻譜線進行適當的加窗和插值修正，測量電子式互感器所含的諧波準確度。可以滿足0～1000A，頻率0～1000Hz測量范圍內電子式電流互感器的諧波準確度檢測要求。

關鍵詞：諧波準確度;虛擬儀器;加窗插值修正

中圖分類號：TM45 文獻標識碼：A

隨著智能變電站的不斷發展，電網中電力電子技術的應用越來越普及，導致非線性負荷的占比逐漸提高，引起一系列的電能質量問題。這些問題中以諧波的危害最為廣泛和突出。

諧波治理的前提是準確測量諧波，而互感器是諧波測量的直接手段。目前，智能型變電站廣泛應用的電子式互感器與以前傳統的互感器相比，不存在諧振和磁飽和問題，且響應頻帶更寬，響應速度也更快。利用電子式互感器測量電網諧波是其主要優勢之一，而針對電子式互感器的諧波特性和諧波準確度檢測，目前還未有相關實施標準。目前校驗儀中，電子式互感器通常采用傅立葉算法進行基波的分離。但是一般實際電網電源大多含有諧波成分，當電網存在隨機、較大的諧波含量，并且伴隨基波頻率波動時，簡單的傅立葉展開算法難以達到使用要求。要想準確地提取出需要的信號，進行誤差計算，必須使用更為先進的處理信號機分析誤差方法[1-4]。

當前，常用的電流互感器的校驗儀器設計時，通常采用硬件電路實現，操作較為繁瑣，平衡調節工作量大，效率比較低，其通用性也較差。近期較為熱門的虛擬儀器技術以NI公司的采集卡為硬件基礎，直接實現軟件編寫，以其性能高、擴展性強、開發時間少、集成度高等優點，在工業及測控領域得以廣泛運用。虛擬儀器的核心是以電腦當作儀器的功能載體，運用電腦的各種智能化功能，利用軟件來實現傳統儀器的功能[5-7]。文章利用虛擬儀器技術，在計算機軟件上建立電子式互感器諧波校驗系統平臺。

1 電子式電流互感器諧波測試系統原理

電子式電流互感器諧波準確度試驗的原理如圖1所示。使用相同的外部信號在同一時間內觸發電子電流互感器以及標準諧波電流互感器，可以同時獲得兩個一次電流樣本。標準互感器和測試互感器的測量電流數據時間相關陣列為離散陣列，并通過傅立葉變換（DFT）后，間接計算出數值的誤差和角度差。

圖1 電子式電流互感器諧波測試系統圖

1.1 諧波電流源

考慮到諧波大電流源的實現難度較大，文章的標準穩流源設定參數為：交流電流幅值0～1000A、頻率50～1000Hz。

當大電流變化時，通過電流比較器檢測到大電流后，控制電流源的輸出電流以形成閉環系統，從而可以穩定大電流。此外，電流比較器還將大電流按比例轉換為小電流，連接小電阻以獲得小電壓信號，并用作諧波測試系統的標準電流傳感器頭。

諧波電流源的參數為：

輸出電流：1000A，輸出電壓5V。

輸出頻率范圍：50～1000Hz。

電流穩定度：﹥1×10-4A/2min。

1.2 標準諧波電流傳感器

標準諧波電流傳感器由交流電流比例標準和無感標準電阻組成。交流電流參數：額定一次基準電流1000A，輸出頻率范圍50～1000Hz;額定二次側基準電流1A，比例準確度5×10-5，工作頻率范圍50～1000Hz。標準電阻器一般參數：額定電流1A、準確度0.01級、頻率0～1kHz。

1.3 電子式互感器諧波誤差校驗

硬件由24位高精度采集卡NI PCI-5922和工控機構成，軟件由LabVIEW實現。電子式互感器諧波誤差校驗參數：輸入模擬量數值0～4V，數字輸入格式依據IEC 61850 9-2LE，測試頻率0～1000Hz、準確度0.05級。

2 電子式互感器諧波測試系統的軟件實現

在虛擬儀器領域，目前美國NI公司的LabVIEW應用最為普及。該軟件提供一種圖形化的開發環境，采用圖形化的編輯語言，可以大幅提高設計儀器系統的工作效率。

電子式互感器模擬輸出諧波測試系統，軟件包括三個子程序：NI-scope子程序（采集數據程序），諧波測試計算程序和數據存儲程序。軟件流程圖如圖2所示。其中標準諧波傳感頭輸出信號和待測電子式互感器輸出信號均為模擬信號，用采集卡的2個通道完成。

2.1 采集

初始化—設置信號源。水平時鐘—設置采樣率和采樣點數。默認設定50，即軟件采集時卡取觸發時刻前后各50%的信號。要使采集卡正好在觸發時刻開始數據采集，水平時鐘應設置參考位置為0。

觸發沿設置—選定模擬信號觸發沿作為觸發參考信號。設置閾值電壓為2.5V，作為觸發電壓等級。選定觸發斜率為正，則上升沿觸發。觸發耦合選擇直流項。

讀取波形—采樣通道可以設置為0，1和（0，1）。可以單通道采集，也可以雙通道采集。

該子程序應循環運行，且每個循環中都要收集波形，然后進行數據處理。

2.2 處理

算法程序設置在循環內部。設置500ks/s采樣率，50k采樣數，對于50Hz正弦波來說，每個周期采集個點。每個循環采集50k個點，則相當于每5個周期進行采集和處理。

2.3 記錄

記錄數據時，采樣處理循環中止，數據存入指定路徑下的txt文檔中。如果循環不設定指定次數，則通過手動記錄程序終止循環計算。

3 諧波測量仿真試驗結果

在LabVIEW軟件仿真一個信號發生器，在不涉及采集卡采樣誤差的情況下調試算法誤差，尋找最優算法，仿真參數如表1所示。信號由LabVIEW子程序生成。

如圖3所示，疊加2-13次諧波后，用上述子程序生成諧波源，仿真生成3V、50Hz的基波，按表1參數設置所疊加的諧波，計算誤差。

用加窗插值修正算法誤差，如表2所示。

4 結語

本項目提出了電子式互感器諧波準確度的檢驗方法，并利用圖形化的編程語言開發環境LabVIEW，采用虛擬儀器技術構建了電子式互感器諧波校驗系統。系統使用大功率穩定諧波電流源和諧波電壓源，用于電子式互感器諧波準確度的檢驗。以電流比較儀為標準諧波電流傳感器，高精度數據采集卡為采集系統，創新的諧波補償算法加窗插值傅立葉變換為誤差計算方法，來測量電子式互感器的諧波準確度。

本項目進行了仿真測試試驗，標準功率源校準試驗。試驗結果表明，該系統可以滿足測量范圍0～1000A、頻率0～1000Hz電子式電流互感器的諧波準確度檢測。

由于電源的發展限制，目前只能做到單次諧波單獨測量。以后的工作可以著重于非單一成分諧波和間諧波成分波形的測試。隨著諧波檢測這一工作的開展實施，將大大推動電子式互感器的發展，為諧波計量、諧波治理提供有力的檢測手段。

參考文獻

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