基于數字通信技術的電子式互感器數字量輸出同步方法

韓力夫

（國網中衛供電公司，寧夏 中衛 755000）

0 引 言

運用數字輸出電子式互感器同步方法能夠產生同步信號，同步輸出電子式互感器合并單元數字量。在現階段電子式互感器的應用中，運用輸出同步方法能夠實現較高同步率的數字信號輸出。為了提高信號的采集速度，運用軟件鎖相環技術，在電子式互感器的不同數據節點中進行處理，從而獲得最優的時延解，確保輸出數據同步性[1]。將電網的同步信號作為時鐘源，在不考慮整體能耗對網絡生存周期影響的情況下，實現輸出數據同步，降低計算復雜度。因為現有電子式互感器的制造技術要求高、負載不平衡，所以在實際研究中需要進一步研究和優化。電子式互感器中包含較多的電子元件，存在一定的故障風險。當電源供應出現問題時，測量精度會受到影響，導致系統難以正常運行。標準通道的信號在經過一次轉換器轉化后，無法實現時間同步，導致合并單元輸出結果不準確，使得數字信號處理過程難以符合預期[2]。因此，以電子式互感器數字量輸出同步方法為研究對象，運用數字通信技術，結合實際情況進行實驗與分析。

1 電子式互感器數字量輸出同步

1.1 確定電子式互感器相位誤差

電子式電流互感器通常位于高壓側，能夠通過傳感器采集大電流數據，并將其轉換為數字信號。這些信號通過絕緣支柱被合并到不同單元，確保電流采樣瞬時值能夠按照規定的數字幀進行輸出[3]。電子式互感器的構造如圖1 所示。

圖1 電子式互感器結構

在室外環境下，磁場通常會對電子式互感器產生一定程度的影響。通過分析得到不同環境參量對電子式互感器同步輸出準確性的影響程度，如表1所示。

表1 環境參量影響范圍

通過對電子式電流互感器現場數據的采集，構建運行數據庫。利用由光纖組成的測試網絡，實現對測試數據和同步時鐘信號的分析與遠程傳輸[4]。電子式互感器由電子元器件和光學器件組成，但在運行過程中容易受到環境因素的影響，導致相位之間出現誤差。對于低溫電阻，在溫度變化后的阻值為

式中：R1為25 ℃時的電阻值；?T為溫度變化量；α為材料的溫度特性曲線變化速率。當兩端電壓值發生改變時，輸出信號的相對誤差會隨著溫度的變化而變化。

1.2 相位誤差濾波去噪

在傳輸過程中，受網絡狀況等因素的影響，可能會出現數據相位差未發生變化的情況。在數據篩選過程中，如果連續存儲的數據相位差沒有發生變化，則判定為錯誤值[5]。選擇相位差數據作為分析樣本，對異常數據進行清洗。在相同條件下，計算采集數據的平均值，按照貝塞爾公式得到其標準差為

式中：xi為各測量值；x為數據平均值。當滿足|xi-x|＞3 時，判定其為異常值，并將異常值去除。在此過程中，還需要對缺失數據進行插補。完成采集數據預處理后，采用數字信號處理技術對采集的數據進行傅里葉變換，通過有效抑制諧波干擾，實現信號濾波，進而提高信號的信噪比。

首先，確定數字量輸出誤差抑制度達到最大時的窗口尺寸。對于二維信號f(x,y)，其對應的窗口傅里葉譜分布式為

式中：F為信號在頻域內的窗口傅里葉分布譜；g(x,y)為復共軛。引入窗口基函數，在傅里葉變換過程中，窗口可以用于局部分析，從而確定信號在空間上的限制范圍，得到新的窗口函數。默認新的窗口函數為高斯函數，并在x軸的延伸方向上，經過整理得到傅里葉譜的最大值Fmax。

1.3 同步控制數字信號輸出

不同電子式互感器通過共享采樣同步輸出線中的信號，計算出具體的相位誤差，然后對相位誤差的正弦數字量輸出進行同步控制，確保在控制過程中的相位同步。設定d為電子式互感器形成的自身數字同步信號，同步數字量d*表示所有數字量的集合。根據同步電路輸入信號，設定2 個方波數字信號為d1和d2，經過邏輯處理后輸出信號，輸出信號的上升沿與d1和d2的最后一個上升沿相同，下降沿與d1和d2的第一個下降沿相同。根據同步信號d1和d2與基準同步信號d之間的偏差，電子式互感器在工作時會相應地調整自身的頻率，使不同d*上升沿在相同時間出現，達到同步控制數字信號輸出的目的。

此外，在同步控制過程中添加頻率控制，使電子式互感器的頻率穩定在相對平衡的水平，即確保誤差穩定在允許的區間內。設定相位角為λ，當λ=0°時，形成同步信號的上升沿；當λ=180°時，形成同步信號的下降沿，此時可以輸出含有相位信息的同步數字信號。通過調整既定頻率發展，確保控制過程中的不同沿與實際一致，實現相位誤差的有效控制。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗環境

在實際工作條件下，測試實際同步結果。信號源X1 輸出5 V/25 Hz 正弦波，信號源X2 輸出零相位脈沖波。將兩個信號源接入萬用表GE47A，對同步結果進行校驗。通過通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）接口與數字多用表通信，采集測試所需的數據信號。運用99RT1 接口芯片作為總線收發器，在接口側由FPGA 完成驅動。校驗儀為SE54，可以隨時獲得總線狀態，可連續輸出特定頻率采樣，分辨靈敏系數為1，均勻分布。控制實驗室溫度為25 ℃，相對濕度為65%。在測試過程中，標準信號源輸出交流電壓有效值為1.2 A。

2.2 結果與分析

在上位機中基于 LabVIEW 開發頻譜分析功能來對不同波形進行分析，則在上位機中觀察到的信號波形如圖2 所示。

圖2 上位機中的波形結果對比

由圖2 可知，重構波形得到的正弦波與原始正弦波波形相同，而未經過本文方法處理的差分波形與原始正弦波的波形存在較大誤差。運用頻譜校正方式輸入采樣點數據，經過計算后得到在1.33 s 時，幅值為40.31 V，與實際值運算的數據點信號周期（20 V）呈相應整數倍，說明經過本文方法同步校正后結果能夠準確達到實際值。

針對電子式互感器進行進一步的優化校準，判斷信號量的同步程度。設置3 個實驗小組，其中運用本文方法的小組為實驗組，運用傳統方法的小組為對照1 組和對照2 組。將標準電壓測量單元放置在待測高壓母線的下方，將電子式互感器輸出連接線接好并與測試平臺進行連接。針對輸出信號同步結果進行測試，得到最終同步過程的最大誤差結果如圖3 所示。

圖3 同步效果對比

由圖3 可以看出，實驗組的同步最大誤差最小，均在20 s 以下。實驗結果說明運用本文方法在時延存在的隨機網絡下能夠保證電子式互感器數字量同步輸出，在同步輪次變換過程中最大誤差不發生發散，能夠保持時延下的算法收斂性，在更新次數較少時實現輸出數字量同步，從而實現基于數字通信技術的電子式互感器數字量輸出同步方法的良好應用。

3 結 論

文章從數字量輸出同步入手，深入分析了數字通信技術相關問題，探究了基于數字通信技術的電子式互感器數字量輸出同步方法。在電力系統中，通過在電子式互感器輸出信號中加入時間戳，使數字量輸出更加準確。在電子式互感器輸出信號中加入大量信息，能夠使其完整的解碼，優化同步方法。但該方法中還存在一些不足之處，如數據傳輸的穩定性問題等。未來將完善計算方式，采用先進的數字信號處理技術進行分析與預測，使電能計量裝置具有更好的性能。