羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置，它包括上位機，上位機與測試主機連接，測試主機的主CPU模塊與DA模塊連接，DA模塊與功率放大器連接，功率放大器與被測電子式互感器的羅氏線圈輸入端連接，被測電子式互感器的羅氏線圈輸出端與可控增益電壓放大器連接，可控增益電壓放大器與被測電子式互感器的采集器連接，被測電子式互感器的采集器與合并單元連接，合并單元與測試主機的數據接收模塊連接；解決了智能變電站以及數字化變電站對于羅氏線圈原理電子式電流互感器的暫態仿真測試硬件試驗條件高投入大，以及在測試中電流的幅值會大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰減直流分量和諧波分量等技術問題。
【專利說明】
羅氏線圈微分信號可控放大的互感器誓態測試裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電力系統智能變電站電子式互感器檢測技術領域，尤其設及羅氏 線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置。
【背景技術】
[0002] 電子式互感器已經在電力系統中大量得到應用，目前基于羅氏線圈原理的電學電 子式互感器依舊是市場的主流產品。目前國內電子式互感器的暫態測試基本都是采用大電 流沖擊的方式產生測試所需要的暫態過程大電流，然后再對被測器件連同合并單元進行測 試。運種方式所依賴的硬件試驗條件高投入大，需要搭建大占地的一次系統物理動態模型 實驗室，運使得絕大多數省級電科院運一級別的科研院所，都無法對電子式互感器的暫態 特性進行專口研究。羅氏線圈是基于法拉第電磁感應定律和安培環路定律由非磁性材料為 骨架構成的空屯、線圈，無鐵忍設計使得其磁回路基本可W認為沒有飽和和磁滯等造成暫態 波形崎變，運些特性決定了羅氏線圈原理的電子式互感器的暫態特性在物理回路中不受暫 態幅值的影響，由于羅氏線圈本身是一個微分信號所W其必須要經過積分過程將原有的微 分信號還原為原始電流信號，目前主要采用軟件積分與硬件積分兩種方式來實現。
[0003] 基于羅氏線圈的電子式電流互感器主要暫態特性的誤差是在羅氏線圈的頻率響 應能力W及其后端采樣處理W及積分環節。系統暫態過程出現時，電流的幅值會大幅增大， 并且基波分量中往往包含了大量衰減直流分量和諧波分量，存在極大的測試誤差，那么運 種情況下如何對電子式互感器進行定量的測試是目前電子式互感器實驗室所面臨的最大 挑戰。 【實用新型內容】：
[0004] 本實用新型要解決的技術問題:提供一種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫 態測試裝置，W解決現有技術智能變電站W及數字化變電站對于羅氏線圈原理電子式電流 互感器的暫態仿真測試硬件試驗條件高投入大，需要搭建大占地的一次系統物理動態模型 實驗室，W及在測試中電流的幅值會大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰減直流 分量和諧波分量等技術問題。
[0005] 本實用新型技術方案：
[0006] -種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置，它包括上位機，上位機 與測試主機連接，測試主機的主CPU模塊與DA模塊連接，DA模塊與功率放大器連接，功率放 大器與被測電子式互感器的羅氏線圈輸入端連接，被測電子式互感器的羅氏線圈輸出端與 可控增益電壓放大器連接，可控增益電壓放大器與被測電子式互感器的采集器連接，被測 電子式互感器的采集器與合并單元連接，合并單元與測試主機的數據接收模塊連接。
[0007] 可控增益電壓放大器采用AD轉換忍片對可控增益電壓放大器的放大誤差進行回 米D
[000引可控增益電壓放大器采用電池供電，安裝在被測電子式互感器或采集器內。
[0009] 本實用新型的有益效果：
[0010] 本實用新型針對羅氏線圈原理電子式互感器的暫態測試，旨在提高羅氏線圈原理 電子式互感器的暫態測試能力，提高數字化變電站或智能變電站一次設備的安全性與可靠 性，為電網的安全穩定運行提供保障。所W本實用新型具有W下技術特點：
[0011] 1、不依賴于暫態大電流，采用功率放大器產生測試所需的暫態二次電流，利用微 分信號放大使得電子式互感器合并單元輸出一次暫態電流信號；
[0012] 2.支持comtrade報文格式導入，可W對現場的故障電流進行暫態回放；
[0013] 3.支持多種額定電流電子式互感器的暫態測試，可對可調增益電壓放大器的放大 倍數進行控制，按照被測合并單元的額定電流確定合適的放大倍數；
[0014] 4.高精度回采，本實用新型利用高精度AD對可控增益放大的誤差進行回采，采集 可控增益電壓放大器輸入電壓和輸出電壓，測出放大過程的實時誤差，W修補可控增益電 壓放大器放大時引入的測量誤差；
[0015] 5.實時修補，暫態測試是基于瞬時值計算的，所W其修補參數采樣速率與被測器 件輸出一致可對每一帖采樣值報文進行實時修補；
[0016] 6.可控增益電壓放大器采用電池供電，采用光纖與測試主機相連，可W放置于電 子式互感器與采集器內。
[0017] 7.實時修補誤差的暫態測試算法，上位機進行暫態誤差計算時，實時讀取可控增 益電壓放大器的實時回采值，對計算結果進行實時修補；
[0018] 本實用新型解決了現有技術智能變電站W及數字化變電站對于羅氏線圈原理電 子式電流互感器的暫態仿真測試硬件試驗條件高投入大，需要搭建大占地的一次系統物理 動態模型實驗室，W及在測試中電流的幅值會大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量 衰減直流分量和諧波分量等技術問題。
【附圖說明】
：
[0019] 圖1為本實用新型的結構圖。
【具體實施方式】
[0020] -種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置(見圖1)，它包括上位機， 上位機與測試主機連導線接，測試主機的主CPU模塊與DA模塊導線連接，DA模塊與功率放大 器導線連接，功率放大器與被測電子式互感器的羅氏線圈輸入端導線連接，被測電子式互 感器的羅氏線圈輸出端與可控增益電壓放大器導線連接，可控增益電壓放大器與被測電子 式互感器的采集器導線連接，被測電子式互感器的采集器與合并單元導線連接，合并單元 與測試主機的數據接收模塊導線連接。
[0021] 可控增益電壓放大器采用AD轉換忍片對可控增益電壓放大器的放大誤差進行回 米D
[0022] 可控增益電壓放大器采用電池供電，安裝在被測電子式互感器或采集器內。
[0023] 可控放大調節模塊主要提供測試主機下發的增益放大倍數。
[0024] 羅氏線圈是由非磁性材料為骨架構成的空屯、線圈，在空屯、線圈中，二次繞在非磁 性骨架上，無鐵磁材料使運種傳感器的線性度良好，不飽和也無磁滯現象，因此，空屯、線圈 具有優良的穩態性能和暫態響應。羅氏線圈應用安培定理時表明，當負荷為高阻抗別寸，線 圈的輸出電壓是穿過線圈的一次電流Ip(t)的函數。對于圓環形骨架，任意截面的近似公 式：
[0027] y〇為真空導磁率，知T 1.0-7
[0025]
[0026] 式中； LA'.xn」
[002引 N為應數密度[應/m]
[00巧]A為單應面積[m2]
[0030] e(t)為低負荷化時，空屯、線圈的輸出電壓[V]
[00川 W運些符號，令
[0032] M=Uo ? N ? A
[0033] 則空屯、線圈的輸出電壓為
[0034] 或在穩態正弦電流下：
[0035]
[0036] 公式(1)
[0037] 式中；
[003引里為羅氏線圈二次輸出的電壓e(t)的矢量值；
[0039] 4為一次通過電流的Ip(t)的矢量值。
[0040] 可見，羅氏線圈二次輸出的電壓e(t)和一次電流Ip(t)成微分關系，所W其輸出的 暫態特性與其幅值大小并沒有太大的關系，暫態影響因數主要在于其雜散電容對其頻響特 性的影響。而幅值影響主要體現在其數字飽和所帶來的影響，所W通過對微分電壓信號的 放大使其數字采樣時與大電流暫態時的輸出特性一致。
[0041] 本實用新型的技術解決方案為在上位機中導入電力系統一次故障波形或由軟件 通過仿真計算出一次故障波形，將波形數據下發至測試主機中。測試主機根據一次電流數 據按照被試電子式互感器的額定電流In進行In/5倍數進行縮小，通過D/A生成小信號，利用 功率放大器生成按比例縮小后的二次故障電流信號，然后將縮小后的故障電流加至被測電 子式電流互感器兩端，在羅氏線圈輸出端口采用運算放大器按照In/5的倍數進行微分信號 放大，將放大后的小電壓信號輸出給電子式互感器的采集回路通過采集器的軟件積分或硬 件積分采樣后送至合并單元輸出形成一次故障電流在電子式電流互感器上被試輸出數字 信號，測試主機采集電子式互感器合并單元的數字信號后與自身輸出的一次故障電流信 號，按照一次故障電流輸出的數據與合并單元輸出的數字信號采集數據的時刻按照絕對時 間分別打上時標，并對合并單元輸出數據進行額定延時進行時間修補，實現輸出數據與采 集數據之間的同步。完成同步計算后，將兩組電流數據送回至上位機中，上位機再根據發出 信號與采集信號完成電子式互感器的暫態測試工作。
[0042] 整個測試過程中上位機負責一次故障后暫態電流數據的生成與發送，并完成測試 數據的暫態誤差計算。
[0043] I.瞬時誤差電流：
[0044] ie = Knis-ip
[0045] Kn為額定電流比
[0046] ip為一次電流瞬時值
[0047] is為二次電流瞬時值
[004引 2.最大峰值瞬時誤差：
[0049]
[0化0]其中A為最大瞬時誤差電流；
[00引]Ipsc為暫態特性的額定一次短路電流，Ipsc=KsscX V;
[0052] Kssc為暫態特性的額定對稱短路電流倍數；
[0053] Ipr為額定一次電流；
[0054] 可控增益電壓放大器根據測試主機所提供的增益放大倍數，調節其自身放大倍 數，對羅氏線圈的微分電壓信號進行放大，并將放大后的電壓發送至電子式互感器的數據 采集回路。同時電壓放大器采集調節前與調節后的微分電壓信號，對中間過程進行把控，W 消除測試過程中由于可控增益電壓放大器所引入的附加暫態誤差。
[0化日]附加暫態誤差：
[0化6] Ex=化。-KmUi )*100/KmUi
[0057] Ui:電壓放大器調節前電壓信號；
[005引 U。:電壓放大器調節后電壓信號；
[0059] 修正后瞬時誤差電流：
[0060] ie'=Knis/(l+Ex)-ip
[0061 ] 修正后最大峰值瞬時誤差：
[0062]
[0063] 其中4為修正后瞬時誤差電流的最大值。
[0064] 上位機軟件采用VC++可視化編程，支持倒入C0MTRADE格式的暫態錄波文件，也可 W采用仿真計算得出所需測試的暫態測試數據。
[0(?日]測試主機，W化we巧C和FPGA構成硬件核屯、，主CPU采用Freescale公司的MPC8247 嵌入式微處理器，該處理器屬于化werQUICC II系列，包含一個基于化we巧C MPC603e的內 核，和一個通信處理內核CPM。雙核設計具有強大的處理能力和較高的集成度，降低了系統 的組成開銷，簡化了電路板的設計，降低了功耗。理想羅氏線圈仿真模型的建立、仿真計算、 人機交互的響應、FPGA數據的接口處理、暫態試驗的錄波等軟件任務均在化we巧C上運行。
[0066] FPGA采用Xilinx的Spartan3系列產品XC3S1500,包含有150萬個系統口，32個專用 乘法器，4個數字時鐘管理模塊，邏輯資源豐富，運行速度快。FPGA利用精確的時序控制能 力，完成W太網的MC子層設計、MAC子層與W太網控制器的接口設計，W太網數據接收，DAC 的控制，羅氏線圈二次電壓仿真數據的發送等所有對時間有要求嚴格的工作。
[0067] W太網控制器為Intel公司LXT97ULXT971是單端口 10/100M雙速快速W太控制 器，它兼容IE邸802.3;支持IOBaseS、10Base2、IOBaseT，IOOBA沈-X，IOOBA沈-TX，IOOBAW- FX，并能自動檢測所連接的介質，選用Agilent AFBR5803作為光纖網絡收發器。
[006引數模轉忍片DA采用ADI公司的AD5683R，運是一款16位單通道轉換器，其相對精度 為± ^SB INL，內置化pm/°C2.5V基準電壓源；采用節省空間的2mm X 2mm 8引腳LFCSP和10 引腳MSOP封裝，可在更小的電路板空間中實現更多的功能；2mV總非調整誤差，無需初始校 準或調整;4kV HBM ESD額定值，實現了系統穩健性。
[0069] 功率放大器采用額定5A，支持20倍交流疊加20倍直流的暫態輸出。
[0070] 可控增益電壓放大器FPGA采用Xilinx的Spartan3系列產品XC3S1500,與測試主機 一致。
[0071] 回采用的A/D忍片采用AD公司18位AD7690忍片，該忍片1.化SB I化、400kSPS差分 ADC，其差分輸入特性具有更強的抗干擾性能。
[0072] 晶體振蕩器選用0CX050恒溫晶振，-40至85度的工作溫度，小于Ippb的溫漂特性，- 160地cAKHz的低相位噪聲，最大lOppb/year的低老化，高精度晶振為化werPC和FPGA提供 時鐘節拍，保證了時序控制的精確性，W及長期的穩定性。
[0073] 電流一次導線采用等安應纏繞，10應纏繞，W提高羅氏線圈微分小信號的輸出精 度。
【主權項】
1. 一種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置，它包括上位機，其特征在 于:上位機與測試主機連接，測試主機的主CPU模塊與DA模塊連接，DA模塊與功率放大器連 接，功率放大器與被測電子式互感器的羅氏線圈輸入端連接，被測電子式互感器的羅氏線 圈輸出端與可控增益電壓放大器連接，可控增益電壓放大器與被測電子式互感器的采集器 連接，被測電子式互感器的采集器與合并單元連接，合并單元與測試主機的數據接收模塊 連接。2. 根據權利要求1所述的一種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置，其 特征在于:可控增益電壓放大器采用AD轉換芯片對可控增益電壓放大器的放大誤差進行回 米。3. 根據權利要求1所述的一種羅氏線圈微分信號可控放大的互感器暫態測試裝置，其 特征在于:可控增益電壓放大器采用電池供電，安裝在被測電子式互感器或采集器內。
【文檔編號】G01R35/02GK205691758SQ201620569490
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月14日 公開號201620569490.1, CN 201620569490, CN 205691758 U, CN 205691758U, CN-U-205691758, CN201620569490, CN201620569490.1, CN205691758 U, CN205691758U
【發明人】高吉普, 徐長寶, 張歷, 辛明勇, 魯彩江, 湯漢松
【申請人】貴州電網有限責任公司電力科學研究院, 江蘇凌創電氣自動化股份有限公司