基于LabVIEW模拟输出型电子式互感器误差调试系统

尚秋峰， 赵梦莹， 吕鹏鹏(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003)

基于LabVIEW模拟输出型电子式互感器误差调试系统

尚秋峰， 赵梦莹， 吕鹏鹏
(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003)

电子式互感器误差调试的研究有着重要的理论意义和实用价值。采用LabVIEW软件设计了一个模拟输出型误差电子式互感器的调试系统，并完成了相应的界面设计。应用该系统可实现误差测试和分析，满足各项功能的设计及测试要求。

电子式互感器；误差调试；傅里叶算法；LabVIEW

电子式互感器是构造智能变电站非常重要的一次设备，在电力系统通信中起到不可或缺的重要作用。随着2007年国家标准的颁布实施，我国已经发展到电子式互感器工程实际应用阶段[1]。电子式互感器的广泛应用使得对其参数性能的测试、调试、校准成为了一项必不可少的工作，本文应用Lab-VIEW虚拟仪器建立了一个模拟输出型的电子式互感器误差调试系统，用来提高互感器的准确度和可靠性。

1 电子式互感器误差分析

电子式互感器的误差调试[2]，就是比较变比相等的标准互感器和待测电子式互感器的二次输出，并测量输出差值。该差值是一个矢量，可分解成比值误差(比差)和相位误差(角差)两个分量。

以电子式电流互感器为例，电子式互感器的比值误差定义如下：

式中：Krd为额定变比；Ip为实际一次电流的方均根值；Is为二次转换器输出的方均根值。

传统电磁式互感器的相位差是一次电流的向量和二次电流的向量差，即：

而电子式互感器传输数据和处理数据会有延迟，所以得到的相位差与传统电磁式互感器定义不同，被定义为相位误差，即：

式中：φ为相位差；φb为额定相位偏移；φd为延迟时间相位，φd=2πftd，td为延迟时间。

2 整体方案

对于电子式互感器的误差调试方式，可按电子式互感器输出信号分为模拟和数字两种调试方法。

模拟调试方法是将工频信号输入到升流/升压器，将其输出的信号分别接至被测电子式互感器与标准互感器，其中，电子式电流互感器采用串联方式，而电子式电压互感器采用的是并联方式。然后分别将被测电子式互感器和标准互感器输出信号连接至输出调理电路进行输出调理，最后将调理后的两路信号输入PC机，PC机通过采集卡采集两路信号，并将采集到的信号输入调试软件，在调试软件中实现对电子式互感器的调试工作，如图1所示。

数字调试方法与模拟调试方法类似，区别是将被测电子式互感器一路的输出信号连接至合并单元进行IEC61850-9-2规约解析后直接送入PC机，而同步信息由调试软件向合并单元和采集卡返回。

本文讨论的是利用模拟方法进行误差调试。

图1　模拟输出型电子式互感器误差调试系统框图

3 硬件设计

数据采样选用ADS8556芯片进行同步采样，采样速率为630 kb/s，信噪比为91.5 dB，允许电压输入范围在±12 V之间，工作温度范围为－40～125℃，可以满足工作需求。另外，在各通道加入前置跟随电路和RC滤波网络，提高通道的输入阻抗和抗干扰性能。图2为AD采集电路原理。

模数转换部分选用TMS320VC5409处理芯片。该DSP芯片采用程序与数据独立访问的哈佛结构，并且拥有分页的存储器访问机制，运算速度高达150 MIPS。

数据通信模块采用DM9000A进行以太网通信电路的设计，这一芯片的优点是性价比高，封装的引脚少，有利于PCB信号的走线设计。

图2　AD采集电路原理

4 软件设计

虚拟仪器作为一种可以方便灵活地测量、分析和处理信号的工具，近年来得到了广泛应用[3]，以图形化编程语言Lab-VIEW虚拟仪器作为误差调试系统的开发平台。该软件具有很强的信号分析、数据处理能力，也有着模块化、智能化、多功能、低成本的操作优点，可以满足本调试系统的设计要求[4]，因此，采用LabVIEW编写了一个电子式互感器误差调试系统。

首先进行参数配置，设置好被测设备型号、准确等级、采样速率、采样模式等信息后，驱动DAQ采集卡，分别采集被测电子式互感器和标准互感器两路信号，将输出值分别送入数据调理模块。调理后读取两路采样数据序列，计算误差，将计算出的数据记录下来，并绘制误差曲线，如图3所示。

4.1数据采集

通过DAQ数据采集卡实现数据采集过程。完成采样参数配置后，分别采集被测电子式互感器和标准互感器的电压/电流值，并将输出值分别送入数据调理模块。

4.2数据调理

数据调理[5]采用傅里叶算法实现，它的基本思路来自傅里叶级数，本身有着滤波的作用。

首先假设被采样的模拟信号为周期性时间函数，除了基波以外还含有不衰减的直流分量和各次谐波。而各次谐波的相位可以是任意值，因此把它分解成任意振幅值的正弦、余弦项的和，表示如下：

图3　LabVIEW误差调试系统软件流程

式中：n=0,1,2,……；an和bn分别表示各次谐波正弦项和余弦项的振幅，而a1，b1的值可根据傅里叶级数计算得出。

任意次谐波的振幅和相位：

式中：n为谐波次数。

由此，可得有效值和相角：

图4即为采用傅里叶算法进行数据调理的LabVIEW程序模块：利用式(5)、式(6)求得an、bn的值，加权后再利用式(7)、式(8)推出有效值和相角。

图4　数据调理部分LabVIEW程序

4.3数据输出

数据输出部分是将经过调理后的被测电子式互感器和标准互感器测得的电压/电流有效值和相角分别输入到两路采集通道，并按照互感器误差的定义求得比差和角差。然后，将记录比差、角差的数据记录到数组中。将记录数据的数组初始化后，按照设定的记录数据的数量逐次记录入数组中。这样做一方面可以保存和打印实验数据，将数据保存为文本，并通过保存的路径输出，另一方面可将记录的数据用于绘制曲线图。此曲线图包含误差曲线和设定的误差上、下限值，如图5所示。绘制曲线比单纯的数据文本输出更加清晰直观，也可以在测试过程中一目了然地观察测试过程。

图5　比差、角差测试曲线

系统的界面设计如图6所示，使用选项卡具体划分各部分功能区域，使用方便、操作便捷。界面预留了部分空间，用于功能拓展。在以后的工作中，还可以实现误差补偿、数据打印等功能。

5 测试结果

表1是其中一次的测试结果记录。通过记录的实验数据可以看出，该调试系统的设计满足电子式互感器误差调试系统的设计要求。建立此软件平台对电子式互感器的各项参数进行调试分析，可以实现互感器误差调试、校验工作，记录有关数据，绘制误差曲线图，可以测出互感器的误差，实现对电能参数的调试，最终可以提供给实际生产中的开发人员做参考，满足实际开发工作需要。

图6　电子式互感器误差调试系统界面

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6 结论

电子式互感器在现代化的变电站智能系统中起着重要的作用，对其参数性能的测试、调试具有重要的理论意义和实用价值。本文以傅里叶算法作为数据调理依据，利用LabVIEW软件设计了模拟输出型电子式互感器的误差调试系统，并设计了系统相应的界面，应用该系统可实现误差测试和分析，提高系统的可靠性和准确度。测试结果表明，本文所设计的电子式互感器误差调试系统满足各项功能的设计及测试要求。

[1]张志.电子式电流互感器在线校验关键技术及相关理论研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[2]吕勇军.电子式互感器误差及校验方法研究[J].仪表技术，2010 (9):1-2，18.

[3]宁伟红，于文斌.以LabVIEW为开发平台的电子式互感器校验仪设计[J].电网技术，2009，33(5):85-89.

[4]郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京:清华大学出版社，2012.

[5]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社，2001:97-103.

Error debugging system for electronic transformers with analog output based on LabVIEW

SHANG Qiu-feng,ZHAO Meng-ying,LV Peng-peng
(Department of Electronics and Communication,North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China)

Electronic transformer error debugging research had important theoretical and practical value.An error debugging system for electronic transformers with analog output based on LabVIEW software was designed,and the corresponding interface design was completed.The system could be applied to achieve error testing and analysis, and the requirements of various design and testing functions were satisfied.

electronic transformer;error debugging;Fourier algorithm;LabVIEW

TM 933

A

1002-087 X(2016)01-0199-04

2015-06-12

尚秋峰(1968—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向为现代传感与测量技术、实时信号处理。