基于数字通信技术的电子式互感器数字量输出同步方法

韩力夫

（国网中卫供电公司，宁夏 中卫 755000）

0 引 言

运用数字输出电子式互感器同步方法能够产生同步信号，同步输出电子式互感器合并单元数字量。在现阶段电子式互感器的应用中，运用输出同步方法能够实现较高同步率的数字信号输出。为了提高信号的采集速度，运用软件锁相环技术，在电子式互感器的不同数据节点中进行处理，从而获得最优的时延解，确保输出数据同步性[1]。将电网的同步信号作为时钟源，在不考虑整体能耗对网络生存周期影响的情况下，实现输出数据同步，降低计算复杂度。因为现有电子式互感器的制造技术要求高、负载不平衡，所以在实际研究中需要进一步研究和优化。电子式互感器中包含较多的电子元件，存在一定的故障风险。当电源供应出现问题时，测量精度会受到影响，导致系统难以正常运行。标准通道的信号在经过一次转换器转化后，无法实现时间同步，导致合并单元输出结果不准确，使得数字信号处理过程难以符合预期[2]。因此，以电子式互感器数字量输出同步方法为研究对象，运用数字通信技术，结合实际情况进行实验与分析。

1 电子式互感器数字量输出同步

1.1 确定电子式互感器相位误差

电子式电流互感器通常位于高压侧，能够通过传感器采集大电流数据，并将其转换为数字信号。这些信号通过绝缘支柱被合并到不同单元，确保电流采样瞬时值能够按照规定的数字帧进行输出[3]。电子式互感器的构造如图1 所示。

图1 电子式互感器结构

在室外环境下，磁场通常会对电子式互感器产生一定程度的影响。通过分析得到不同环境参量对电子式互感器同步输出准确性的影响程度，如表1所示。

表1 环境参量影响范围

通过对电子式电流互感器现场数据的采集，构建运行数据库。利用由光纤组成的测试网络，实现对测试数据和同步时钟信号的分析与远程传输[4]。电子式互感器由电子元器件和光学器件组成，但在运行过程中容易受到环境因素的影响，导致相位之间出现误差。对于低温电阻，在温度变化后的阻值为

式中：R1为25 ℃时的电阻值；∆T为温度变化量；α为材料的温度特性曲线变化速率。当两端电压值发生改变时，输出信号的相对误差会随着温度的变化而变化。

1.2 相位误差滤波去噪

在传输过程中，受网络状况等因素的影响，可能会出现数据相位差未发生变化的情况。在数据筛选过程中，如果连续存储的数据相位差没有发生变化，则判定为错误值[5]。选择相位差数据作为分析样本，对异常数据进行清洗。在相同条件下，计算采集数据的平均值，按照贝塞尔公式得到其标准差为

式中：xi为各测量值；x为数据平均值。当满足|xi-x|＞3 时，判定其为异常值，并将异常值去除。在此过程中，还需要对缺失数据进行插补。完成采集数据预处理后，采用数字信号处理技术对采集的数据进行傅里叶变换，通过有效抑制谐波干扰，实现信号滤波，进而提高信号的信噪比。

首先，确定数字量输出误差抑制度达到最大时的窗口尺寸。对于二维信号f(x,y)，其对应的窗口傅里叶谱分布式为

式中：F为信号在频域内的窗口傅里叶分布谱；g(x,y)为复共轭。引入窗口基函数，在傅里叶变换过程中，窗口可以用于局部分析，从而确定信号在空间上的限制范围，得到新的窗口函数。默认新的窗口函数为高斯函数，并在x轴的延伸方向上，经过整理得到傅里叶谱的最大值Fmax。

1.3 同步控制数字信号输出

不同电子式互感器通过共享采样同步输出线中的信号，计算出具体的相位误差，然后对相位误差的正弦数字量输出进行同步控制，确保在控制过程中的相位同步。设定d为电子式互感器形成的自身数字同步信号，同步数字量d*表示所有数字量的集合。根据同步电路输入信号，设定2 个方波数字信号为d1和d2，经过逻辑处理后输出信号，输出信号的上升沿与d1和d2的最后一个上升沿相同，下降沿与d1和d2的第一个下降沿相同。根据同步信号d1和d2与基准同步信号d之间的偏差，电子式互感器在工作时会相应地调整自身的频率，使不同d*上升沿在相同时间出现，达到同步控制数字信号输出的目的。

此外，在同步控制过程中添加频率控制，使电子式互感器的频率稳定在相对平衡的水平，即确保误差稳定在允许的区间内。设定相位角为λ，当λ=0°时，形成同步信号的上升沿；当λ=180°时，形成同步信号的下降沿，此时可以输出含有相位信息的同步数字信号。通过调整既定频率发展，确保控制过程中的不同沿与实际一致，实现相位误差的有效控制。

2 实验测试与分析

2.1 搭建实验环境

在实际工作条件下，测试实际同步结果。信号源X1 输出5 V/25 Hz 正弦波，信号源X2 输出零相位脉冲波。将两个信号源接入万用表GE47A，对同步结果进行校验。通过通用接口总线（General-Purpose Interface Bus，GPIB）接口与数字多用表通信，采集测试所需的数据信号。运用99RT1 接口芯片作为总线收发器，在接口侧由FPGA 完成驱动。校验仪为SE54，可以随时获得总线状态，可连续输出特定频率采样，分辨灵敏系数为1，均匀分布。控制实验室温度为25 ℃，相对湿度为65%。在测试过程中，标准信号源输出交流电压有效值为1.2 A。

2.2 结果与分析

在上位机中基于 LabVIEW 开发频谱分析功能来对不同波形进行分析，则在上位机中观察到的信号波形如图2 所示。

图2 上位机中的波形结果对比

由图2 可知，重构波形得到的正弦波与原始正弦波波形相同，而未经过本文方法处理的差分波形与原始正弦波的波形存在较大误差。运用频谱校正方式输入采样点数据，经过计算后得到在1.33 s 时，幅值为40.31 V，与实际值运算的数据点信号周期（20 V）呈相应整数倍，说明经过本文方法同步校正后结果能够准确达到实际值。

针对电子式互感器进行进一步的优化校准，判断信号量的同步程度。设置3 个实验小组，其中运用本文方法的小组为实验组，运用传统方法的小组为对照1 组和对照2 组。将标准电压测量单元放置在待测高压母线的下方，将电子式互感器输出连接线接好并与测试平台进行连接。针对输出信号同步结果进行测试，得到最终同步过程的最大误差结果如图3 所示。

图3 同步效果对比

由图3 可以看出，实验组的同步最大误差最小，均在20 s 以下。实验结果说明运用本文方法在时延存在的随机网络下能够保证电子式互感器数字量同步输出，在同步轮次变换过程中最大误差不发生发散，能够保持时延下的算法收敛性，在更新次数较少时实现输出数字量同步，从而实现基于数字通信技术的电子式互感器数字量输出同步方法的良好应用。

3 结 论

文章从数字量输出同步入手，深入分析了数字通信技术相关问题，探究了基于数字通信技术的电子式互感器数字量输出同步方法。在电力系统中，通过在电子式互感器输出信号中加入时间戳，使数字量输出更加准确。在电子式互感器输出信号中加入大量信息，能够使其完整的解码，优化同步方法。但该方法中还存在一些不足之处，如数据传输的稳定性问题等。未来将完善计算方式，采用先进的数字信号处理技术进行分析与预测，使电能计量装置具有更好的性能。