CN106054102B - 一种电流互感器谐波误差测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流互感器谐波误差测量系统，该系统包括用于生成谐波大电流的谐波大电流发生装置；用于对谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器；用于对谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器；用于将标准信号和被测信号转换成待处理信号并发送至上位机的谐波电流测量装置；用于依据待处理信号得到基波直至N次谐波的含量、比差和角差的上位机。可见，本发明提供的电流互感器谐波误差测量系统能够获知电流互感器在对谐波测量时的误差，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响，方便后续对被测电流互感器进行改进以及对谐波的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电流互感器误差测量技术领域，特别是涉及一种电流互感器谐波误差测量系统。
背景技术
随着电网中非线性负载的增多，谐波污染日益严重，特别是在以电牵引系统为代表的供电系统中,由于电力机车的大范围使用所产生的谐波,导致了系统侧电能质量的恶化，危害了系统稳定运行的安全，上述问题引起了电力行业对电能质量问题的关注，实现对谐波的准确测量和谐波功率的准确计量意义重大。现有技术中的相关研究注重于谐波畸变下电能表计量的准确性和计量方式的改进，而往往忽略了谐波对电能计量装置中与电能表配合使用的电流互感器所带来的影响，另外，现有技术中也无法获知谐波对电流互感器误差带来的影响。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的电流互感器谐波误差测量系统是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流互感器谐波误差测量系统，该系统能够获知电流互感器在对谐波测量时的误差，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响，方便后续对被测电流互感器进行改进以及对谐波的准确测量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电流互感器谐波误差测量系统，包括：
用于接收并依据用户输入至上位机的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数生成谐波大电流的谐波大电流发生装置，其中，所述参数包括所述基波直至N次谐波的含量、幅值、相位以及频率，N为不小于3的奇数；
与所述谐波大电流发生装置连接、用于对所述谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器；
与所述谐波大电流发生装置连接、用于对所述谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器；
分别与所述标准电流互感器和所述被测电流互感器连接、用于将所述标准信号和所述被测信号转换成待处理信号并发送至所述上位机的谐波电流测量装置；
分别与所述谐波大电流发生装置以及所述谐波电流测量装置连接、用于依据所述待处理信号得到所述基波直至N次谐波的含量、比差和角差，进而得到所述被测电流互感器测量所述基波直至N次谐波时的误差的所述上位机。
优选地，N为大于9的奇数，所述谐波大电流发生装置包括：
与所述上位机连接、用于接收所述上位机依据用户输入的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数分别对应生成基波生成指令直至7次谐波生成指令以及9-N次复合谐波生成指令的第一FPGA；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述基波生成指令生成基波信号的基波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据3次谐波生成指令生成3次谐波信号的3次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据5次谐波生成指令生成5次谐波信号的5次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述7次谐波生成指令生成7次谐波信号的7次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述9-N次复合谐波生成指令生成9-N次复合谐波信号的复合谐波功率源；
分别与所述基波功率源的输出端、3次谐波功率源的输出端、5次谐波功率源的输出端、7次谐波功率源的输出端以及复合谐波功率源的输出端连接、用于将所述基波信号、3次谐波信号、5次谐波信号、7次谐波信号以及9-N次复合谐波信号进行耦合并放大的升流器。
优选地，N为19。
优选地，所述标准电流互感器为0.05S级的电流互感器。
优选地，所述标准电流互感器为高精度分流器。
优选地，所述被测电流互感器为0.2级的电流互感器。
优选地，所述被测电流互感器为电子式电流互感器。
优选地，所述谐波电流测量装置包括：
依次连接的继电器模块、AD采样模块、第二FPGA、stm32以及交换机，其中，所述继电器模块包括采样电阻，所述AD采样模块包括ADC采样芯片，所述交换机与所述上位机连接；
所述谐波电流测量装置还包括：
与所述第二FPGA连接的同步模块和FT3模块；
与所述交换机连接的第一电网口、第二电网口、第一光网口以及第二光网口；
通过第三FPGA与所述交换机连接的第三光网口。
本发明提供了一种电流互感器谐波误差测量系统，该系统包括用于生成谐波大电流的谐波大电流发生装置；用于对谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器；用于对谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器；用于将标准信号和被测信号转换成待处理信号并发送至上位机的谐波电流测量装置；用于依据待处理信号得到基波直至N次谐波的含量、比差和角差，进而得到被测电流互感器测量基波直至N次谐波时的误差的上位机。可见，本申请通过生成谐波大电流的谐波大电流发生装置来模拟电力系统环境，再依据分别对谐波大电流进行测量的被测电流互感器以及标准电流互感器测得的被测信号和标准信号得到基波以及N次谐波的含量、比差和角差，通过与标准电流互感器的比较，便可获知电流互感器在对谐波测量时的误差，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响，方便后续对被测电流互感器进行改进以及对谐波的准确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电流互感器谐波误差测量系统的结构示意图；
图2为本发明提供的另一种电流互感器谐波误差测量系统的结构示意图；
图3为本发明提供的另一种电流互感器谐波误差测量系统的结构示意图；
图4为本发明提供的一种谐波电流测量装置的原理图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电流互感器谐波误差测量系统，该系统能够获知电流互感器在对谐波测量时的误差，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响，方便后续对被测电流互感器进行改进以及对谐波的准确测量。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种电流互感器谐波误差测量系统的结构示意图，该测试系统包括：
用于接收并依据用户输入至上位机5的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数生成谐波大电流的谐波大电流发生装置1，其中，参数包括基波直至N次谐波的含量、幅值、相位以及频率，N为不小于3的奇数；
具体地，这里的基波频率可以为50Hz，则N次谐波的频率为N*50Hz。当然，这里的基波频率还可以为其他数值，本发明在此不做特别的限定。
作为优选地，N为大于9的奇数，谐波大电流发生装置1包括：
与上位机5连接、用于接收上位机5依据用户输入的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数分别对应生成基波生成指令直至7次谐波生成指令以及9-N次复合谐波生成指令的第一FPGA；
输入端与第一FPGA连接、用于依据基波生成指令生成基波信号的基波功率源；
输入端与第一FPGA连接、用于依据3次谐波生成指令生成3次谐波信号的3次谐波功率源；
输入端与第一FPGA连接、用于依据5次谐波生成指令生成5次谐波信号的5次谐波功率源；
输入端与第一FPGA连接、用于依据7次谐波生成指令生成7次谐波信号的7次谐波功率源；
输入端与第一FPGA连接、用于依据9-N次复合谐波生成指令生成9-N次复合谐波信号的复合谐波功率源；
分别与基波功率源的输出端、3次谐波功率源的输出端、5次谐波功率源的输出端、7次谐波功率源的输出端以及复合谐波功率源的输出端连接、用于将基波信号、3次谐波信号、5次谐波信号、7次谐波信号以及9-N次复合谐波信号进行耦合并放大的升流器。
可以理解的是，本发明提供的谐波大电流发生装置1由各次谐波功率源和升流器组合而成，其中，基波、3次谐波、5次谐波以及7次谐波由各自的谐波电子源独立输出，9-N次复合谐波由复合谐波发生器经过线性功率放大器后合成输出，各次谐波通过升流器耦合放大后输出复合谐波大电流，符合谐波大电流中的基波以及各次谐波的含量可通过测量反馈后自动调节。
另外，需要说明的是，本申请中将基波、3次谐波、5次谐波以及7次谐波单独输出，而9-N次谐波复合输出是因为基波、3次谐波、5次谐波以及7次谐波的占有量非常大，能占到复合谐波大电流的大约90％，而9次之后的谐波的含量就非常少了，因此，9-N次谐波复合输出即可。
可以理解的是，基波、3次谐波、5次谐波以及7次谐波的公式如下：
式(1)中：xm(t)为m次谐波信号，m为谐波次数，m＝1时为基波，m可以取1、3、5以及7；Am为基波或谐波幅值；为基波或谐波初始相位；ω0＝2π/T0,T0为信号基波周期。
式(2)中X9(t)为9-N次复合谐波信号，n为9≤n≤N的奇数。为基波或谐波初始相位；ω0＝2π/T0,T0为信号基波周期。
可见，本申请中提供的谐波大电流发生装置1具有以下特点：
1)具有相位可控的与基波同步的独立谐波电子源；
2)具有相位可控的与基波同步的复合谐波发生器；
3)具有能够对多路耦合的升流器。
该谐波大电流发生装置1的工作原理为：
1)首先在上位机5界面上设定标准通道的基波直至N次谐波的参数；
2)上位机5将依据基波直至N次谐波的参数生成的相应的谐波生成指令通过UDP发送至第一FPGA；
3)基波功率源直至N次谐波功率源根据相应的基波生成指令以及谐波生成指令生成相应的基波以及谐波；
4)升流器对基波信号、3次谐波信号、5次谐波信号、7次谐波信号以及9-N次复合谐波信号进行耦合并放大。
与谐波大电流发生装置1连接、用于对谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器2；
具体地，谐波大电流信号通过标准电流互感器2得到标准二次电流信号，该标准二次电流信号作为标准信号。
与谐波大电流发生装置1连接、用于对谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器3；
具体地，谐波大电流信号通过被测电流互感器3得到被测二次电流信号，该被测二次电流信号作为被测信号。
作为优选地，N为19。
作为优选地，标准电流互感器2为0.05S级的电流互感器。
作为优选地，标准电流互感器2为高精度分流器。
具体地，这里的高精度分流器为高精度电阻，在测试时，将分流器两端的电压作为标准信号。
作为优选地，被测电流互感器3为0.2级的电流互感器。
作为优选地，被测电流互感器3为电子式电流互感器。
可以理解的是，对于标准电流互感器2，可选用0.05S级的电流互感器，对于高精度的电流互感器来说，由于其采集精度非常高，可认为其采集的基波以及谐波非常准确，因此可将其作为被测电流互感器3的标准，另外，当测试频率高于400Hz时应采用高精度分流器。被测电流互感器3可根据需要选用不同类型的电流互感器，被测电流互感器3可为常见的0.2级或者0.5级传统电流互感器，也可为电子式电流互感器，可以理解的是，传统电流互感器的输出额定二次电流可为5A或者1A，电子式电流互感器可输出模拟小电压也可输出数字量(IEC61850或者FT3)。
具体地，请参照图2和图3，其中，图2和图3均为本发明提供的另一种电流互感器谐波误差测量系统的结构示意图。
图2和图3中，CT0表示的是标准电流互感器，其为传统电流互感器，CTx表示的是被测电流互感器。MU为与电子式电流互感器连接的合并单元。综上所述，本发明提供的谐波电流误差测量装置，能够兼顾传统电流互感器和电子式电流互感器，拥有完整的测试和多种辅助功能。对谐波测试精度达到0.1级，基波误差精度0.02级。对于有合并单元输出的电子式电流互感器，谐波电流误差测量装置支持同步和非同步测量的方式，同步信号可以是输入或输出的秒脉冲和IRIG-B。
分别与标准电流互感器2和被测电流互感器3连接、用于将标准信号和被测信号转换成待处理信号并发送至上位机5的谐波电流测量装置4；
作为优选地，谐波电流测量装置4包括：
依次连接的继电器模块、AD采样模块、第二FPGA、stm32以及交换机，其中，继电器模块包括采样电阻，AD采样模块包括ADC采样芯片，交换机与上位机5连接；
具体地，这里的AD采样模块包括24位高精度ADC采样芯片。
谐波电流测量装置4还包括：
与第二FPGA连接的同步模块和FT3模块；
与交换机连接的第一电网口、第二电网口、第一光网口以及第二光网口；
通过第三FPGA与交换机连接的第三光网口。
具体地，请参照图4，图4为本发明提供的一种谐波电流测量装置的原理图。
其中，标准通道数据处理：
标准通道接标准电流互感器2模拟量(5A/1A)端口时，在上位机5选择5A量程和1A量程，上位机5通过UDP协议向stm32发送指令，stm32根据指令控制继电器模块切换到指定量程通路，输入的大电流经过采样电阻转成电压信号送到AD采样模块；AD采样模块首先对电压信号经过通道选择、程控放大、差分衰减等处理，然后送往ADC采样芯片(具体可以为AD127X模数转化芯片)；第二FPGA根据同步信号控制ADC采样芯片将模拟采样值转化成数字量并按SPI协议读回数据存储下来；stm32采用FSMC总线的协议将存储在第二FPGA内的数据读出来并封装成UDP报文的形式送到上位机5，由上位机5对标准谐波量数据进行运算处理；
标准通道接模拟小电压端口时，输入的小电压直接送到AD采样模块；AD采样模块对电压信号经过通道选择、程控放大、差分衰减等处理后送往ADC采样芯片；第二FPGA根据同步信号控制ADC采样芯片将模拟采样值转化成数字量并按SPI协议读回数据存储下来；stm32采用FSMC总线的协议将存储在第二FPGA内的数据读出来并封装成UDP报文的形式送到上位机5，由上位机5对标准谐波量数据进行运算处理；
被测通道数据处理：
被测通道接大电流(5A/1A)端口时，在上位机5选择5A量程和1A量程，上位机5通过UDP协议向stm32发送指令，stm32根据指令控制继电器模块切换到指定量程通路，输入的大电流经过采样电阻转成电压信号送到AD采样模块；AD采样模块对电压信号经过通道选择、程控放大、差分衰减等处理后送往ADC采样芯片；第二PFGA根据同步信号控制ADC采样芯片将模拟采样值转化成数字量并按SPI协议读回数据存储下来；stm32采用FSMC总线的协议将存储在第二PFGA内的数据读出来并封装成UDP报文的形式送到上位机5，由上位机5对被测谐波量数据进行运算处理；
被测通道接模拟小电压端口时，输入的小电压直接送到AD采样模块；AD采样模块对电压信号经过通道选择、程控放大、差分衰减等处理后送往ADC采样芯片；第二PFGA根据同步信号控制ADC采样芯片将模拟采样值转化成数字量并按SPI协议读回数据存储下来；stm32采用FSMC总线的协议将存储在第二PFGA内的数据读出来并封装成UDP报文的形式送到上位机5，由上位机5对被测谐波量数据进行运算处理；
被测量为数字量、采用IEC61850协议、有同步信号时，光纤根据尾纤类型(ST/SC)接在第一光网口或者第二光网口上，双绞线可接在任意一个电网口(第一电网口或者第二电网口)上，IEC61850报文通过交换机直接送到上位机5，由上位机5解析报文，取出被测谐波量数据，并进行运算处理；被测量为数字量、采用IEC61850协议、无同步信号时，将光纤接在第三光网口上(只支持SC口)；IEC61850报文送到第三PFGA处，由第三PFGA解析报文并在内部加上时间信息再通过网口经过交换机送到上位机5，上位机5根据报文内的被测谐波量数据和时间信息进行运算处理；
被测量为数字量采用FT3协议时，选用FT3端口，信号经过光电转换后将FT3信号送到第二PFGA上，第二PFGA通过解析FT3报文将内部包含的数据取出并存储下来，由stm32采用FSMC总线协议将数据读走后，在stm32中封装成UDP报文的形式送到上位机5，上位机5将UDP报文内的被测谐波量数据解析出来进行运算处理。
分别与谐波大电流发生装置1以及谐波电流测量装置4连接、用于依据待处理信号得到基波直至N次谐波的含量、比差和角差的误差的上位机5。
可以理解的是，上位机5对谐波电流测量装置4传送的待处理信号进行傅里叶变换运算，便可计算出基波以及各次谐波的含量、比差以及角差。
傅里叶变换的公式如下：
傅里叶系数：
式中：T为周期；ω0为基频，ω0＝2π/T0,T0为信号基波周期。
三角函数展开式的另一种形式：
式中：a0为信号的直流分量，An为N次谐波幅值，nω为N次谐波频率，为N次谐波相角，为N次谐波。
基波及各次谐波的比差角差：
式中：Kn为n次谐波比差，δn为n次谐波角差。
可见，可根据n次谐波的含量、比差以及角差得到n次谐波对电流互感器的影响，也即电流互感器采集n次谐波时的误差。
另外，上位机5符合多种测试要求，接口丰富，能够对各种电子源进行基波及谐波含量的控制，并按照设定自动进行电流升降，同时接收谐波测试仪发出的各种电量及误差数据信号，在本地数据库里面形成测试记录，方便后续的分析和查询。
综上，本发明中能够获知谐波大电流发生装置根据谐波机理产生的谐波大电流，能够获知谐波对电流互感器一次、二次电流信号的影响，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响；能够获知谐波电流误差测量装置对谐波信号的分析及各次谐波下被测信号与标准信号的比值差、角差。
本发明提供了一种电流互感器谐波误差测量系统，该系统包括用于生成谐波大电流的谐波大电流发生装置；用于对谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器；用于对谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器；用于将标准信号和被测信号转换成待处理信号并发送至上位机的谐波电流测量装置；用于依据待处理信号得到基波直至N次谐波的含量、比差和角差的上位机。可见，本申请通过生成谐波大电流的谐波大电流发生装置来模拟电力系统环境，再依据分别对谐波大电流进行测量的被测电流互感器以及标准电流互感器测得的被测信号和标准信号得到基波以及N次谐波的含量、比差和角差，通过与标准电流互感器的比较，便可获知电流互感器在对谐波测量时的误差，进而得到谐波对被测电流互感器输出的被测信号与标准电流互感器输出的标准信号之间误差(比值差、角差)的影响，方便后续对被测电流互感器进行改进以及对谐波的准确测量。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种电流互感器谐波误差测量系统，其特征在于，包括：
用于接收并依据用户输入至上位机的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数生成谐波大电流的谐波大电流发生装置，其中，所述参数包括所述基波直至N次谐波的含量、幅值、相位以及频率；
与所述谐波大电流发生装置连接、用于对所述谐波大电流进行测量，得到标准信号的标准电流互感器；
与所述谐波大电流发生装置连接、用于对所述谐波大电流进行测量，得到被测信号的被测电流互感器；
分别与所述标准电流互感器和所述被测电流互感器连接、用于将所述标准信号和所述被测信号转换成待处理信号并发送至所述上位机的谐波电流测量装置；
分别与所述谐波大电流发生装置以及所述谐波电流测量装置连接、用于依据所述待处理信号得到所述基波直至N次谐波的含量、比差和角差的所述上位机；
N为大于9的奇数，所述谐波大电流发生装置包括：
与所述上位机连接、用于接收所述上位机依据用户输入的基波、3次谐波、5次谐波直至N次谐波的参数分别对应生成基波生成指令直至7次谐波生成指令以及9-N次复合谐波生成指令的第一FPGA；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述基波生成指令生成基波信号的基波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据3次谐波生成指令生成3次谐波信号的3次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据5次谐波生成指令生成5次谐波信号的5次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述7次谐波生成指令生成7次谐波信号的7次谐波功率源；
输入端与所述第一FPGA连接、用于依据所述9-N次复合谐波生成指令生成9-N次复合谐波信号的复合谐波功率源；
分别与所述基波功率源的输出端、3次谐波功率源的输出端、5次谐波功率源的输出端、7次谐波功率源的输出端以及复合谐波功率源的输出端连接、用于将所述基波信号、3次谐波信号、5次谐波信号、7次谐波信号以及9-N次复合谐波信号进行耦合并放大的升流器；
所述标准电流互感器包括0.05S级的电流互感器和高精度分流器，其中，当测试频率高于400Hz时，选用所述高精度分流器进行测量；
所述谐波电流测量装置包括：
依次连接的继电器模块、AD采样模块、第二FPGA、stm32以及交换机，其中，所述继电器模块包括采样电阻，所述AD采样模块包括ADC采样芯片，所述交换机与所述上位机连接；
所述谐波电流测量装置还包括：
与所述第二FPGA连接的同步模块和FT3模块；
与所述交换机连接的第一电网口、第二电网口、第一光网口以及第二光网口；
通过第三FPGA与所述交换机连接的第三光网口；
其中，在被测量为数字量、采用IEC61850协议、有同步信号时，传输所述被测量的光纤根据尾纤类型接在第一光网口或者第二光网口上，传输所述被测量的双绞线可接在第一电网口或者第二电网口；
在所述被测量为数字量、采用IEC61850协议、无同步信号时，将传输所述被测量的光纤接在所述第三光网口上；
在所述被测量为数字量采用FT3协议时，选用所述FT3模块上的FT3端口。
2.如权利要求1所述的电流互感器谐波误差测量系统，其特征在于，N为19。
3.如权利要求1所述的电流互感器谐波误差测量系统，其特征在于，所述被测电流互感器为0.2级的电流互感器。
4.如权利要求1所述的电流互感器谐波误差测量系统，其特征在于，所述被测电流互感器为电子式电流互感器。
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