一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源及方法
阅读：778发布：2024-01-13
专利汇可以提供一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种智能 电网 数字化设备性能校验的程控功率源，所述的rogowski线圈互感器和 铁 芯线圈互感器安装在一次线圈上；rogowski线圈互感器的 信号 采样 装置输出端经过数字积分器与互感系数自校仪连接；铁芯线圈互感器的信号采样装置输出端与互感系数自校仪连接,还公开了校验方法，程控功率源采用高 精度 D/A卡生成 波形 信号，并运用大功率 电压 运放、大功率 电流 运放进行功率放大,通过功放智能 过热 自保护系统，有效提高了程控功率源的可靠性和使用寿命。因此程控功率源具有标准化、智能化、高可靠性、高性能等特点，满足 智能电网 相关数字化设备性能校验的多种需求。，下面是一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源及方法专利的具体信息内容。
1.一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源，包括一次线圈、rogowski线圈互感器、铁芯线圈互感器、数字积分器和互感系数自校仪，其特征在于：所述的rogowski线圈互感器和铁芯线圈互感器安装在一次线圈上；rogowski线圈互感器的信号采样装置输出端经过数字积分器与互感系数自校仪连接；铁芯线圈互感器的信号采样装置输出端与互感系数自校仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源，其特征在于：所述的数字积分器为积分衰减和输出直流隔离的数字积分器。
3.一种智能电网数字化设备性能校验的方法,其特征在于：包括以下步骤：
第一步、首先用Rogowski以线圈电流互感器作为标准电流传感器；精密无感电阻分压作为标准电压传感器采集程控功率源输出波形；
第二步、将检测的电压、电流信号与标准电流、电压信号同时反馈到模糊PID控制系统，构成闭环反馈控制，使输出更为精确和稳定；
第三步、闭环反馈控制输出的电流、电压信号经高精度D/A卡输出模拟信号；
第四步、模拟信号经功率放大器放大产生A、B、C三相电压、电流功率信号。
一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源及方法
技术领域
背景技术
[0002] 2012年，国家智能电网建设已上升为国家战略，在智能电网重大 科技产业化工程“十二五”专项规划推动下，我国目前已经完成上千座 数字化智能变电站的建设。与此同时，数字化设备开始大规模应用， 而电能计量的方式也从传统的模拟信号计量转变为现代化的基于 IEC61850数字通信协议的数字化电能计量。随着数字化智能变电站自 动化技术的推广和工程建设，数字化设备在变电站的应用也越来越广 泛，对数字化设备的功能和性能要求越来越高。
[0003] 目前，基于数字化设备的数字电能计量结构逐渐开始取代传统的 电能计量模式，但人们对数字化设备的硬件构成、功能模块、数据传 输及数据处理方式的研究还不够深入。其中的某些试验项目并没有充 分考虑数字化设备的自身特点及实际运行情况，对数字化设备计量性 能测试不够全面，导致数字化设备在运行中依然会遇到较多的计量相 关问题。
[0004] 目前，亟需开展数字化设备计量性能评价体系关键技术研究，而 程控功率源可以为智能电网相关数字化设备性能校验提供所需要的 各种三相电压、电流功率信号或其他测试所需信号，其具有标准化、 智能化、高可靠性、高性能等特点，满足数字化设备计量性能测试的 多种需求。程控功率源保证了数字化设备计量性能测试提供必备的信 号源推动相关关键技术研究能快速、准确的实施，对数字电能计量的 实际应用和智能电网的发展具有重要意义。
发明内容
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供为智能电网相 关数字化设备性能校验提供所需要的各种三相电压、电流功率信号或 其他测试所需信号的程控功率源，尤其是提出了Rogowski线圈和铁 芯线圈组合测量单元和模糊PID反馈控制算法提高输出信号稳定性 和准确性以及自适应电源的高效功率放大器设计和基于多物理参数 模型的过热自保护系统等设计以保证智能化的提高发明的可靠性和 使用寿命。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 一种智能电网数字化设备性能校验的程控功率源，包括一次线圈、 rogowski线圈互感器、铁芯线圈互感器、数字积分器和互感系数自校 仪，所述的rogowski线圈互感器和铁芯线圈互感器安装在一次线圈 上；rogowski线圈互感器的信号采样输出端经过数字积分器与互感系 数自校仪连接；铁芯线圈互感器的信号采样输出端与互感系数自校仪 连接。
[0008] 所述的数字积分器为积分衰减和输出直流隔离的数字积分器。
[0009] 其校验的方法,包括以下步骤：
[0011] 第二步、将检测的电压、电流信号与标准电流、电压信号同时反 馈到模糊PID控制系统，构成闭环反馈控制，使输出更为精确和稳定；
[0012] 第三步、闭环反馈控制输出的电流、电压信号经高精度D/A卡 输出模拟信号；
[0013] 第四步、模拟信号经功率放大器放大产生A、B、C三相电压、电 流功率信号。
[0014] 采用本发明的技术方案，高精度Rogowski线圈电流互感器作为标 准电流传感器、精密无感电阻分压作为标准电压传感器采集程控功率 源输出波形；检测的电压、电流信号与标准电流、电压信号同时反馈 到模糊PID控制系统，构成闭环反馈控制，使输出更为精确和稳定； 闭环反馈控制输出的电流、电压信号经高精度D/A卡输出模拟信号； 模拟信号经功率放大器放大产生A、B、C三相电压、电流功率信号。
[0015] 与现有技术比较，本发明取得技术效果在于：
[0016] 本功率源采用高精度Rogowski线圈(Rogowski线圈和铁芯线圈 组合测量单元)电流互感器作为标准电流传感器
[0017] 本功率源采用精密电阻分压作为标准电压传感器能达到0.1％测 量精度，频带和响应均符合要求；
[0018] 高精度Rogowski线圈中设计了一种基于直流偏移分析和负反馈 控制的新型数字积分算法及基于积分衰减和输出直流隔离的新型数 字积分算法的新型数字积分算法的积分器以确保高准确；
[0020] 本功率源带自适应电源功率放大器和基于多物理参数模型的过 热保护系统智能化的提高使用寿命及性能。
[0022] 图1所示为本发明原理框图；
[0023] 图2所示为本发明内基于Rogowski线圈和铁芯线圈的高精度电流互 感器原理图；
[0024] 图3所示为本发明内Rogowski线圈示意图；
[0025] 图4所示为本发明模拟积分器；
[0026] 图5所示为本发明内基于直流偏移分析和负反馈控制的新型数字积 分算法设计图；
[0027] 图6所示为本发明内基于积分衰减和输出直流隔离的新型数字积分 算法设计图；
[0028] 图7所示为本发明内模糊PID控制器原理框图；
[0029] 图8所示为本发明内PID控制原理图；
[0030] 图9所示为本发明的带自适应电源功率放大器实现原理框图；
[0031] 图10所示为D/A卡小电压输出与电源控制信号输出曲线图；
[0032] 图11所示为D/A卡三相电压不平衡输出与电源控制信号输出曲线 图；
[0033] 图12所示为本发明基于多物理参数模型的过热保护系统软件流程 图；
[0034] 图13所示为功率放大器的发热模型图；
[0035] 图14所示为功率放大器的热量传输模型图。
具体实施方式
[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此 之间未构成冲突就可以相互组合。
[0037] 实施例：
[0038] 本发明以程控功率源输出相应的三相电流、电压功率信号为例进 行具体实施方式的说明。具体实施步骤如下：
[0039] 如图1所示，本发明基于LabVIEW虚拟仪器开发可编程程控功 率源软件，产生三相电压、电流波形信号或任意波形信号，采用高精 度D/A卡输出模拟信号，经功率放大产生A、B、C三相电压、电流 功率信号。设计高精度Rogowski线圈电流互感器作为标准电流传感 器、精密无感电阻分压作为标准电压传感器采集功率波形发生器输出 波形，并运用模糊PID控制系统调节输出，保证功率信号输出的准确 性和稳定性。高精度Rogowski线圈电流互感器运用新型数字积分器 对PCB设计Rogowski线圈输出进行积分，以还原被测电流信号波形， 提高Rogowski线圈电流互感器准确度和稳定性。由于Rogowski线圈 容易受一次导线位置影响，长期稳定性较差，设计低频下，运用铁芯 线圈互感器对Rogowski线圈电流互感器的互感系数进行校正。通过 自校正方法进一步提高Rogowski线圈电流互感器准确度，作为标准 传感器用于测量电流输出。检测的电压、电流信号也反馈到功率信号 发生器软件输出控制模块，构成闭环反馈控制，使输出更为精确和稳 定。
[0040] 根据S1所述，由于Rogowski线圈容易受一次导线位置影响，长 期稳定性较差，设计低频下，运用铁芯线圈互感器对Rogowski线圈 电流互感器的互感系数进行校正。通过自校正方法进一步提高 Rogowski线圈电流互感器准确度，作为标准传感器用于测量电流输 出。其关键特征如图2所示，利用铁芯线圈的准确度高、不受导体位 置影响的优点，在50Hz电流时，用铁芯线圈的输出作为标准，并分 析Rogowski线圈的互感误差，如果误差过大，则及时对Rogowski 线圈的互感系数进行校准。在Rogowski线圈被校准之后，以Rogowski 线圈作为标准电流互感器，用于测量宽频带范围内的电流信号。
[0041] 根据S1所述，积分器是高准确度Rogowski线圈电流互感器信 号处理过程中很重要的一个环节。根据图3和式 Rogowski 线圈的输出为被测电流的微分信号，Rogowski输出信号不能直接反 应被测电流的波形，需要接积分器对Rogowski线圈的输出信号积分， 从而还原出与被测电流信号成正比例的波形。因此，高准确度 Rogowski线圈电流互感器离不开高准确度、高稳定性的积分器设计。
[0042] 目前一般采用在积分电容上并联一个阻值较大的反馈电阻，如图 4所示。反馈电阻可以为偏置电压提供反馈通道，故可以有效抑制偏 置电压的影响。当反馈电阻的阻值足够大时，此积分器的响应接近理 想积分器。由于反馈电阻的存在，该积分器对低频信号的放大倍数非 常大，可能达到工频信号放大倍数的很多倍，因此低频干扰信号可能 会影响到积分电路的正常工作。为了抑制低频干扰，有学者对积分器 进行了改进。
[0043] 带反馈电阻的积分电路的幅频响应曲线可以在整个频率范围与 理想积分较好的接近，但是存在的问题是低频增益过大，对于积分电 路输入端极小的低频或直流信号，都会放大很多倍，导致积出饱和。 改进低频增益积分电路在频率较高时幅频特性曲线与理想积分吻合， 在低频段增益比前两种积分电路有所降低，但是并没有完全消除低频 段对积分电路带来的影响。另外，改进的两种电路在相频响应方面与 理想积分相比效果不好，不像理想积分器那样刚好是90°的相位。也 有研究人员设计了基于低通滤波器的积分电路，可明显改善积分器的 低频特性，但却导致其相频响应曲线与理想积分差距增大，需要对相 位进行调节。
[0044] 根据S2所述，因此高精度Rogowski线圈电流互感器运用新型数 字积分算法对PCB设计Rogowski线圈输出进行积分，以还原被测电 流信号波形，提高Rogowski线圈电流互感器准确度和稳定性。基于 此设计以基于直流偏移分析和负反馈控制的新型数字积分算法和基 于积分衰减和输出直流隔离的新型数字积分算法设计出的新型数字 积分算法能更好的应用于Rogowski线圈互感器。
[0045] 根据S3所述，采用基于直流偏移分析和负反馈控制的新型数字积 分算法：为了克服信号中直流分量对数字积分的影响，提出了一种基 于直流负反馈原理的改进Al-Alaoui积分算法，通过负反馈的方式消除 数字积分输入信号中的不变直流分量，从而减小数字积分的误差。原 理如图5所示，e1(t)为A/D转换器的输入信号，其中可能含有直流分量。 e2(t)为数字积分器的输出信号，由于输入信号中直流分量的影响，数 字积分器输出中的直流分量会累加，导致e2(t)中的直流分量远大于 e1(t)中的直流分量。e3(t)为数字积分器输出信号中的直流分量，可通 过低通滤波器提取出来。e4(t)为最终消除了直流分量影响的输出信 号。
[0046] 根据S3所述，采用基于积分衰减和输出直流隔离的新型数字积分 算法：针对Al-Alaoui积分算法会对输入信号直流分量进行进行积分累 加情况，提出基于积分衰减和输出直流隔离的新型数字积分算法引入 衰减系数K[113]，设计的新型数字积分算法为[0047]
[0048] 当e2-DC(T)-Ke2-DC(T-10)＝10e1-DC(T)时，衰减系数K引起的输出直流 分量的衰减等于输入信号的直流分量时，设计的新型数字积分输出直 流偏移将达到稳定值，不会继续增加到无穷。此时，数字积分输出信 号直流偏移为：
[0049] e2-DC(T)＝e1-DC(T)/(1-K) (3-24)
[0050] 运用IIR滤波器和直流含量分析模块(设计同3.3.1)，提取出积分 输出信号的直流分量，运用减法器，将直流信号减去，即
[0051] e3(kT)＝e2(kT)-e2-DC(kT) (3-25)
[0052] 详细设计如图6所示。设计的新型数字积分器通过引入衰减系数 K，阻止了积分输出e2(kT)直流偏移累积到无穷大，然后通过输出直 流隔离的设计，自动将e2(kT)中的稳定的直流偏移分量减为0。对于 输入信号中本身可能会含有的暂态衰减直流分量，IIR低通滤波器和 直流含量分析模块会滤除这种暂态的衰减的直流波形，不会将其滤 除，输出信号为完整的暂态波形。
[0053] 根据S1所述，检测的电压、电流信号也反馈到功率信号发生器 软件输出控制模块，构成闭环反馈控制，使输出更为精确和稳定。模 糊PID控制器原理框图如图7所示，其中标准电流信号采样运用的是 基于Rogowski线圈互感系数校准的标准电流采样单元，标准电压采 样运用的是精密电阻分压。输入为数字量，经PCI6733高精度D/A 卡输出信号，然后经大功率电压运放和大功率电流运放放大后输出。 PCI4472高精度A/D卡采集输出信号，改进Al-Alaoui数字积分算法 用于对Rogowski线圈输出进行数字积分，还原电流波形。铁芯线圈 信号采样和标准电阻分压器采样则直接送入模糊PID控制器。整个控 制系统实现了全数字化控制，模糊PID控制及检测任务、Rogowski 数字积分算法均是由软件来完成，并设有故障报警和保护功能。系统 硬件电路简单，成本低，可靠性高。
[0054] S8：根据S7所述，模糊PID控制器是通过计算机实现的，采用数 字PID控制方式。PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三个 部分组成，是一个二阶超前滞后校正装置。PID控制器具有简单，易 于参数整定等特点，在工业生产中得到广泛应用。所谓PID控制是比 例-积分-微分(PID)控制是将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线 性组合构成控制量，对被控过程进行控制，其基本原理如图8所示。
[0055] 给定制r(t)与实际输出值y(t)构成偏差e(t)：
[0056] e(t)＝r(t)-y(t)
[0057] PID控制规律：
[0058]
[0059] 其传递函数形式：
[0060]
[0061] 式中：kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
[0062] 比例环节根据偏差量成比例的调节系统控制量，以此产生控制作 用，减少偏差。积分环节用于消除静差，提高系统的无差度。微分环 节根据偏差量的变化趋势调节系统控制量，在偏差信号发生较大的变 化以前，提前引入一个早期的校正信号，取到加快系统动作速度，减 少调节时间的作用。
[0063] 如图1所示，当信号合成之后，通过功率放大器放大为电流信号 和电压信号。其中，电流信号放大采用的是高电流线性放大器PA12A 功放，输出额定值为5A或1A，输出电流范围为±9A；电压信号放大 采用的是高电压线性放大器PA91功放，输出额定值为100V或57.7V， 输出电压范围为±180V。程控功率源设计中，电流功放和电压功放的 稳定性、可靠性，直接关系到程控功率源的性能。因此，采用带自适 应电源的高效功率放大器和基于多物理参数模型的过热保护系统来 保证功放器件的安全稳定运行。
[0064] 根据S6所述，带自适应电源的高效功率放大器其原理框图如图 9所示，运用LabVIEW软件驱动D/A卡CH0通道输出电压源功放供 电电源控制信号US-u，CH1、CH2、CH3通道输出三相电压波形uA(t)、 uB(t)、uC(t)，CH4通道输出电流源功放供电电源控制信号US-i，CH5、 CH6、CH7通道三相电流波形iA(t)、iB(t)、iC(t)，同时，输出电源控 制信号(US-u、US-i)。
[0065] 以三相电压源为例，当输出电压幅值较小时，D/A卡同时输出低 幅值的电源信号US-u，如图10所示；当输出电压幅值较大时，D/A卡 同时输出高幅值的电源信号。图11所示为模拟三相电压不平衡工况， 电源控制信号的设定以最大幅值相为准。为保证波形不失真，软件中 设定
[0066] Us-u＝1.2Up
[0067] (3-46)
[0068] 其中Up为A、B、C三相波形中，幅值最大的一相。
[0069] 根据S6所述，基于多物理参数模型的过热保护系统策略流程图如 图12所示。对程控功率源的工作原理进行分析可得到电压源用和电流 源用功率放大器的发热模型分别如图13(1)、(2)所示。
[0070] 图13(1)为电压源用功率放大器的发热模型，V1为功率放大器 的工作电压，R1为其负载电阻，V2为电压源的输出电压；图13(2)为 电流源用功率放大器的发热模型，V3为功率放大器的工作电压，R2为 电流源电路中的取样电阻，R5为电流源的负载电阻，I2为电流源的输
[0071] 出电流，则电压源用功率放大器与电流源用功率放大器的耗散功率分[0072] 别为：
[0073]
[0074] P2＝I2·(V3-R2I2-R3I2)＝I2V2-(R2+R3)I22 (3-48) 电压源用功率放大器和电流源用功率放大器产生的热量一部分经过加 装的散热片散热，另一部分经过风扇散热，其余部分将会促使功率放大 器温度升高。可得电压用和电流源用功率放大器的热量传输模型分别如 图14(1)、(2)所示。Ru1、RI1表示的是热量从功率放大器经散热片传 输热量所形成的热阻，RU2、RI2为通过风扇向周围空气散热所形成的热阻， CU1、CU2分别为电流源用功率放大器和电压源用的热容量。由上可计算 出电压源用和电流源用功率放大器的实时温度TU、TI分别为:
[0075]
[0076]
[0077] 将上述两式进行离散解析后可得
[0078]
[0079]
[0080] 其中：
[0081] RUq为电压源用功率放大器的等效热阻，tUq为其热时间常数，RIq为电流源用功率放大器的等效热阻，tIq为其热时间常数。将式(3-47)、 (3-48)代入式(3-51)、(3-52)可得，[0082]
[0083]
[0084] 以环境温度(可由温度传感器测得)为起始温度，结合多路功率 型任意波形发生器的运行时间通过上述两式进行迭代计算即可计算 出电压源用和电流源用功率放大器的实时温度值。软件自动判断功率 放大器的实时温度，若超过保护温度则进行相应的过热保护策略。
[0085] 以上所述仅是本发明程控功率源的具体实施方式，使本领域技术 人员能够理解或实现本发明，根据权利要求书可以利用本发明作为智 能电网IEC61850协议数字化设备相关测试的功率源，针对本文明实 例进行的多种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，本发明所采 用的方法及原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它 的实例中实现。因此，本发明不会被限制于本文所示的实施案例，而 是要符合与本文所公开的原理和新颖特点所一致的最宽范围。
[0086] 最后说明的是，以上所述仅是实施例，仅为说明本发明技术方案 而非限制，尽管参照实施例对本发明进行的详细的说明，本领域的普 遍技术人员应当理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修 改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种光电断路器装置系统 | 2020-05-11 | 546 |
| 一种动画运动规律教学的辅助系统及其使用方法 | 2020-05-11 | 873 |
| 成像仿真方法、装置、电子设备和存储介质 | 2020-05-08 | 390 |
| 一种安装时可精准定位型LED显示屏 | 2020-05-08 | 88 |
| 一种手动精密调焦机构 | 2020-05-08 | 198 |
| 一种数字信号传感器 | 2020-05-08 | 27 |
| 一种大尺度复合材料应变空间高密度监测系统 | 2020-05-08 | 783 |
| 一种3D立体仿真人形靶标装置 | 2020-05-08 | 465 |
| 一种结合组织氧饱和度检测的声音外放式电子听诊器 | 2020-05-08 | 127 |
| 一种色谱传感器 | 2020-05-08 | 401 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈