电子式电压互感器的暂态特性检测系统及方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及智能
电网检测技术领域，具体涉及一种电子式电压互感器的暂态特性检测系统及方法。
背景技术
[0002] 随着
智能电网的快速发展，电子式电压互感器（EVT）已在智能电网中大量应用，担负着将电
力系统一次侧电压准确快速的传变给二次侧的计量，测量，保护，故障录波等IED设备，其性能的好坏直接影响IED设备的运行。
[0003] 当电网稳定运行时，电子式电压互感器的一次电压幅值的
频率均接近额定参数值，但当电网出现过电压，或大气放电，或
开关操作，或
短路故障，或线路重合闸等情况时，电网系统的电压均会出现暂态过程，在此过程中要求电子式电压互感器能够在毫秒级时间内以不超过误差限值准确传变一次电压，这对于二次侧的IED设备来说，至关重要。 [0004] 电子式电压互感器的暂态条件分为两类，一类是一次侧短路，在高压
端子与接地低压端子之间的电源短路之后，电子式电压互感器的二次
输出电压应在额定频率的1个周波内下降到短路前峰值的10%以下；另一类是线路带滞留电荷的重合闸，线路开关断开时的电荷量取决于断开时电压的
相位，最坏的情况是在电压峰值瞬间断开，不同原理的电压互感器在此时的二次输出电压u(t0)有差异，当线路重合 闸时，u(t0)将
叠加在正弦
信号上，会造成暂态误差，若在一次侧电压峰值时切断线路，再在电压峰值时且符号与滞留电荷相反时重合，要求在重合后2到3个周波内瞬时电压误差不超过10%，3到4.5个周波内瞬时电压误差不超过5%。
[0005] 但是，由于电子式电压互感器输出为数字
接口，传统的测试系统无法接入
数字量，从而造成电子式电压互感器的暂态测试时严重滞后，目前国内外，还没有针对EVT的暂态特性进行专
门的测试方法与系统，是当期急需解决的问题，以便保证电子式电压互感器的长期安全稳定运行。
发明内容
[0006] 本发明所解决的技术问题是克服
现有技术中传统的测试系统无法接入数字量，从而造成电子式电压互感器的暂态测试时严重滞后，目前国内外，还没有针对EVT的暂态特性进行专门的测试方法与系统，本发明提供的电子式电压互感器的暂态特性检测系统及方法，能够可靠完善的对电子式电压互感器的暂态特性进行检测，旨在提高电子式电压互感器的暂态性能，提高电子式电压互感器的测试技术，为电子式电压互感器的安全稳定运行提供技术保障。
[0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0008] 一种电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：包括暂态试验条件仿真单元、高频
分压器、合并单元和暂态特性检测单元，所述暂态试验条件仿真单元输出的一次侧高电压U1给被测电子式电压互感器提供试验所用的不同电压等级，一次侧高电压U1还通过高频 分压器转化为
低电压，作为暂态特性检测单元的标准源信号U2，被测电子式电压互感器与高频分压器相并联，且一同与暂态试验条件仿真单元相并联，被测电子式电压互感器的
采样值通过合并单元的光纤接口发送给暂态特性检测单元，作为暂态特性检测单元的被测信号。
[0009] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述暂态试验条件仿真单元包括输出的一次侧高电压U1的电源、第一开关CB1和第二开关CB2，所述第一开关CB1并联在电源的两端，所述第二开关CB2的一端与电源的正极
串联，另一端为暂态试验条件仿真单元的一次侧高电压U1的输出端，其中
电阻Rg为限流电阻。
[0010] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述暂态特性检测单元包括
[0011] 位于高压侧的前置采集单元，用于采集及处理标准源信号，并传送给后置处理单元；
[0012] 位于低压侧的后置处理单元，用于接收被测信号和前置采集单元采集的标准源信号，并捕捉暂态试验的突变量，进行数据录波以及误差计算；
[0013] 所述前置采集单元与后置处理单元之间通过光纤通信，所述后置处理单元还通过光纤与位于高压侧的合并单元进行通信，均采用IEC61850-9-1、IEC61850-9-2或FT3通信协议。
[0014] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述前置采集单元包括DSP处理器、电压转换器、信号调理
电路、ADC采集电路、
电池组、光发送器和
光接收器，所述标准源信号U2通过电 压转换器与信号调理电路相连接，所述信号调理电路还通过ADC采集电路与DSP处理器相连接，所述DSP处理器通过光发送器将采集的标准源信号数据发送给后置处理单元，所述DSP处理器通过光接收器接收后置处理单元发送的时钟
同步信号，并将时钟同步信号传送给ADC采集电路，控制采集周期，所述电池组用于提高工作电压。
[0015] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述信号调理电路设有截止频率不低于20kHz的低通滤波电路；所述ADC采集电路的AD芯片为24位高速采样芯片。
[0016] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述后置处理单元包括第一光纤收发器、第二光纤收发器、FPGA、时钟模
块和PowerPC主处理器，所述第一光纤收发器用于接收前置采集单元发送的标准源信号采样值，并传送给FPGA；所述第二光纤收发器用于接收合并单元发送的被测信号采样值，并传送给FPGA；所述时钟模块用于控制标准源信号与被测信号进行同步采样，与FPGA相连接，所述FPGA用于补偿数据接收环节在时域上带来的附加误差，并将时域补偿后的数据，传送给PowerPC主处理器，进行数据录波以及误差计算。
[0017] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：所述后置处理单元还包括
人机界面，所述人机界面与PowerPC主处理器相连接，所述人机界面包括高
分辨率的彩色LCD显示器，用于完成数据的图形化绘制、误差参数显示。
[0018] 基于上述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统的检测方法， 其特征在于：包括以下步骤，
[0019] 步骤（1），根据公式（1），确定一次侧高电压U1的电源的输出电压U1， [0020]
[0021] 其中，Up为一次侧高电压U1的基波分量的有效值,f为基波频率, 为初始相位
角，Udc为
直流分量、Ures(t)为残余电压分量。
[0022] 步骤（2），通过控制暂态试验条件仿真单元，控制被测电子式电压互感器进入一次侧短路的暂态试验或者线路带滞留电荷重合闸的暂态试验；
[0023] 步骤（3）对被测信号的额定相位偏移 和额定延时时间td加以修正，对被测信号的每个采样值进行时间标定，并时标修正 其中fr为被测电子式电压互感器的额定频率值，从而使修正后的被测信号采样值与标准源信号采样值通过时标同步处理；
[0024] 步骤（4）通过突变量检测来捕捉突变电压Δu，突变电压Δu为公式（2）， [0025] Δu＝|u(t)-u(t-2T)| （2）
[0026] 其中，t为当前时刻，T为一个工频周波时间，u(t)为当前瞬时电压； [0027] 步骤（5），当Δu>Uset时，Uset为
门槛电压，Uset=0.4Up，判定为暂态起始； [0028] 步骤（6）若为一次侧短路的暂态试验，则搜索暂态起始时刻前 一个周波被测信号的电压值Utest的峰值Umax，并对暂态起始时刻一周波后的电压瞬时值与0.1Umax进行幅值判断，以判定一次侧短路的暂态特性是否合格，若暂态起始时刻一周波后的电压瞬时值大于0.1Umax，一次侧短路的暂态特性合格。
[0029] 步骤（7）若为线路带滞留电荷重合闸的暂态试验，从暂态起始时刻后的二周波开始，计算在二到三个周波
时间窗内的瞬时电压误差ε是否大于10%，三到四个半周波时间窗内的瞬时电压误差ε是否大于5%，以判定线路带滞留电荷重合闸的暂态特性是否合格，若二到三个周波时间窗内的瞬时电压误差ε大于10%，三到四个半周波时间窗内的瞬时电压误差ε大于5%，且线路带滞留电荷重合闸的暂态特性合格。
[0030] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：步骤（2），通过控制暂态试验条件仿真单元，控制被测电子式电压互感器进入一次侧短路的暂态试验或者线路带滞留电荷重合闸的暂态试验的方法为闭合第二开关CB2，控制第一开关CB1由断开到闭合，使被测电子式电压互感器一次侧的电压降为零，为一次侧短路的暂态试验；断开第一开关CB1，控制第二开关CB2在一次侧高电压U1的正峰值处由闭合到断开，在一次侧高电压U1的负峰值处由断开到闭合，为线路带滞留电荷重合闸的暂态试验。
[0031] 前述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，其特征在于：计算瞬时电压误差ε的方法为，
[0032] （1）误差电压Ue=Utest-Uref，其中Utest为被测信号的电压值，Uref 为标准源信号的电压值；
[0033] （2）通过公式（3），得到瞬时电压误差ε，公式（3）如下，
[0034]
[0035] 其中，Up为一次侧高电压U1的基波分量的有效值。
[0036] 本发明的有益效果是：本发明的电子式电压互感器的暂态特性检测系统，能够可靠完善的对电子式电压互感器的暂态特性进行检测，旨在提高电子式电压互感器的暂态性能，提高电子式电压互感器的测试技术，为电子式电压互感器的安全稳定运行提供技术保障，并具有以下优点，
[0037] 1）检测系统可以兼容不用原理，不同厂家，不同协议接口的电子式电压互感器，具有很高的通用性；
[0038] 2）能够测试一次侧短路和线路带滞留电荷重合闸的两种暂态试验，暂态考核严格；
[0039] 3）测试系统不依赖于电子式电压互感器当前的同步状态，并且能自适应电子式电压互感器的额定相位偏移、额定延时时间，实现同步；
[0040] 4）通过高
精度高带宽模拟量采样，以及基于FPGA的数字量接收，完成了原始数据收集，通过完善的突变量捕捉和滤波
算法，完成了误差的计算，保证了检测系统的高精度，测量误差不超过1%；
[0041] 5）暂态特性检测单元为高、低压侧分离式，减少了
模拟信号的远距离传输带来的干扰及误差，又大大提高了检测系统的安全性。
附图说明
[0042] 图1是本发明的电子式电压互感器的暂态特性检测系统的系统
框图。 具体实施方式
[0043] 下面将结合
说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0044] 如图1所示，一种电子式电压互感器的暂态特性检测系统，包括暂态试验条件仿真单元、高频分压器、合并单元和暂态特性检测单元，暂态试验条件仿真单元输出的一次侧高电压U1给被测电子式电压互感器提供试验所用的不同电压等级，一次侧高电压U1还通过高频分压器转化为低电压，作为暂态特性检测单元的标准源信号U2，高频分压器具有高带宽与高精度的特性，可以保证对暂态电压的高保真传变，被被测电子式电压互感器与高频分压器相并联，且一同与暂态试验条件仿真单元相并联，被测电子式电压互感器的采样值通过合并单元的光纤接口发送给暂态特性检测单元，作为暂态特性检测单元的被测信号。 [0045] 所述暂态试验条件仿真单元包括输出的一次侧高电压U1的电源、第一开关CB1和第二开关CB2，所述第一开关CB1并联在电源的两端，所述第二开关CB2的一端与电源的正极串联，另一端为暂态试验条件仿真单元的一次侧高电压U1的输出端。
[0046] 所述暂态特性检测单元包括位于高压侧的前置采集单元，用于采集及处理标准源信号，并传送给后置处理单元；位于低压侧的后置处理单元，用于接收被测信号和前置采集单元采集的标准源信号，并捕捉暂态试验的突变量，进行数据录波以及误差计算； [0047] 所述前置采集单元与后置处理单元之间通过光纤通信，所述后置处理单元还通过光纤与位于高压侧的合并单元进行通信，均采用IEC61850-9-1、IEC61850-9-2或FT3通信协议。
[0048] 所述前置采集单元包括DSP处理器、电压转换器、信号调理电路、ADC采集电路、电池组、光发送器和光接收器，所述标准源信号U2通过电压转换器与信号调理电路相连接，电压转换器将标准源信号U2输出可供采集的峰值10V以内电压U3，所述信号调理电路还通过ADC采集电路与DSP处理器相连接，所述DSP处理器通过光发送器将采集的标准源信号数据发送给后置处理单元，所述DSP处理器通过光接收器接收后置处理单元发送的时钟同步信号，并将时钟同步信号传送给ADC采集电路，控制采集周期，所述电池组用于提高工作电压，所述信号调理电路设有截止频率不低于20kHz的低通滤波电路；所述ADC采集电路的AD芯片为24位高速采样芯片，选用ADI公司的24位
模数转换器AD7765芯片，采样率定为78kHz，此时动态范围高达为115dB，该转AD芯片具有出色的直流特性，非常适合在同时需要直流数据的情况下对交流信号进行高速
数据采集，全频内置FIR
滤波器，可在奈奎斯特频率点上获得滤波器的全
阻带衰减，此特性可更好地防止大于奈奎斯特频率的信号
混叠回馈到
输入信号带宽中，AD7765芯片提供低功耗模式，可显著降低功耗，但不会降低输出
数据速率或可用输入带宽；DSP处理器选用TI公司低功耗32位浮点TMS320C6745芯片，该DSP处理器以C674x DSP核心为
基础，具备浮点优势与过去定点DSP独具的联机外围、低功耗及低成本等 特性，频率可达300MHz，包含一组系统控制专用串行端口及多达16个序列器及FIFO
缓冲器的多信道音讯串行端口(McASP)，此外更包含两个外部内存接口：NAND/NOR闪存适用的8位外部异步内存接口(EMIFA)及SDRAM适用的高速16位同步外部内存接口(EMIFB)。
[0049] 前置采集单元的低功耗设计降低了电池组的
能量消耗，延长了供电时间，避免了将外部电源接入到高压侧，增加了试验的设备和人身安全，通过光纤通信，接收后置处理单元发送过来的
时钟信号，将每一个采样值均打上时标，并通过光纤接口以串行协议将采样值发送给后置处理单元。
[0050] 所述后置处理单元包括第一光纤收发器、第二光纤收发器、FPGA、时钟模块和PowerPC主处理器，所述第一光纤收发器用于接收前置采集单元发送的标准源信号采样值，并传送给FPGA；所述第二光纤收发器用于接收合并单元发送的被测信号采样值，并传送给FPGA；所述时钟模块用于控制标准源信号与被测信号进行同步采样，与FPGA相连接，所述FPGA用于补偿数据接收环节在时域上带来的附加误差，并将时域补偿后的数据，传送给PowerPC主处理器，进行数据录波以及误差计算，FPGA选用xilinx公司的XC3S1000芯片，合并单元（MU）发送的被测信号的采样值，被FPGA打上时标，FPGA良好的时序控制能力，大大减少了数据接收环节在时域上带来的附加误差；PowerPC主处理器选用Freescale公司的MPC8247嵌入式
微处理器，采用嵌入式实时
操作系统vxworks，采用ANSI C面向过程语言编写应用程序，能最大限度的保证系统的实时数据接收，突变量判别， 数据录波以及误差计算。
[0051] 所述后置处理单元还包括人机界面，所述人机界面与PowerPC主处理器相连接，所述人机界面包括高分辨率的彩色LCD显示器，用于完成数据的图形化绘制、误差参数显示，基于vxworks的图形库WindML进行界面和
人机交互软件的开发，WindML提供基本的图形、视频、声频技术，提供显示模式设置、标准输入输出控制、点线面作图等函数,并且提供了一个设计标准设备驱动程序的
框架，提供了一系列工具用来处理输入设备和过程事件。 [0052] 基于上述的电子式电压互感器的暂态特性检测系统的检测方法，包括以下步骤， [0053] 步骤（1），根据公式（1），确定一次侧高电压U1的电源的输出电压U1， [0054]
[0055] 其中，Up为一次侧高电压U1的基波分量的有效值,f为基波频率, 为初始相位角，Udc为直流分量、Ures(t)为残余电压分量。
[0056] 步骤（2），通过控制暂态试验条件仿真单元，控制被测电子式电压互感器进入一次侧短路的暂态试验或者线路带滞留电荷重合闸的暂态试验，方法为闭合第二开关CB2，控制第一开关CB1由断开到闭合，使被测电子式电压互感器一次侧的电压降为零，为一次侧短路的暂态试验；断开第一开关CB1，控制第二开关CB2在一次侧高电压U1的正峰值处由闭合到断开，在一次侧高电压U1的负峰值处由断开到闭合，为线路带滞留电荷重合闸的暂态试验。
[0057] 步骤（3）对被测信号的额定相位偏移 和额定延时时间td加以修正，对被测信号的每个采样值进行时间标定，并时标修正 其中fr为被测电子式电压互感器的额定频率值，从而使修正后的被测信号采样值与标准源信号采样值通过时标同步处理；
[0058] 步骤（4）通过突变量检测来捕捉突变电压Δu，突变电压Δu为公式（2）， [0059] Δu＝|u(t)-u(t-2T)| （2）
[0060] 其中，t为当前时刻，T为一个工频周波时间，u(t)为当前瞬时电压。 [0061] 步骤（5），当Δu>Uset时，Uset为门槛电压，Uset=0.4Up，判定为暂态起始； [0062] 步骤（6）若为一次侧短路的暂态试验，则搜索暂态起始时刻前一个周波被测信号的电压值Utest的峰值Umax，并对暂态起始时刻一周波后的电压瞬时值与0.1Umax进行幅值判断，以判定一次侧短路的暂态特性是否合格，若暂态起始时刻一周波后的电压瞬时值大于0.1Umax，一次侧短路的暂态特性合格。
[0063] 步骤（7）若为线路带滞留电荷重合闸的暂态试验，从暂态起始时刻后的二周波开始，计算在二到三个周波时间窗内的瞬时电压误差ε是否大于10%，三到四个半周波时间窗内的瞬时电压误差ε是否大于5%，以判定线路带滞留电荷重合闸的暂态特性是否合格，若二到三个周波时间窗内的瞬时电压误差ε大于10%，三到四个半周波 时间窗内的瞬时电压误差ε大于5%，且线路带滞留电荷重合闸的暂态特性合格，其中计算瞬时电压误差ε的方法为，
[0064] （1）误差电压Ue=Utest-Uref，其中Utest为被测信号的电压值，Uref为标准源信号的电压值；
[0065] （2）通过公式（3），得到瞬时电压误差ε，公式（3）如下，
[0066]
[0067] 其中，Up为一次侧高电压U1的基波分量的有效值。
[0068] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述
实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
