專利名稱：采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器及其誤差校準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)一次電壓測量裝置，本裝置采用電容分壓器作為電壓傳 感器獲得可供測量的小電壓信號，并通過數(shù)據(jù)融合等多種數(shù)字信號處理技術，輸出與被測 一次電壓同相、幅值正比于被測一次電壓的數(shù)字信號。
背景技術：
傳統(tǒng)戶外場IlOkV及以上電壓等級的電壓測量大多采用電容式電壓互感器(簡稱 CVT)，它主要由電容分壓器和電磁單元組成，如圖5所示，電容分壓器包括高壓臂電容Cl和 低壓臂電容C2 ；電磁單元包括中間變壓器T、補償電抗器L、阻尼器Zz以及保護間隙G組成， 并存在負載阻抗Zf。電容式電壓互感器(CVT)相對電磁型電壓互感器，具有防鐵磁諧振、性 價比較高以及運行維護工作量較小等明顯優(yōu)勢，且其電容分壓器與阻波器結合能兼作載波 通訊的濾波裝置。日益智能化的變電站二次設備需要電壓互感器提供數(shù)字化的電壓采集量，而不再 需要大功率的輸入信號。在此背景下，電子式電壓互感器技術得到了長足發(fā)展。基于光學原 理、分壓原理等的各類電子式電壓互感器產(chǎn)品應運而生，并逐步推向市場并獲得了一些工 程應用?；陔娙莘謮旱碾娮邮交ジ衅饔缮鲜鲭娙菔诫妷夯ジ衅?CVT)發(fā)展而來，由于不 含磁性材料，因此不受飽和以及磁滯效應的影響；電容分壓器二次電壓輸出接入數(shù)據(jù)采集 處理器，實現(xiàn)了電壓模擬量的數(shù)字化采集和輸出，滿足智能變電站對電壓互感器技術要求； 并且結構簡單，制造成本低廉，更加環(huán)保，是電子式電壓互感器產(chǎn)品一個主要的發(fā)展方向。目前，采用電容分壓器作為一次傳感器的電子式電壓互感器在實際工程應用中還 存在一些問題待解決。例如大氣環(huán)境對測量準確度穩(wěn)定性的影響，一次傳感頭輸出信號的 相位偏移，電子式互感器的暫態(tài)特性等，上述因素一定程度上影響了該類電子式電壓互感 器的推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是(1)消除或改善電容分壓器分壓比溫度穩(wěn)定性，使電子式電壓互感器變比誤差在 整個工作溫度范圍內(nèi)滿足GB/T 20840. 7-2007標準關于準確度的要求。(2)消除或改善校準信號傳輸環(huán)節(jié)造成的相位偏移，使電子式電壓互感器的相位 誤差滿足GB/T 20840. 7-2007標準關于準確度的要求。(3)對取樣電阻R合理取值，保證電子式電壓互感器暫態(tài)性能，使之滿足GB/T 20840. 7-2007標準關于暫態(tài)性能的要求。 (4)建立該電子式電壓互感器的誤差校準系統(tǒng)及方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種采用數(shù)據(jù)融合技術等多種數(shù)字信號處理技 術的電容分壓原理的電子式電壓互感器，其特征在于，包括一次電壓傳感器(電容分壓器) 和數(shù)據(jù)采集處理器，通過阻值較小的取樣電阻從電容分壓器的中壓端子與低壓端子間獲得電壓取樣輸入數(shù)據(jù)采集處理器，數(shù)據(jù)采集處理器連接溫度測量系統(tǒng)，采集溫度測量系統(tǒng)測 量的外部環(huán)境、電容分壓器本體、數(shù)據(jù)采集處理器板件的溫度信號；數(shù)據(jù)采集處理器對輸入 信號進行數(shù)據(jù)融合后，通過光纖接口輸出數(shù)字化的一次電壓被測值。本發(fā)明還通過以下進一步的技術方案來實現(xiàn) (1)建立電子式電壓互感器的一次傳感器一電容分壓器的溫度模型；并依據(jù)此模 型，在運行過程中動態(tài)對溫度變化與電容分壓器分壓比進行數(shù)據(jù)融合。(2)計及信號傳輸環(huán)節(jié)固有的相位偏移，動態(tài)融合信號頻率變化信息對相位偏移 進行校準，提高輸出信號相位準確度。(3)分析對暫態(tài)性能的具體要求和信號傳輸網(wǎng)絡模型，計算取樣電阻阻值。(4)構建誤差校準系統(tǒng)，標定誤差并將誤差信息輸入電子式電壓互感器，為誤差校 準提供依據(jù)。本發(fā)明所達到的有益效果本裝置結構簡單，安全實用，由數(shù)據(jù)采集處理器對電容 分壓器二次輸出電壓、環(huán)境及分壓器本體溫度等信息進行采集處理，物理結構簡單，智能化 程度高，不僅節(jié)省了材料，降低了制造成本，而且提高了使用性能，符合智能變電站技術的 發(fā)展趨勢，通過一系列實用的數(shù)字融合技術，在設計時對分壓器二次電壓取樣電阻合理取 值，并在運行過程中動態(tài)修正由于溫度變化、信號傳輸系統(tǒng)等因素造成的測量誤差，使得電 子式電壓互感器具有高準確度、良好的暫態(tài)性能及溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點。本電子式電壓互感 器適用于IlOkV及以上電壓等級電力系統(tǒng)的一次電壓測量，滿足電力系統(tǒng)保護、測量、計量 裝置對測量電壓準確度、暫態(tài)性能等方面的要求。電子式互感器在生產(chǎn)制造過程中的誤差 標定通過光纖接口由計算機軟件完成，而不必通過調(diào)整內(nèi)部模擬電路實現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效 率。產(chǎn)品應用于工程現(xiàn)場后，可以在不斷電的情況下將多種誤差信息通過光纖接口輸入數(shù) 據(jù)采集處理器，供輸出測量值的數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)誤差的在線修正。使得現(xiàn)場調(diào)試、運行變得 十分安全、方便、快捷。


圖1為本發(fā)明采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的工作原理示意圖；圖2為圖1中數(shù)據(jù)采集處理器電路示意圖；圖3為圖1中數(shù)據(jù)采集處理器的軟件流程框圖；圖4為本發(fā)明誤差標定及運行組網(wǎng)示意圖；圖5為現(xiàn)有技術中電容式電壓互感器原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，本發(fā)明采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器包含電容分壓器、溫 度測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器。電容分壓器包括采用復合材料的外絕緣套管、膜紙材料的 高壓臂電容Cl及低壓臂電容C2、底座及其它金具組成。電容分壓器的中壓端子及低壓(接 地)端子跨接二次電壓取樣電阻R后接入數(shù)據(jù)采集處理器的交流電壓輸入端口。溫度電阻 與其它測溫芯片組成了測溫系統(tǒng)，溫度傳感器的測溫信息送入數(shù)據(jù)采集處理器的溫度信號輸入端口。數(shù)據(jù)采集處理器內(nèi)還包含模擬信號采集及數(shù)據(jù)融合處理模塊。數(shù)據(jù)采集處理器 數(shù)字量輸入輸出端口通過光纖接口與合并單元或調(diào)試校驗終端相連接。在本發(fā)明中，披露了一種動態(tài)將溫度信息融合到電容分壓器的分壓比中的方法， 采用數(shù)字處理方法實現(xiàn)分壓比的補償修正。圖1中分壓器空載時，中壓端子對地的輸出電
壓Usec為
權利要求
1.一種采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器，其特征在于，包括一次電壓傳感器端 的電容分壓器和數(shù)據(jù)采集處理器，通過阻值較小的取樣電阻從電容分壓器的中壓端子與低 壓端子間獲得電壓取樣輸入數(shù)據(jù)采集處理器，數(shù)據(jù)采集處理器連接溫度測量系統(tǒng)，采集溫 度測量系統(tǒng)測量的外部環(huán)境、電容分壓器本體、數(shù)據(jù)采集處理器板件的溫度信號；數(shù)據(jù)采集 處理器對輸入信號進行數(shù)據(jù)融合后，通過光纖接口輸出數(shù)字化的一次電壓被測值。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器，其特征在于，數(shù)據(jù) 采集處理器包含依次電連接的模擬量輸入及保護模塊、采樣信號調(diào)理電路、雙備份的ADC 模數(shù)轉換模塊，還包含與中央處理器連接的開關量輸入電路、開關量輸出電路、模擬量輸入 電路、存儲器、通訊接口電路、電源，ACD模數(shù)轉換模塊也與中央處理器連接。
3.對權利要求1所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其特 征在于，測量一次電壓的過程為(1)由電容分壓器和取樣電阻R獲得二次被測電壓，將此電壓接入數(shù)據(jù)采集處理器采 樣并跟蹤其頻率；同時將安裝于電容分壓器本體、互感器底座、數(shù)據(jù)采集處理器板件的溫度 傳感器的信號接入數(shù)據(jù)采集處理器，計算各測點溫度。(2)由數(shù)據(jù)采集器處理軟件依據(jù)測點溫度變化，動態(tài)計算電容分壓器分壓比，從而修正 互感器變比誤差。(3)由數(shù)據(jù)采集器處理軟件依據(jù)信號頻率變化，動態(tài)計算一次電壓傳感器、采樣信號調(diào) 理等環(huán)節(jié)對信號產(chǎn)生的相位偏移，修正互感器相位誤差。(4)通過光纖接口輸出與一次被測電壓同相位、幅值正比于被測電壓的數(shù)字化采樣值。
4.根據(jù)權利要求3所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其 特征在于，電容分壓器包含串聯(lián)的高電壓臂電容C1和低電壓臂電容C2，C2 >> C1，低電壓臂 電容C2并接二次電壓取樣電阻R，取樣電阻R上輸出的二次電壓接入數(shù)據(jù)采集處理器。
5.根據(jù)權利要求4所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其 特征在于根據(jù)電容器的溫度系數(shù)，建立電容分壓器分壓比的溫度模型，動態(tài)將溫度信息融 合到電容分壓器的分壓比中的方法，采用數(shù)字處理方法實現(xiàn)分壓比的補償修正，具體步驟 如下電容分壓器空載時，中壓端子對地的輸出電壓Usec為U =U · Cl( 1 )sec pn C1+C2其中為被測一次電壓，C1為高壓臂電容，C2為低壓臂電容，^^為電容分壓器的 分壓比K;由于C2 >> C1,且溫度變化通常會引起電容量的變化，不同結構的電容器一般情況下 溫度系數(shù)也不同，一定結構的電容器的溫度系數(shù)可在設計時計算獲得并通過實測驗證，依 據(jù)對溫度系數(shù)的定義，經(jīng)過溫度修正后的分壓比可表示為K =_Cir20 [! + ^1 (Γ-20)]⑴Cit20 [1 + K(T- 20)]+C2t20 [1 + k2(T-20)](2)式中C1T2(1，C2120分別為高壓、低壓臂電容在20°C時的容值屯和1 分別為上述電 容的溫度系數(shù)；T為運行時的分壓器的實測溫度；實際中，在對電子式互感器進行誤差標定時的溫度Ttl不會剛好為20°C，設電容器的溫 度系數(shù)為k，在Ttl下容值為Ctl，則電容器在20°C時的容值Crai可表示為
6.根據(jù)權利要求4所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其 特征在于通過數(shù)字處理方法修正被測信號的相位偏移，C1和C2為分壓器的兩個電容，R為 后續(xù)采集器的等效輸入阻抗，二次電壓Usec與一次電壓Upri關系式如下 υ =u t>i c1+^2^2C1CC1+C2)
7.根據(jù)權利要求3所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其 特征在于采用超前相位偏移的校準方法修正被測信號的相位偏移，動態(tài)融合信號頻率將 超前的相位偏移Δ識轉化為超前時間為Td，為了校準超前的相位，需要將采樣值延遲Td輸出， 設ADC采樣間隔為Ts，則Td可表示為下式
8.根據(jù)權利要求3所述的采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器的誤差校準方法，其 特征在于取樣電阻R的取值計算方法通過如下步驟實現(xiàn)，通過對R的合理取值使在帶滯留 電荷重合閘過程中的暫態(tài)性能滿足要求，暫態(tài)條件定義用(1)，(2)式描述暫態(tài)條件用以 下參數(shù)描述
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用數(shù)據(jù)融合技術的電子式電壓互感器及其誤差較準方法，由電容分壓器和取樣電阻R獲得二次被測電壓，將此電壓接入數(shù)據(jù)采集處理器采樣并跟蹤其頻率；將溫度傳感器的信號接入數(shù)據(jù)采集處理器，計算各測點溫度；由數(shù)據(jù)采集器處理軟件依據(jù)測點溫度變化，動態(tài)計算電容分壓器分壓比，從而修正互感器變比誤差；由數(shù)據(jù)采集器處理軟件依據(jù)信號頻率變化，動態(tài)計算相位偏移，修正相位誤差；通過光纖接口輸出數(shù)字化采樣值。本裝置結構簡單，安全實用，可以有效地修正和抑制由制造因素、溫度、信號采集回路等帶來的誤差；提高了本電容分壓原理的電子式電壓互感器的測量準確度，溫度穩(wěn)定性以及暫態(tài)性能。
文檔編號G01R35/02GK102053191SQ20101057408
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權日2010年12月6日
發(fā)明者丁網(wǎng)林, 盧文兵, 吳艷平 申請人:國電南瑞科技股份有限公司