专利名称：采用数据融合技术的电子式电压互感器及其误差校准方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统一次电压测量装置，本装置采用电容分压器作为电压传 感器获得可供测量的小电压信号，并通过数据融合等多种数字信号处理技术，输出与被测 一次电压同相、幅值正比于被测一次电压的数字信号。
背景技术：
传统户外场IlOkV及以上电压等级的电压测量大多采用电容式电压互感器(简称 CVT)，它主要由电容分压器和电磁单元组成，如图5所示，电容分压器包括高压臂电容Cl和 低压臂电容C2 ；电磁单元包括中间变压器T、补偿电抗器L、阻尼器Zz以及保护间隙G组成， 并存在负载阻抗Zf。电容式电压互感器(CVT)相对电磁型电压互感器，具有防铁磁谐振、性 价比较高以及运行维护工作量较小等明显优势，且其电容分压器与阻波器结合能兼作载波 通讯的滤波装置。日益智能化的变电站二次设备需要电压互感器提供数字化的电压采集量，而不再 需要大功率的输入信号。在此背景下，电子式电压互感器技术得到了长足发展。基于光学原 理、分压原理等的各类电子式电压互感器产品应运而生，并逐步推向市场并获得了一些工 程应用。基于电容分压的电子式互感器由上述电容式电压互感器(CVT)发展而来，由于不 含磁性材料，因此不受饱和以及磁滞效应的影响；电容分压器二次电压输出接入数据采集 处理器，实现了电压模拟量的数字化采集和输出，满足智能变电站对电压互感器技术要求； 并且结构简单，制造成本低廉，更加环保，是电子式电压互感器产品一个主要的发展方向。目前，采用电容分压器作为一次传感器的电子式电压互感器在实际工程应用中还 存在一些问题待解决。例如大气环境对测量准确度稳定性的影响，一次传感头输出信号的 相位偏移，电子式互感器的暂态特性等，上述因素一定程度上影响了该类电子式电压互感 器的推广应用。
发明内容
本发明的发明目的是(1)消除或改善电容分压器分压比温度稳定性，使电子式电压互感器变比误差在 整个工作温度范围内满足GB/T 20840. 7-2007标准关于准确度的要求。(2)消除或改善校准信号传输环节造成的相位偏移，使电子式电压互感器的相位 误差满足GB/T 20840. 7-2007标准关于准确度的要求。(3)对取样电阻R合理取值，保证电子式电压互感器暂态性能，使之满足GB/T 20840. 7-2007标准关于暂态性能的要求。 (4)建立该电子式电压互感器的误差校准系统及方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种采用数据融合技术等多种数字信号处理技 术的电容分压原理的电子式电压互感器，其特征在于，包括一次电压传感器(电容分压器) 和数据采集处理器，通过阻值较小的取样电阻从电容分压器的中压端子与低压端子间获得电压取样输入数据采集处理器，数据采集处理器连接温度测量系统，采集温度测量系统测 量的外部环境、电容分压器本体、数据采集处理器板件的温度信号；数据采集处理器对输入 信号进行数据融合后，通过光纤接口输出数字化的一次电压被测值。本发明还通过以下进一步的技术方案来实现 (1)建立电子式电压互感器的一次传感器一电容分压器的温度模型；并依据此模 型，在运行过程中动态对温度变化与电容分压器分压比进行数据融合。(2)计及信号传输环节固有的相位偏移，动态融合信号频率变化信息对相位偏移 进行校准，提高输出信号相位准确度。(3)分析对暂态性能的具体要求和信号传输网络模型，计算取样电阻阻值。(4)构建误差校准系统，标定误差并将误差信息输入电子式电压互感器，为误差校 准提供依据。本发明所达到的有益效果本装置结构简单，安全实用，由数据采集处理器对电容 分压器二次输出电压、环境及分压器本体温度等信息进行采集处理，物理结构简单，智能化 程度高，不仅节省了材料，降低了制造成本，而且提高了使用性能，符合智能变电站技术的 发展趋势，通过一系列实用的数字融合技术，在设计时对分压器二次电压取样电阻合理取 值，并在运行过程中动态修正由于温度变化、信号传输系统等因素造成的测量误差，使得电 子式电压互感器具有高准确度、良好的暂态性能及温度稳定性等优点。本电子式电压互感 器适用于IlOkV及以上电压等级电力系统的一次电压测量，满足电力系统保护、测量、计量 装置对测量电压准确度、暂态性能等方面的要求。电子式互感器在生产制造过程中的误差 标定通过光纤接口由计算机软件完成，而不必通过调整内部模拟电路实现，提高了生产效 率。产品应用于工程现场后，可以在不断电的情况下将多种误差信息通过光纤接口输入数 据采集处理器，供输出测量值的数据融合，实现误差的在线修正。使得现场调试、运行变得 十分安全、方便、快捷。
图1为本发明采用数据融合技术的电子式电压互感器的工作原理示意图；图2为图1中数据采集处理器电路示意图；图3为图1中数据采集处理器的软件流程框图；图4为本发明误差标定及运行组网示意图；图5为现有技术中电容式电压互感器原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1所示，本发明采用数据融合技术的电子式电压互感器包含电容分压器、温 度测量系统、数据采集处理器。电容分压器包括采用复合材料的外绝缘套管、膜纸材料的 高压臂电容Cl及低压臂电容C2、底座及其它金具组成。电容分压器的中压端子及低压(接 地)端子跨接二次电压取样电阻R后接入数据采集处理器的交流电压输入端口。温度电阻 与其它测温芯片组成了测温系统，温度传感器的测温信息送入数据采集处理器的温度信号输入端口。数据采集处理器内还包含模拟信号采集及数据融合处理模块。数据采集处理器 数字量输入输出端口通过光纤接口与合并单元或调试校验终端相连接。在本发明中，披露了一种动态将温度信息融合到电容分压器的分压比中的方法， 采用数字处理方法实现分压比的补偿修正。图1中分压器空载时，中压端子对地的输出电
压Usec为
权利要求
1.一种采用数据融合技术的电子式电压互感器，其特征在于，包括一次电压传感器端 的电容分压器和数据采集处理器，通过阻值较小的取样电阻从电容分压器的中压端子与低 压端子间获得电压取样输入数据采集处理器，数据采集处理器连接温度测量系统，采集温 度测量系统测量的外部环境、电容分压器本体、数据采集处理器板件的温度信号；数据采集 处理器对输入信号进行数据融合后，通过光纤接口输出数字化的一次电压被测值。
2.根据权利要求1所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器，其特征在于，数据 采集处理器包含依次电连接的模拟量输入及保护模块、采样信号调理电路、双备份的ADC 模数转换模块，还包含与中央处理器连接的开关量输入电路、开关量输出电路、模拟量输入 电路、存储器、通讯接口电路、电源，ACD模数转换模块也与中央处理器连接。
3.对权利要求1所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其特 征在于，测量一次电压的过程为(1)由电容分压器和取样电阻R获得二次被测电压，将此电压接入数据采集处理器采 样并跟踪其频率；同时将安装于电容分压器本体、互感器底座、数据采集处理器板件的温度 传感器的信号接入数据采集处理器，计算各测点温度。(2)由数据采集器处理软件依据测点温度变化，动态计算电容分压器分压比，从而修正 互感器变比误差。(3)由数据采集器处理软件依据信号频率变化，动态计算一次电压传感器、采样信号调 理等环节对信号产生的相位偏移，修正互感器相位误差。(4)通过光纤接口输出与一次被测电压同相位、幅值正比于被测电压的数字化采样值。
4.根据权利要求3所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其 特征在于，电容分压器包含串联的高电压臂电容C1和低电压臂电容C2，C2 >> C1，低电压臂 电容C2并接二次电压取样电阻R，取样电阻R上输出的二次电压接入数据采集处理器。
5.根据权利要求4所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其 特征在于根据电容器的温度系数，建立电容分压器分压比的温度模型，动态将温度信息融 合到电容分压器的分压比中的方法，采用数字处理方法实现分压比的补偿修正，具体步骤 如下电容分压器空载时，中压端子对地的输出电压Usec为U =U · Cl( 1 )sec pn C1+C2其中为被测一次电压，C1为高压臂电容，C2为低压臂电容，^^为电容分压器的 分压比K;由于C2 >> C1,且温度变化通常会引起电容量的变化，不同结构的电容器一般情况下 温度系数也不同，一定结构的电容器的温度系数可在设计时计算获得并通过实测验证，依 据对温度系数的定义，经过温度修正后的分压比可表示为K =_Cir20 [! + ^1 (Γ-20)]⑴Cit20 [1 + K(T- 20)]+C2t20 [1 + k2(T-20)](2)式中C1T2(1，C2120分别为高压、低压臂电容在20°C时的容值屯和1 分别为上述电 容的温度系数；T为运行时的分压器的实测温度；实际中，在对电子式互感器进行误差标定时的温度Ttl不会刚好为20°C，设电容器的温 度系数为k，在Ttl下容值为Ctl，则电容器在20°C时的容值Crai可表示为
6.根据权利要求4所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其 特征在于通过数字处理方法修正被测信号的相位偏移，C1和C2为分压器的两个电容，R为 后续采集器的等效输入阻抗，二次电压Usec与一次电压Upri关系式如下 υ =u t>i c1+^2^2C1CC1+C2)
7.根据权利要求3所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其 特征在于采用超前相位偏移的校准方法修正被测信号的相位偏移，动态融合信号频率将 超前的相位偏移Δ识转化为超前时间为Td，为了校准超前的相位，需要将采样值延迟Td输出， 设ADC采样间隔为Ts，则Td可表示为下式
8.根据权利要求3所述的采用数据融合技术的电子式电压互感器的误差校准方法，其 特征在于取样电阻R的取值计算方法通过如下步骤实现，通过对R的合理取值使在带滞留 电荷重合闸过程中的暂态性能满足要求，暂态条件定义用(1)，(2)式描述暂态条件用以 下参数描述
全文摘要
本发明公开了一种采用数据融合技术的电子式电压互感器及其误差较准方法，由电容分压器和取样电阻R获得二次被测电压，将此电压接入数据采集处理器采样并跟踪其频率；将温度传感器的信号接入数据采集处理器，计算各测点温度；由数据采集器处理软件依据测点温度变化，动态计算电容分压器分压比，从而修正互感器变比误差；由数据采集器处理软件依据信号频率变化，动态计算相位偏移，修正相位误差；通过光纤接口输出数字化采样值。本装置结构简单，安全实用，可以有效地修正和抑制由制造因素、温度、信号采集回路等带来的误差；提高了本电容分压原理的电子式电压互感器的测量准确度，温度稳定性以及暂态性能。
文档编号G01R35/02GK102053191SQ20101057408
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者丁网林, 卢文兵, 吴艳平 申请人:国电南瑞科技股份有限公司