基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，包括信号调理模块、光纤发送模块、光纤以太网模块、数模转换器、FPGA、POWERPC、晶振、人机界面和存储模块；晶振与FPGA和POWERPC相连接，FPGA与数模转换器、光纤发送模块、光纤以太网模块、POWERPC相连接，POWERPC与存储模块、人机界面相连接，数模转换器与信号调理模块相连接；FPGA包括同步模块、数据接收模块和DAC控制模块；POWERPC包括罗氏线圈数字仿真模型模块、参数配置模块、试验数据处理模块和暂态特性分析模块；本发明以罗氏线圈理想模型为基础建立微分信号输出，全数字仿真测试，不局限极个别专业实验室，能够对比硬件积分与软件积分的性能优劣，实现电子式互感器的暂态特性全方位的仿真测试。
【专利说明】基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子式电流互感器暂态特性仿真测试【技术领域】，针对的是罗氏线圈原理的电子式电流互感器暂态特性测试，涉及的是一种基于对罗氏线圈理想模型建立数字仿真技术而开展的暂态测试技术。
【背景技术】
[0002]电子式互感器已经在电力系统中大量得到应用，目前基于罗氏线圈原理的电学电子式互感器依旧是市场的主流产品。但罗氏线圈原理的电子式互感器由于其输出是微分后的信号，必须要通过积分环节来进行还原，这种微分到积分的环节所带来暂态特性的变化最终造成的影响目前还缺乏足够的测试数据。目前国内的罗氏线圈原理的电子式互感器积分环节基本采取的两种技术方案，一种是软件积分一种是硬件积分。这两种方式在暂态特性上的差异性也是一个未知数。
[0003]目前国内电子式互感器的暂态测试基本都是在西安高压电器研究院进行测试，采用的是大电流冲击的方式产生测试所需要的暂态过程大电流，然后再对试品连同合并单元(Merging Unit，简称MU)进行测试。这种方式所依赖的硬件试验条件高投入大，需要搭建大占地的一次系统物理动态模型实验室，这使得国内绝大多数省级电科院这一级别的科研院所，都无法对电子式互感器的暂态特性进行专门研究。罗氏线圈是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律由非磁性材料为骨架构成的空心线圈，无铁芯设计使得其磁回路基本可以认为没有饱和和磁滞等造成暂态波形畸变，所以我们可以认为罗氏线圈是一个理想微分器，可以通过建立理想罗氏线圈的数学模型来模拟罗氏线圈的仿真输出。
[0004]基于罗氏线圈的电子式电流互感器主要暂态特性的误差是在其采样处理以及积分环节，而这一环节的仿真测试目前还是一片空白。系统暂态过程出现时，电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了大量衰减直流分量和谐波分量，那么这种情况下如何对电子式互感器进行定量的测试是目前电子式互感器实验室所面临的最大挑战。
[0005]本发明提出了一种基于对理想罗氏线圈的仿真模型来模拟罗氏线圈的模拟信号输出和数字信号输出，通过数字仿真来测试电子式电流互感器的暂态特性，对比硬件积分和软件积分的暂态特性差异，分析采集环节和积分环节对暂态特性的影响，为电子式电流互感器的暂态特性研究提供灵活且全面的测试手段。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明提出了一种基于对理想罗氏线圈的仿真模型来模拟罗氏线圈的模拟信号输出和数字信号输出，通过数字仿真来测试电子式电流互感器的暂态特性，对比硬件积分和软件积分的暂态特性差异，分析采集环节和积分环节对暂态特性的影响，为电子式电流互感器的暂态特性研究提供灵活且全面的测试手段。该方法具有通用性，可以使电子式电流互感器暂态特性测试这一重要的测试工作不再局限于极个别的专业实验室，可以提高罗氏线圈原理电子式互感器的暂态测试能力，提高智能电网继电保护设备在故障发生时保护动作的安全性与可靠性，为电网的安全稳定运行提供保障。
[0007]本发明技术方案如下:
[0008]基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，包括信号调理模块、光纤发送模块、光纤以太网模块、数模转换器、FPGA、POWERPC、晶振、人机界面和存储模块；晶振与FPGA和POWERPC相连接，FPGA与数模转换器(DAC)、光纤发送模块、光纤以太网模块、POWERPC相连接，POWERPC与存储模块、人机界面相连接，数模转换器(DAC)与信号调理模块相连接。
[0009]FPGA包括同步模块、数据接收模块(MU数据接收模块)和DAC控制模块；P0WERPC包括罗氏线圈数字仿真模型模块、参数配置模块、试验数据处理模块和暂态特性分析模块。
[0010]同步模块与数据接收模块、光纤发送模块、DAC控制模块、罗氏线圈数字仿真模型模块相连接，罗氏线圈数字仿真模型模块与参数配置模块、试验数据处理模块、DAC控制模块、光纤发送模块相连接，信号调理模块、数模转换器、DAC控制模块依次顺序相连接；光纤以太网模块、数据接收模块、试验数据处理模块和暂态特性分析模块顺序依次连接。
[0011 ] 信号调理模块的输出为模拟信号标准源。
[0012]光纤发送模块的输出为数字信号标准源。
[0013]同步模块包括同步信号输出接口，同步信号输出接口与被测合并单元(MU)相连接。 [0014]参数配置模块包括罗氏线圈参数配置单元、暂态电流参数配置单元和试验方式配置单元。
[0015]信号调理模块连接被测采集器，光纤发送模块与被测合并单元相连接，光纤以太网模块与被测合并单元的输出端相连接。
[0016]基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试方法，包括以下步骤:
[0017]S01，建立罗氏线圈数字仿真模型，罗氏线圈数字仿真模型为式⑴:
【权利要求】
1.基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，包括信号调理模块、光纤发送模块、光纤以太网模块、数模转换器、FPGA、POWERPC、晶振、人机界面和存储模块；所述晶振与FPGA和POWERPC相连接，所述FPGA与数模转换器、光纤发送模块、光纤以太网模块、POWERPC相连接，所述POWERPC与存储模块、人机界面相连接，所述数模转换器与信号调理模块相连接； 所述FPGA包括同步模块、数据接收模块和DAC控制模块；所述POWERPC包括罗氏线圈数字仿真模型模块、参数配置模块、试验数据处理模块和暂态特性分析模块； 所述同步模块与数据接收模块、光纤发送模块、DAC控制模块、罗氏线圈数字仿真模型模块相连接，所述罗氏线圈数字仿真模型模块与参数配置模块、试验数据处理模块、DAC控制模块、光纤发送模块相连接，信号调理模块、数模转换器、DAC控制模块依次顺序相连接；所述光纤以太网模块、数据接收模块、试验数据处理模块和暂态特性分析模块顺序依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，所述信号调理模块的输出为模拟信号标准源。
3.根据权利要求 1所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，所述光纤发送模块的输出为数字信号标准源。
4.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，所述同步模块包括同步信号输出接口，所述同步信号输出接口与被测合并单元相连接。
5.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，参数配置模块包括罗氏线圈参数配置单元、暂态电流参数配置单元和试验方式配置单元。
6.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试系统，其特征在于，所述信号调理模块连接被测采集器，所述光纤发送模块与被测合并单元相连接，所述光纤以太网模块与被测合并单元的输出端相连接。
7.基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤: S01，建立罗氏线圈数字仿真模型，所述罗氏线圈数字仿真模型为式(I):
dtCl), 在稳态正弦电流下，式(I)表示为式(2): E=M-Jco-1v ⑵
M= μ ο.N.A 其中μ 0——真空导磁率，μ Q = 4 π X 10_7 ； N为匝数密度；A为单匝面积； e(t)为低负荷Rb —c?时，空心线圈的输出电压； E为e(t)的矢量表示； ip(t)为罗氏线圈一次电流； Ip为ip(t)的矢量表示；j ω为角频率，ω = 2 3i f, f为电流频率； 则，罗氏线圈二次输出的电压e(t)和一次电流ip(t)成微分关系； S02，配置罗氏线圈仿真模型的仿真参数:根据具体测试的电子式互感器中罗氏线圈的设计参数，通过人机界面配置罗氏线圈仿真模型的仿真参数，即配置上述公式(I)中的M值； S03，配置暂态电流参数:根据被测电子式互感器的额定一次电流值、额定频率、额定对称短路电流倍数、额定时间常数配置一次暂态电流值，即配置公式(I)中的、(0，其、(0数字仿真公式表示为(3):
8.根据权利要求7基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试方法，其特征在于，步骤S09所述合并单元包括一对传输光纤，所述传输光纤在通信过程中分配若干逻辑的数据通道，所述第一 MU输出信号、第二 MU输出信号通过一次通信过程中产生或者多次通信过程中产生。
9.根据权利要求7基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试方法，其特征在于，步骤10实验数据处理模块的滤波启动方式手动启动录波或者突变量启动录波，实时判别录波触发条件是否满足，如果满足录波触发条件后，按指定的录波时长进行录波，按照COMTRADE格式进行录波数据的存储。
10.根据权利要求7所述的基于罗氏线圈数字仿真的互感器暂态特性测试方法，其特征在于，步骤S02中罗氏线圈仿真模型的仿真参数包括匝数密度、线圈截面形状和线圈截面尺寸。
【文档编号】G01R31/00GK103969536SQ201410244248
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】徐长宝, 高吉普, 王宇, 戴宇, 罗强 申请人:贵州电力试验研究院