一种电流互感器频率特性测量装置及其方法与流程

本发明属于电力系统检测领域，涉及一种电流互感器频率特性测量装置及其方法。

背景技术：

电流互感器是电力系统继电保护和电能计量等领域中应用的关键单元。随着直流输电技术和电力电子技术的发展，电网中含有的频率成分更加复杂，若电流互感器无法对电流中的各种频率成分进行准确地变送，将导致电流参数分析出现偏差、继电保护设备出现拒动或者误动，进而严重影响电能计量、电网监控和电力系统的可靠运行。故对电流互感器的频率特性进行检测是一项不容忽视的工作。

传统的电流互感器频率特性检测方法是逐点测量法，即每次仅测试被检频率范围内的一个频率点，进行多次测量。该方法的缺点是工作量大、测试效率低、测试误差大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种电流互感器频率特性测量装置及其方法，可对电流互感器的频率特性进行多频率点同步测量，工作量大大减少，测试效率大提高，测试精度和可靠性更高，以解决逐点测量法工作量大、效率低的问题。

本发明采取的技术方案为：一种电流互感器频率特性测量装置，电流激励源、被测电流互感器、输入电流信号调理模块、输出电流信号调理模块、计算机和多通道数据采集卡，电流激励源连接到被测电流互感器的输入端，被测电流互感器输出端连接到输出电流信号调理模块，输入电流信号调理模块的输入端与被测电流互感器的输入端并联，其输出端与被测电流互感器的输出端均连接到多通道数据采集卡的输入端，多通道数据采集卡通过PXI接口连接到计算机，计算机通过USB口连接到电流激励源。

一种电流互感器频率特性测量装置的方法，通过计算机设置电流激励源的输出的电流信号为含有多频率成分的电流信号，输入电流互感器，激励电流的有效值不低于被测电流互感器额定输入值的50％，且不高于被测电流互感器的额定输入值，该方法包括以下步骤：

步骤1、同时对电流互感器的输入信号和输出信号进行等间隔采样，采样频率f_s>2*f_max，f_max为多频率信号中的最大频率；

步骤2、分别从输入、输出采样数据中截取L组长度为M的采样序列x_i(m)、y_i(m)，其中i＝1，2，…，L，m＝1，2，…，M，N≥10，M≥f_s/f_min，f_min为多频率信号中的最小频率；

步骤3、分别计算输入信号的自相关函数R_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)、输入与输出信号的互相关函数R_xy(m)(m＝1，2，…，M/2)和输出信号的自相关函数R_yy(m)(m＝1，2，……，M/2)；

步骤4、计算各频率成分的功率值G_xx(f_i)、G_xy(f_i)、G_yy(f_i)，其中，f_i为多频率信号中各频率成分的频率值；

步骤5、估计电流互感器的频率响应特性。

步骤3中输入信号的自相关函数R_xx(m)、输入与输出信号的互相关函数R_xy(m)和输出信号的自相关函数R_yy(m)，计算公式为

式中，n＝1，2，…，M/2，m＝1，2，…，M/2，L为采样分组数

步骤4中各频率成分的功率值G_xx(f_i)、Gx_y(f_i)、G_yy(f_i)的计算方法，该方法包括以下步骤：

1)将三项三阶Nuttall窗进行离散化，其表达式为

式中，q₁＝0.375，q₂＝-0.5，q₃＝0.125，h＝1，2，…，M/2。

2)对相关函数R_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)加三项三阶Nuttall窗，并对加权序列进行FFT计算，得到输入信号的离散自功率谱G_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)，搜索|G_xx(m)|中各频率成分对应频率点附近的最大值|G_xx(k_i1)|和次大值|G_xx(k_i2)|，计算频率偏差值

a_i＝[3(|G_xx(k_i1)|)/(|G_xx(k_i2)|)-2]/[-1-(|G_xx(k_i1)|)/(|G_xx(k_i2)|)]

最后，得到各频率成分的功率值为

式中，

3)同理，重复上述步骤1)～2)的方法对R_xy(m)和R_yy(m)进行计算，得到G_xy(f_i)和G_yy(f_i)。

步骤5总电流互感器的频率响应特性的计算公式为

H(f_i)即为电流互感器频率特性的多个频率点的估计值。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

1)对电流互感器的单次激励包含多个频率成分，无需复杂的滤波设备，通过数据处理即可得到准确地结果，减少了操作步骤和系统的复杂性；

2)进行一次测量，即可得出电流互感器的频率特性，大大节约了测量时间，提高了测量效率；测量方法可减少噪声与频谱泄露对测量结果的影响，提高了测量结果的精度。

附图说明

图1是本发明电流互感器频率特性检测实现的结构框图；

图2是本发明的数据处理流程图。

图中：1、多频率电流激励源；2、被测电流互感器；3、输入信号调理模块；4、输出信号调理模块；5、数据采集卡；6、计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍。

本实施例中被测电流互感器工作频率的上限为20kHz。

实施例1：如附图1-附图2所示，一种电流互感器频率特性测量装置，电流激励源1、被测电流互感器2、输入电流信号调理模块3、输出电流信号调理模块4、计算机5和多通道数据采集卡6，电流激励源1连接到被测电流互感器2的输入端，被测电流互感器2输出端连接到输出电流信号调理模块4，输入电流信号调理模块3的输入端与被测电流互感器2的输入端并联，其输出端与被测电流互感器2的输出端均连接到多通道数据采集卡5的输入端，多通道数据采集卡5通过PXI接口连接到计算机6，计算机6通过USB口连接到电流激励源1。

实施例2：一种电流互感器频率特性测量装置的方法，通过计算机5设置电流激励源1的输出的电流信号为含有多频率成分的电流信号，输入电流互感器，多频率信号的数学模型为：

式中，T、I、f_i、A_i分别为多频率激励电流的周期、主频率成分的数量、各频率成分对应的频率和幅值；u(t)为多频率激励电流中含有的其他频率成分及噪声之和，设置激励电流的有效值比低于被测对电流互感器2的额定输入值的50％，且不高于被测电流互感器2的额定输入值；

该方法包括以下步骤：

步骤1、通过计算机5设置多通道数据采集卡6的单通道信号采样频率为100k，采样时间不低于1s，即数据保存数量不低于100k；

步骤2、从采样数据中截取一段长度为60k的数据，连续平均分为6组，即每组数据的长度为10k；

步骤3、求相关函数R_xx(m)、R_xy(m)和R_yy(m)，其计算方法为

式中，m＝1，2，…，5000；x_i为截取的第i段输入采样数据；y_i为截取的第i段输出采样数据，6为采样分组数，5000为每组采样点数；

步骤4、分别对R_xx(m)、R_xy(m)和R_yy(m)进行加窗插值FFT计算，所采用的窗函数为三相三阶Nuttall窗，以对R_xx(m)的计算为例进行说明，具体计算方法为

1)将三项三阶Nuttall窗进行离散化，其表达式为

式中，q₁＝0.375，q₂＝-0.5，q₃＝0.125，h＝1，2，…，M/2，M＝10000。

2)对采样数据进行加窗，并对加窗后的离散数据进行FFT计算，得到离散功率谱|G_xx(m)|(m＝1，2，…，5000)，搜索|G_xx(m)|中各频率成分对应频率点附近的最大值|G_xx(k_i1)|和次大值|G_xx(k_i2)|，再计算频率偏差值a_i，计算公式为

a_i＝[3(|G_xx(k_i1)|)/(|G_xx(k_i2)|)-2]/[-1-(|G_xx(k_i1)|)/(|G_xx(k_i2)|)] (4)

得到各频率成分的功率值为

其中，

同理，用上述1)～2)的方法对R_xy(m)和R_yy(m)进行计算，得到G_xy(f_i)和G_yy(f_i)。

步骤5、估计电流互感器的频率响应特性，其计算公式为

H(f_i)即为电流互感器频率特性的多个频率点的估计值，完成对电流互感器频率响应特性的估计。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。