本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置及其方法。

背景技術(shù)：

電流互感器是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和電能計(jì)量等領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵單元。隨著直流輸電技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中含有的頻率成分更加復(fù)雜，若電流互感器無(wú)法對(duì)電流中的各種頻率成分進(jìn)行準(zhǔn)確地變送，將導(dǎo)致電流參數(shù)分析出現(xiàn)偏差、繼電保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)拒動(dòng)或者誤動(dòng)，進(jìn)而嚴(yán)重影響電能計(jì)量、電網(wǎng)監(jiān)控和電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。故對(duì)電流互感器的頻率特性進(jìn)行檢測(cè)是一項(xiàng)不容忽視的工作。

傳統(tǒng)的電流互感器頻率特性檢測(cè)方法是逐點(diǎn)測(cè)量法，即每次僅測(cè)試被檢頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率點(diǎn)，進(jìn)行多次測(cè)量。該方法的缺點(diǎn)是工作量大、測(cè)試效率低、測(cè)試誤差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置及其方法，可對(duì)電流互感器的頻率特性進(jìn)行多頻率點(diǎn)同步測(cè)量，工作量大大減少，測(cè)試效率大提高，測(cè)試精度和可靠性更高，以解決逐點(diǎn)測(cè)量法工作量大、效率低的問(wèn)題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置，電流激勵(lì)源、被測(cè)電流互感器、輸入電流信號(hào)調(diào)理模塊、輸出電流信號(hào)調(diào)理模塊、計(jì)算機(jī)和多通道數(shù)據(jù)采集卡，電流激勵(lì)源連接到被測(cè)電流互感器的輸入端，被測(cè)電流互感器輸出端連接到輸出電流信號(hào)調(diào)理模塊，輸入電流信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端與被測(cè)電流互感器的輸入端并聯(lián)，其輸出端與被測(cè)電流互感器的輸出端均連接到多通道數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，多通道數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PXI接口連接到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB口連接到電流激勵(lì)源。

一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)置電流激勵(lì)源的輸出的電流信號(hào)為含有多頻率成分的電流信號(hào)，輸入電流互感器，激勵(lì)電流的有效值不低于被測(cè)電流互感器額定輸入值的50％，且不高于被測(cè)電流互感器的額定輸入值，該方法包括以下步驟：

步驟1、同時(shí)對(duì)電流互感器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，采樣頻率f_s>2*f_max，f_max為多頻率信號(hào)中的最大頻率；

步驟2、分別從輸入、輸出采樣數(shù)據(jù)中截取L組長(zhǎng)度為M的采樣序列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為多頻率信號(hào)中的最小頻率；

步驟3、分別計(jì)算輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)、輸入與輸出信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)R_xy(m)(m＝1，2，…，M/2)和輸出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R_yy(m)(m＝1，2，……，M/2)；

步驟4、計(jì)算各頻率成分的功率值G_xx(f_i)、G_xy(f_i)、G_yy(f_i)，其中，f_i為多頻率信號(hào)中各頻率成分的頻率值；

步驟5、估計(jì)電流互感器的頻率響應(yīng)特性。

步驟3中輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R_xx(m)、輸入與輸出信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)R_xy(m)和輸出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R_yy(m)，計(jì)算公式為

式中，n＝1，2，…，M/2，m＝1，2，…，M/2，L為采樣分組數(shù)

步驟4中各頻率成分的功率值G_xx(f_i)、Gx_y(f_i)、G_yy(f_i)的計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：

1)將三項(xiàng)三階Nuttall窗進(jìn)行離散化，其表達(dá)式為

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

2)對(duì)相關(guān)函數(shù)R_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)加三項(xiàng)三階Nuttall窗，并對(duì)加權(quán)序列進(jìn)行FFT計(jì)算，得到輸入信號(hào)的離散自功率譜G_xx(m)(m＝1，2，…，M/2)，搜索|G_xx(m)|中各頻率成分對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)附近的最大值|G_xx(k_i1)|和次大值|G_xx(k_i2)|，計(jì)算頻率偏差值

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

最后，得到各頻率成分的功率值為

式中，

3)同理，重復(fù)上述步驟1)～2)的方法對(duì)R_xy(m)和R_yy(m)進(jìn)行計(jì)算，得到G_xy(f_i)和G_yy(f_i)。

步驟5總電流互感器的頻率響應(yīng)特性的計(jì)算公式為

H(f_i)即為電流互感器頻率特性的多個(gè)頻率點(diǎn)的估計(jì)值。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的效果如下：

1)對(duì)電流互感器的單次激勵(lì)包含多個(gè)頻率成分，無(wú)需復(fù)雜的濾波設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)處理即可得到準(zhǔn)確地結(jié)果，減少了操作步驟和系統(tǒng)的復(fù)雜性；

2)進(jìn)行一次測(cè)量，即可得出電流互感器的頻率特性，大大節(jié)約了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量效率；測(cè)量方法可減少噪聲與頻譜泄露對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明電流互感器頻率特性檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖中：1、多頻率電流激勵(lì)源；2、被測(cè)電流互感器；3、輸入信號(hào)調(diào)理模塊；4、輸出信號(hào)調(diào)理模塊；5、數(shù)據(jù)采集卡；6、計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步介紹。

本實(shí)施例中被測(cè)電流互感器工作頻率的上限為20kHz。

實(shí)施例1：如附圖1-附圖2所示，一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置，電流激勵(lì)源1、被測(cè)電流互感器2、輸入電流信號(hào)調(diào)理模塊3、輸出電流信號(hào)調(diào)理模塊4、計(jì)算機(jī)5和多通道數(shù)據(jù)采集卡6，電流激勵(lì)源1連接到被測(cè)電流互感器2的輸入端，被測(cè)電流互感器2輸出端連接到輸出電流信號(hào)調(diào)理模塊4，輸入電流信號(hào)調(diào)理模塊3的輸入端與被測(cè)電流互感器2的輸入端并聯(lián)，其輸出端與被測(cè)電流互感器2的輸出端均連接到多通道數(shù)據(jù)采集卡5的輸入端，多通道數(shù)據(jù)采集卡5通過(guò)PXI接口連接到計(jì)算機(jī)6，計(jì)算機(jī)6通過(guò)USB口連接到電流激勵(lì)源1。

實(shí)施例2：一種電流互感器頻率特性測(cè)量裝置的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)5設(shè)置電流激勵(lì)源1的輸出的電流信號(hào)為含有多頻率成分的電流信號(hào)，輸入電流互感器，多頻率信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為：

式中，T、I、f_i、A_i分別為多頻率激勵(lì)電流的周期、主頻率成分的數(shù)量、各頻率成分對(duì)應(yīng)的頻率和幅值；u(t)為多頻率激勵(lì)電流中含有的其他頻率成分及噪聲之和，設(shè)置激勵(lì)電流的有效值比低于被測(cè)對(duì)電流互感器2的額定輸入值的50％，且不高于被測(cè)電流互感器2的額定輸入值；

該方法包括以下步驟：

步驟1、通過(guò)計(jì)算機(jī)5設(shè)置多通道數(shù)據(jù)采集卡6的單通道信號(hào)采樣頻率為100k，采樣時(shí)間不低于1s，即數(shù)據(jù)保存數(shù)量不低于100k；

步驟2、從采樣數(shù)據(jù)中截取一段長(zhǎng)度為60k的數(shù)據(jù)，連續(xù)平均分為6組，即每組數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為10k；

步驟3、求相關(guān)函數(shù)R_xx(m)、R_xy(m)和R_yy(m)，其計(jì)算方法為

式中，m＝1，2，…，5000；x_i為截取的第i段輸入采樣數(shù)據(jù)；y_i為截取的第i段輸出采樣數(shù)據(jù)，6為采樣分組數(shù)，5000為每組采樣點(diǎn)數(shù)；

步驟4、分別對(duì)R_xx(m)、R_xy(m)和R_yy(m)進(jìn)行加窗插值FFT計(jì)算，所采用的窗函數(shù)為三相三階Nuttall窗，以對(duì)R_xx(m)的計(jì)算為例進(jìn)行說(shuō)明，具體計(jì)算方法為

1)將三項(xiàng)三階Nuttall窗進(jìn)行離散化，其表達(dá)式為

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

2)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗，并對(duì)加窗后的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算，得到離散功率譜|G_xx(m)|(m＝1，2，…，5000)，搜索|G_xx(m)|中各頻率成分對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)附近的最大值|G_xx(k_i1)|和次大值|G_xx(k_i2)|，再計(jì)算頻率偏差值a_i，計(jì)算公式為

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

得到各頻率成分的功率值為

其中，

同理，用上述1)～2)的方法對(duì)R_xy(m)和R_yy(m)進(jìn)行計(jì)算，得到G_xy(f_i)和G_yy(f_i)。

步驟5、估計(jì)電流互感器的頻率響應(yīng)特性，其計(jì)算公式為

H(f_i)即為電流互感器頻率特性的多個(gè)頻率點(diǎn)的估計(jì)值，完成對(duì)電流互感器頻率響應(yīng)特性的估計(jì)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。