一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法及系统

1.本发明属于高压变电站强电磁干扰技术领域，特别涉及一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法及系统。


背景技术：

2.变电站内电磁环境复杂多样，电子式互感器二次弱电设备所处电磁环境严峻，如高压开关操作、短路故障、雷击、工频电场磁场、无线电等均会产生电磁干扰，可能对电子式互感器的运行产生影响。示例性的，根据国家电网对电子式互感器的实际运行统计可知，截止2019年12月，电子式互感器的故障率高达15％，电子式互感器组件中的信号采集器故障为主要故障类型。
3.智能变电站结构配置不同于传统变电站，其电磁环境与传统变电站不同，从而造成了现有电磁兼容标准试验设置的参数不能完全满足现场实际工况。常规的电磁兼容抗扰度试验，包括谐波和谐间波抗扰度、浪涌(冲击)抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验等。单一参量的试验条件无法反映变电站现场的电磁干扰水平，而造成了电子式互感器等智能设备虽通过了标准中所规定的电磁兼容试验，但到现场仍存在高故障率的情况。
4.综上，由于变电站存在强电磁干扰，导致其对测量装置提出了较强的抗扰度要求，并且对于安装在变电站的电子式互感器本体而言，除了观测合并单元的数据是否丢包、传输错误之外，很多其他参量没法进行测量，因此进一步分析电子互感器的失效原因及位置变得十分困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明基于电子互感器的采集单元的简化电路，具体提出了一种电子互感器的采集单元的传导干扰的分析方法，能够分析变电站内电子互感器的受干扰情况及失效原因。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供的一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法，包括以下步骤：
8.采集gis系统开关操作产生的vftc信号；
9.将所述vftc信号作为干扰源信号输入电子互感器的采集单元的简化电路，采用分级处理的方式分析获得每一级电路的输出，将输出与预设结果比较判断，获得判断结果；
10.基于所述判断结果实现故障定位，完成采集单元的受扰分析。
11.本发明的进一步改进在于，所述gis系统为采用经验模型等效方法建立的系统模型。
12.本发明的进一步改进在于，所述采集gis系统开关操作产生的vftc信号时，基于罗氏线圈的电磁感应完成信号采集。
13.本发明的进一步改进在于，罗氏线圈输出的采样电压与被测电流的关系为，
[0014][0015]
式中，m为线圈的互感系数，r0为线圈等效电阻，rs为采样电阻，us为输出电压。
[0016]
本发明的进一步改进在于，所述电子互感器的采集单元的简化电路包括放大电路、积分电路、滤波电路和移相电路；其中，所述放大电路用于将罗氏线圈的采样信号放大，输出放大后的电压信号；所述积分电路用于将所述放大后的电压信号积分，输出电流信号；所述滤波电路用于滤除所述电流信号的高频噪声，获得滤波后的电流信号；所述移相电路用于修正输出所述滤波后的电流信号的相频特性。
[0017]
本发明的进一步改进在于，所述积分电路采用无源-有源级联积分电路。
[0018]
本发明的进一步改进在于，所述无源-有源级联积分电路中，输入电压和输出电压的关系为，
[0019]
式中，r、c分别为无源积分电路所用的电阻、电容，ui为输入电压。
[0020]
本发明的进一步改进在于，所述将所述干扰源信号输入电子互感器的采集单元的简化电路中，将所述干扰源信号叠加于待测信号输入电子互感器的采集单元的简化电路。
[0021]
本发明的一种电子互感器的采集单元的受扰分析系统，包括：
[0022]
干扰源信号获取模块，用于采集gis系统开关操作产生的vftc信号；
[0023]
判断结果获取模块，用于将所述vftc信号作为干扰源信号输入电子互感器的采集单元的简化电路，采用分级处理的方式分析获得每一级电路的输出，将输出与预设结果比较判断，获得判断结果；
[0024]
定位模块，用于基于所述判断结果实现故障定位，完成采集单元的受扰分析。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0026]
本发明的方法，利用气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,gis)操作产生的特快速暂态过电流(very fast transient current,vftc)信号作为干扰源，基于电子互感器的采集单元的简化电路，提出了一种电子互感器的采集单元的传导干扰的分析方法，能够分析变电站内电子互感器的受干扰情况及失效原因。
[0027]
本发明中，简化电路可包括放大电路、积分电路、滤波电路和移相电路；利用gis系统开关操作产生的vftc信号作为干扰源，经过一次传感电路传输到采集单元，由于vftc的频率高、强度大，因此会对采集单元产生极大地危害，影响以集成运放为主要芯片的电子电路；采用分级处理的方式分析采集单元每一级处理电路的输出情况，判断是否符合预期结果进而得出芯片是否损坏的结论，定位采集单元的故障位置。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1是本发明实施例的一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法的流程示意
图；
[0030]
图2是本发明实施例的一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法的流程示意图；
[0031]
图3是本发明实施例中，330kv gis系统模型等效电路示意图；
[0032]
图4是本发明实施例中，电流互感器采集处理流程示意图；
[0033]
图5是本发明实施例中，罗氏线圈分布参数等效模型示意图；
[0034]
图6是本发明实施例中，采集单元处理电路示意图。
具体实施方式
[0035]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0036]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0037]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0038]
请参阅图1，本发明实施例的一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法，包括以下步骤：
[0039]
gis系统隔离开关开合操作产生vftc，经过一次传感模块，流入后续的采集单元；其中，所述采集单元包括放大电路、积分电路、滤波电路和移相电路；
[0040]
分析vftc对每一级输出的影响，定位故障位置。
[0041]
本发明实施例提供的方法，具体是一种用于变电站的电子电流互感器的采集单元的受扰分析方法，可用于排查采集单元缺陷位置和故障原因。
[0042]
本发明实施例中，所述gis系统采用经验模型等效方法建立系统模型。
[0043]
本发明实施例中，所述一次传感模块适用于将gis系统中的vftc信号进行采样，采样原理基于罗氏线圈的电磁感应原理，采样得到的电压作为采集单元的干扰源，用以分析采集单元的失效情况；由于罗氏线圈采集得到的为微分信号，因此必须经过后续积分电路处理才能得到采集电流信号。
[0044]
本发明实施例方法的工作原理，所述vftc可叠加于待测信号进入采集卡，并在采集卡中传播，经运算放大器后，输出至积分电路，由于vftc信号的强度大、频率高，耦合进积分电路后可能会引起电路芯片的损坏，影响其输出特性，进而影响后续滤波电路的特性；所述滤波电路是用于去除采集信号中的高频干扰，但当来自前级积分电路的干扰信号的频率过高、强度过大，损坏滤波电路中的集成芯片，输出特性与实际不符合，进而影响后续移相
电路的特性；所述移相电路在一定频段内改变传递函数的相频特性，但当来自前级滤波电路的干扰信号率过高、强度过大，损坏移向电路中的集成芯片，输出特性与实际不符合，将会影响整个采集单元正常工作。通过研究采集单元的分级输出特性，可以定位采集单元的故障位置，为研究采集单元的电磁干扰防护措施提供依据。
[0045]
请参阅图2至图5，本发明实施例的一种电子互感器的采集单元的受扰分析方法，是一种用于变电站的电子互感器的采集单元的受扰分析方法，用于排查采集单元缺陷位置和故障原因，具体包括以下步骤：
[0046]
gis系统隔离开关开合操作产生的vftc，经过一次传感采集信号，流入后续采集单元；
[0047]
采集单元包括放大电路、积分电路、滤波电路、移相电路；
[0048]
分析vftc对采集单元每一级输出的影响，定位故障位置。
[0049]
本发明实施例的方法，利用gis系统开关操作产生的vftc信号作为干扰源，基于电子互感器的采集单元的简化电路，具体提出了一种电子互感器的采集单元的传导干扰的分析方法，分析采集单元每一级处理电路的传递函数和输出特性以及对下一级电路的影响，能够研究变电站内电子互感器的受干扰情况及失效原因。
[0050]
本发明实施例中，首先分析gis中隔离开关分合闸操作干扰源产生的情况，由于隔离开关动触头运动速度相对较慢，从而导致开关断口间sf6气体间隙会发生多次击穿现象，每次击穿都会导致开关断口电压在几个纳秒时间内跌落，而产生极陡的电压行波，沿开关断口两侧传播，在gis及邻近设备上引发高频振荡过程，形成特快速暂态现象。其中，每一次击穿导致的电弧重燃均会使触头间的过电压波在几个纳秒内瞬间跌落，产生的电压陡波在gis管母线和设备上传播并来回折反射形成幅值、频率很高的特快速暂态过电压，流入后续处理单元。
[0051]
示例性的，请参阅图3，本发明实施例分析330kv gis线路系统时，系统等效电路如图3所示。线路中存在两个隔离开关，分别为ds1、ds2。gis中隔离开关常用于切合空载线路的操作，线路在从正常运行到空载状态时，由于线路电容存储有残余电荷，隔离开关会因开断超过其电流开断能力的小电容电流而引发严重的电磁暂态过程。gis开关设备操作产生的一系列暂态电磁现象将对电流互感器产生干扰，影响设备正常工作。
[0052]
请参阅图4和图5，本发明实施例分析电流互感器的一次传感回路，采集处理流程图如图4所示，为了分析暂态干扰信号对采集单元每一级电路的影响，必须将一次干扰信号经罗氏线圈作低压采样，采样电压输出至采集单元，最终经合并单元输出用以测量、继电保护和控制用途。其中，一次传感单元中罗氏线圈的分布参数等效模型如图5所示。
[0053]
罗氏线圈输出的采样电压与被测电流的关系为，
[0054]
式中，m为线圈的互感系数，r0为线圈等效电阻，rs为采样电阻，us为输出电压。
[0055]
由此看出，rogowski线圈输出的采样电压与被测线缆中流过电流的变化快慢正比，是电流的微分。需要通过后级电路对采样得到的信号进行积分处理，才可以得到实际的被测电流信号。
[0056]
请参阅图6，本发明实施例分析采集单元，采用无源-有源级联积分电路，为了满足
互感器测量宽带的要求，将典型rc无源积分电路与带负反馈的有源积分电路级联组成无源-有源级联积分器。
[0057]
在rc无源积分电路中，当满足rc＞＞t时，输入电压和输出电压的关系为，
[0058][0059]
式中，r、c分别为无源积分电路所用的电阻和电容，ui为输入电压。
[0060]
正常工作时输入的工频信号为50hz，即满足rc》》0.02s，选用的电阻r和电容c很大；从而，该电路存在对输入信号衰减严重，积分器输出信号幅值过小，积分器信噪比小等问题，在实际中不宜采用。
[0061]
在带负反馈的有源积分电路中，在有源积分器的积分电容两端并联一个电阻rf，引入“惯性环节”。输入输出关系为，
[0062][0063]
引入反馈电阻后，必须满足条件：rfc＞＞t(t为输入信号的周期)，上式才可以近似为
[0064]
进一步解释的，在带负反馈的有源积分电路中，运放是理想的，其输入阻抗无限大，反相输入端电流近似为零，具有“虚断”特性；同时，运放的开环增益a无限大，负反馈没有饱和，运放同相输入端和反相输入端之间存在“虚短”现象，可求得该有源积分器输出uo与输入ui之间的关系为，
[0065]
转换到时域为，
[0066]
实际应用中，会在有源积分器的积分电容两端并联一个电阻rf，引入“惯性环节”。这样，可以通过电阻rf构成一输入和输出之间的反馈通路，对有源积分器的“积分漂移”的抑制，稳定电路的正常工作；输入输出关系变为，
[0067]
引入反馈电阻后，要想成为积分电路，必须满足条件：rfc＞＞t(t为输入信号的周期)，上式才可以近似为增大电阻rf可以更加容易实现rfc＞＞t的要求，使得“惯性环节”的幅值、相位误差减小。
[0068]
罗氏线圈的输出电压会受到高频信号的干扰，叠加于待测信号进入采集卡，并在采集卡中传播，经运算放大器后，输出至积分电路，由于vftc信号的强度大、频率高，耦合进积分电路后可能会引起电路芯片的损坏，影响其输出特性，进而影响后续滤波电路的特性；当来自前级积分电路的干扰信号的频率过高、强度过大，滤波电路中的集成芯片可能被损坏，输出特性与实际不符合，进而影响后续移相电路的特性；当来自前级滤波电路的干扰信号率过高、强度过大，移相电路中的集成芯片损坏，输出特性与实际不符合，将会影响整个采集单元正常工作。通过研究采集单元的分级输出特性，可以定位采集单元的故障位置，为
研究采集单元的电磁干扰防护措施提供依据。
[0069]
综上所述，本发明实施例为了分析变电站内电子互感器的受干扰情况及失效原因，本发明利用gis系统开关操作产生的vftc作为干扰源，基于电子互感器的采集单元的简化电路，提出一种电子互感器的采集单元的传导干扰的分析方法，主要分析对象为电子互感器的采集处理电路，包括：放大电路、积分电路、滤波电路、移相电路，利用gis系统开关操作产生的vftc信号作为干扰源，经过一次传感电路传输到处理单元。由于vftc的频率高、强度大，因此会对处理单元产生极大地危害，影响以集成运放为主要芯片的电子电路。采用分级处理的方式分析每一级处理电路的输出情况，判断是否符合预期结果进而得出芯片是否损坏的结论，定位处理单元的故障位置。
[0070]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。