宽量程电流互感器理论及实用化方法
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摘要
本文对电流互感器进行了深入研究，查阅了大量相关资料，针对目前电力系统中某些负荷点变化范围较大，现有互感器不能满足计量要求的情况，进行宽量程电流互感器有源补偿方法的研究。围绕这一工作核心，作者完成了以下几项工作：
(1)以实现宽量程电流互感器为目标，提出了基于Bang-Bang控制的有源补偿方法，采用双级电流互感器，将复杂的状态控制分量转化为偏差控制，该方法结构简单，调试方便，有源补偿器输出电流小，可以将0.2级的电流互感器经过补偿后提高到一次电流从额定值的2％变化到120％时，测量误差不超过一次电流额定值100％时准确度为0.1级的测量标准。
(2)针对电流系统中大量运行的0.5级电流互感器，利用物理相似原理在互感器二次构造相似电流互感器，提出基于Bang-Bang控制的相似激磁电流提取方法，能够最大程度的提取相似激磁电流。该方法对工频情况下由激磁电流造成的互感器误差有良好法的补偿效果。
(3)针对电力系统中大部分互感器都采用了匝数补偿的特点，分析了匝数补偿的特点，采用了反匝数补偿方法，以抵消匝数补偿对电流互感器误差特性的影响，恢复电流互感器原有误差特性，确保基于物理相似原理有源补偿方法的补偿效果。
(4)根据相似补偿方法和反匝数补偿方法的共同点，采用了电流互感器的综合有源补偿方法，使得基于物理相似原理的有源补偿法应用范围更广，并在理论上通过对综合补偿方法的误差分析，证明了综合补偿方法的可行性。通过分析相似电流补偿和反匝数补偿的特点，对电流互感器的比差和角差进行了协调控制，补偿效果明显。在实验中将准确度为2级的电流互感器经过补偿以后一次电流从额定值的5％变化到120％时，电流互感器的测量误差不超过一次电流额定值100％时准确度为0.2级的测量标准。
In some place of electric system, the load change wide range and the existing current transformers can't meet the measure request. On the base of consulting a great amount of materials, a deep research on wide range current transformer by active compensation was done in this paper. The author has finished the following several jobs in core of the centre:
1) The active compensation method based on Bang-Bang control was put forward to realize the wide range current transformer. The method converts the complex statement space to I/O description by the two-stage current transformer. With the compensation method, the accuracy of 0.2 grade current transformer can be improved to less than the 0.1 grade standard at 100% rating when the primary side current is changed from 2% to 120% of the rating.
2) An efficient model based on physical similarity was made to simulate the current transformers' nonlinear magnetizing characteristics and to compensate error from outside. A similar magnetizing current extracting method based on Bang-Bang control was advanced to maximally extract the similar magnetizing current. This method can effectively compensate the current error caused by magnetizing current at power frequency.
3) Because most current transformers have the turn compensation, the characteristic of which was analyzed and the anti-turn compensation model was adopted to offset the action for current transformer with turn compensation.
4) A comprehensive active electronic compensation is given which keeps the characteristics of the similar magnetizing current compensation and adds the function of anti-turn compensation. The constitution of the compensation is simplified, and the working area is enlarged by anti-turn compensation method. The coordination control between the angle error and the ratio error was realized through analyzing the common characteristics between the similar magnetizing current compensation and the anti-turn compensation. With the compensator, the accuracy of an 2 grade current transformers can be improved to less than the 0.2 grade standard at 100% rating when the primary side current is changed from 2% to 120% of the rating.
(1)以实现宽量程电流互感器为目标，提出了基于Bang-Bang控制的有源补偿方法，采用双级电流互感器，将复杂的状态控制分量转化为偏差控制，该方法结构简单，调试方便，有源补偿器输出电流小，可以将0.2级的电流互感器经过补偿后提高到一次电流从额定值的2％变化到120％时，测量误差不超过一次电流额定值100％时准确度为0.1级的测量标准。
(2)针对电流系统中大量运行的0.5级电流互感器，利用物理相似原理在互感器二次构造相似电流互感器，提出基于Bang-Bang控制的相似激磁电流提取方法，能够最大程度的提取相似激磁电流。该方法对工频情况下由激磁电流造成的互感器误差有良好法的补偿效果。
(3)针对电力系统中大部分互感器都采用了匝数补偿的特点，分析了匝数补偿的特点，采用了反匝数补偿方法，以抵消匝数补偿对电流互感器误差特性的影响，恢复电流互感器原有误差特性，确保基于物理相似原理有源补偿方法的补偿效果。
(4)根据相似补偿方法和反匝数补偿方法的共同点，采用了电流互感器的综合有源补偿方法，使得基于物理相似原理的有源补偿法应用范围更广，并在理论上通过对综合补偿方法的误差分析，证明了综合补偿方法的可行性。通过分析相似电流补偿和反匝数补偿的特点，对电流互感器的比差和角差进行了协调控制，补偿效果明显。在实验中将准确度为2级的电流互感器经过补偿以后一次电流从额定值的5％变化到120％时，电流互感器的测量误差不超过一次电流额定值100％时准确度为0.2级的测量标准。
In some place of electric system, the load change wide range and the existing current transformers can't meet the measure request. On the base of consulting a great amount of materials, a deep research on wide range current transformer by active compensation was done in this paper. The author has finished the following several jobs in core of the centre:
1) The active compensation method based on Bang-Bang control was put forward to realize the wide range current transformer. The method converts the complex statement space to I/O description by the two-stage current transformer. With the compensation method, the accuracy of 0.2 grade current transformer can be improved to less than the 0.1 grade standard at 100% rating when the primary side current is changed from 2% to 120% of the rating.
2) An efficient model based on physical similarity was made to simulate the current transformers' nonlinear magnetizing characteristics and to compensate error from outside. A similar magnetizing current extracting method based on Bang-Bang control was advanced to maximally extract the similar magnetizing current. This method can effectively compensate the current error caused by magnetizing current at power frequency.
3) Because most current transformers have the turn compensation, the characteristic of which was analyzed and the anti-turn compensation model was adopted to offset the action for current transformer with turn compensation.
4) A comprehensive active electronic compensation is given which keeps the characteristics of the similar magnetizing current compensation and adds the function of anti-turn compensation. The constitution of the compensation is simplified, and the working area is enlarged by anti-turn compensation method. The coordination control between the angle error and the ratio error was realized through analyzing the common characteristics between the similar magnetizing current compensation and the anti-turn compensation. With the compensator, the accuracy of an 2 grade current transformers can be improved to less than the 0.2 grade standard at 100% rating when the primary side current is changed from 2% to 120% of the rating.
引文
1、鲍海．电网中电流和电压信号传递误差得有源补偿方法研究．[博士学位论文]，华北电力大学，1997．5
2、艾欣．实现高准确度电流互感器的误差补偿及检测方法研究．[博士学位论文]，华北电力大学，1999．5
3、刘慧芳．基于自适应原理的电流互感器有源补偿方法的研究．[硕士学位论文]，华北电力大学，2003．2
4、赵修民．电流互感器．山西科学教育出版社，1990．4 第二版
5、赵修民．电流比例标准．山西科学教育出版社，1989．12
6、赵修民，赵屹涛．互感器校验仪．山西科学教育出版社，1996．1
7、赵修民．互感器论文集．山西省互感器研究所编印，1985．12
8、赵修民．测量用互感器．机械工业出版社，1986．12
9、艾欣，郝玉山，杨以涵，宋家骅．零磁通电流互感器的研究．电力系统及其自动化学报，Vol．11．NO．4，1999．10
10、艾欣，郝玉山，杨以涵，宋家骅．电流互感器误差的电流补偿法研究．电测与仪表，1999年第3期
11、艾欣，郝玉山，杨以涵．基于霍尔原理的高精度电流互感器补偿新方法．现代电力，第15卷第4期，1998．11
12、鲍海，余保东，杨以涵．电流互感器误差有源补偿的新方法．电力系统自动化，第22卷第2期，1998．2
13、鲍海，艾欣，杨以涵．双级零磁通电流互感器状态反馈控制研究．电工技术学报，第15卷第2期，2000．4，P12～14，5
14、李群，杨以涵，李蕾．电流互感器的自补偿方法．现代电力，第14卷第1期，1997．3，P37～40
15、鲍海，刘泽华，杨以涵．零基波磁通高精度电流互感器的研究．现代电力，第14卷第4期，1997．11，P24～27
16、刘叔华．变压器和互感器的电路计算与相量变换．水利电力出版社，1978．8
17、王晖，张济世．钳式电流互感器二次阻抗的完全补偿方法．电测与仪表，第34卷379期，1997．7，P3～6
18、艾欣，郝玉山，杨以涵．虚拟仪器技术在电流互感器检测中的应用．华北电力大学学报，第27卷，第2期，2000年4月，P1～6
19、王秉时．采用自动反馈技术的电流互感器．电子世界，1991．6，P10～11
20、鲍海，杨以涵．宽量程电流互感器控制方法研究．中国电机工程学报，第23卷，2003．10，P67～71
21、张冬梅．减小电流互感器误差的方法及其应用．山西煤炭科技，增刊，1999，P9～
11
22、赵屹涛．用于各种校验仪的新型双级电流互感器．互感器通讯，1995．3，P1～3
23、赵修民．双级补偿和双级电流互感器的等效电路及向量图．互感器通讯，993．1，P3～6
24、韩放．互感器的有源电子补偿及暂态特性分析．[硕士学位论文]，华北电力学院，1992．12
25、闻伍椿．运算放大器在电流互感器中的应用．电测与仪表，1984，21(1)，P12～17，22
26、赵修民．互感器和电流电压转换．山西机械，1986．1，P6～13
27、赵修民．高压双级电压互感器的研究．电测与仪表，993．2，P17～20
28、赵修民．双级低磁通电容补偿电流互感器．电测与仪表，1989，26(10)，P16～19
29、王秉时．采用负反馈技术的自动补偿式电流互感器．电测与仪表，1992，29(4)，P13～15
30、吕家勇．圆环磁分路补偿在高压电流互感器中的应用．互感器通讯，1993．4，P11～14
31、彭时雄．0.005级精密电流电流互感器、电压互感器的研制．电力工业部“八五”技术改造和技术进步科技成果项目选编(第一期)，电力工业部科学技术司，1996．12
32、T.M.souders. Wide-Band Two-Stage Current Transformers of High Accuracy. IEEE Trans, IM-21, November 1972, P340～345
33、G.E.Beard. Single-Stage Amplifer-Aided Current Transformers Processing Small Ratio Error at 60Hz. IEEE Trans.IM-28, Jun. 1979, P146～152
34、G.E.Beard. 100:1Step-up Amplifier-Aided Two-Stage Current Transformers with Small Ratio Errors at 60 Hz. IEEE Trans.IM28,Jun. 1979, P146～152
35、Eddy so. A Low-Current Multistage Clamp-On Current Transformers with Ratio Below 50×10~(-6). IEEE Trans.IM-46, April 1997, P454～458
36、J.L.West. An Improved Two-Stage Current Transformers. IEEE Trans.IM-40, Jun.1991, P633～635
37、John.D & Ramboz. A Highly Accurate, Hand-hold Clamp On Current Transformers. IEEE Trans.IM-45, April 1996, P445～448
38、Daniel Slomovitz. Electronic error reduction system for clamp-on probes and measuring current transformers. IEEE Trans. IM-49, Dec. 2000, P1278～1281
39、Daniel Slomovitz. Electronic System for Increasing the Accuracy of In-Service Instrument-Current Transformers. IEEE Trans. IM-52, April 2003, P408～410
40、Nicola Locci and Carlo Muscas. A Digital Compensation Method for Improving
Current Transformer Accuracy. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.15, No.4, Oct.2000
41、Sergio Bittanti,Francesco Alessandro Cuzzola, Fabrizio Lorito and Guido Poncia. Compensation of Nonlinearities in a Current Transformer for the Reconstruction of the Primary Current. IEEE Trans On Control Systems Technology, Vol.9, No.4, JULY 2001
42、Xu qifeng & Refsum A. A New Method to Compensate Current Transformer Using Microprocessors. IEE International Conference On Advance In Power System Control, Operation and Management,Nov. 1991, HongKong
43、Xu Q., Refsum A., Watson R. Application of external compensation to current transformers Science. Measurement And Technology, IEE Proceedings , Volume: 143 Issue: 2, Mar 1996
44、Laszlo Kadar, Peter Hacksel, James Wikston. The effect of current and voltage transformers accuracy on harmonic measurements in electrical arc furnaces. IEEE Trans On Industry Application, Vol.33, No.3 May/June 1997
45、刘豹．现代控制理论．机械出版社，2000．9
46、史维，陈文吾，何勤奋．自适应控制导论．东南大学出版社，1990．11
47、贺国光．自适应控制系统．天津大学出版社，1988．12
48、张厚祥，宗光华．分段变结构Bang-Bang控制器在气动脉宽调制位置伺服系统中的研究．机器人，2001．6，P515～519
49、邓汉馨，郑家龙．模拟集成电子技术教程．高等教育出版社，1994．5
50、孙肖子，张企民．模拟电子技术基础．北京理工大学出版社，1997．1
51、杨世成．信号放大基础．电子工业出版社，1996
52、揭秉信．大电流测量．机械工业出版社，1987．1
53、高联辉．磁路与铁磁元件．高等教育出版社，1983
54、邱关源．电路．高等教育出版社(第三版)，1993．9
55、康华光，陈大钦．电子技术基础．高等教育出版社(第四版)，1998．8
56、李永敏．检测仪器电子电路．西北工业大学出版社，1994
57、张伦等．现代电子测量基础．中国计量出版社，1985
58、张卫平，张英儒．现代电子电路原理与设计．原子能出版社，1997．2
59、何希才，江云霞．现代电力电子技术．国防工业出版社，1996．7
60、集成电路手册编委会．标准集成电路数据手册(运算放大器)．电子工业出版社，1998．1
61、集成运算放大器．国防工业出版社，1985．2
2、艾欣．实现高准确度电流互感器的误差补偿及检测方法研究．[博士学位论文]，华北电力大学，1999．5
3、刘慧芳．基于自适应原理的电流互感器有源补偿方法的研究．[硕士学位论文]，华北电力大学，2003．2
4、赵修民．电流互感器．山西科学教育出版社，1990．4 第二版
5、赵修民．电流比例标准．山西科学教育出版社，1989．12
6、赵修民，赵屹涛．互感器校验仪．山西科学教育出版社，1996．1
7、赵修民．互感器论文集．山西省互感器研究所编印，1985．12
8、赵修民．测量用互感器．机械工业出版社，1986．12
9、艾欣，郝玉山，杨以涵，宋家骅．零磁通电流互感器的研究．电力系统及其自动化学报，Vol．11．NO．4，1999．10
10、艾欣，郝玉山，杨以涵，宋家骅．电流互感器误差的电流补偿法研究．电测与仪表，1999年第3期
11、艾欣，郝玉山，杨以涵．基于霍尔原理的高精度电流互感器补偿新方法．现代电力，第15卷第4期，1998．11
12、鲍海，余保东，杨以涵．电流互感器误差有源补偿的新方法．电力系统自动化，第22卷第2期，1998．2
13、鲍海，艾欣，杨以涵．双级零磁通电流互感器状态反馈控制研究．电工技术学报，第15卷第2期，2000．4，P12～14，5
14、李群，杨以涵，李蕾．电流互感器的自补偿方法．现代电力，第14卷第1期，1997．3，P37～40
15、鲍海，刘泽华，杨以涵．零基波磁通高精度电流互感器的研究．现代电力，第14卷第4期，1997．11，P24～27
16、刘叔华．变压器和互感器的电路计算与相量变换．水利电力出版社，1978．8
17、王晖，张济世．钳式电流互感器二次阻抗的完全补偿方法．电测与仪表，第34卷379期，1997．7，P3～6
18、艾欣，郝玉山，杨以涵．虚拟仪器技术在电流互感器检测中的应用．华北电力大学学报，第27卷，第2期，2000年4月，P1～6
19、王秉时．采用自动反馈技术的电流互感器．电子世界，1991．6，P10～11
20、鲍海，杨以涵．宽量程电流互感器控制方法研究．中国电机工程学报，第23卷，2003．10，P67～71
21、张冬梅．减小电流互感器误差的方法及其应用．山西煤炭科技，增刊，1999，P9～
11
22、赵屹涛．用于各种校验仪的新型双级电流互感器．互感器通讯，1995．3，P1～3
23、赵修民．双级补偿和双级电流互感器的等效电路及向量图．互感器通讯，993．1，P3～6
24、韩放．互感器的有源电子补偿及暂态特性分析．[硕士学位论文]，华北电力学院，1992．12
25、闻伍椿．运算放大器在电流互感器中的应用．电测与仪表，1984，21(1)，P12～17，22
26、赵修民．互感器和电流电压转换．山西机械，1986．1，P6～13
27、赵修民．高压双级电压互感器的研究．电测与仪表，993．2，P17～20
28、赵修民．双级低磁通电容补偿电流互感器．电测与仪表，1989，26(10)，P16～19
29、王秉时．采用负反馈技术的自动补偿式电流互感器．电测与仪表，1992，29(4)，P13～15
30、吕家勇．圆环磁分路补偿在高压电流互感器中的应用．互感器通讯，1993．4，P11～14
31、彭时雄．0.005级精密电流电流互感器、电压互感器的研制．电力工业部“八五”技术改造和技术进步科技成果项目选编(第一期)，电力工业部科学技术司，1996．12
32、T.M.souders. Wide-Band Two-Stage Current Transformers of High Accuracy. IEEE Trans, IM-21, November 1972, P340～345
33、G.E.Beard. Single-Stage Amplifer-Aided Current Transformers Processing Small Ratio Error at 60Hz. IEEE Trans.IM-28, Jun. 1979, P146～152
34、G.E.Beard. 100:1Step-up Amplifier-Aided Two-Stage Current Transformers with Small Ratio Errors at 60 Hz. IEEE Trans.IM28,Jun. 1979, P146～152
35、Eddy so. A Low-Current Multistage Clamp-On Current Transformers with Ratio Below 50×10~(-6). IEEE Trans.IM-46, April 1997, P454～458
36、J.L.West. An Improved Two-Stage Current Transformers. IEEE Trans.IM-40, Jun.1991, P633～635
37、John.D & Ramboz. A Highly Accurate, Hand-hold Clamp On Current Transformers. IEEE Trans.IM-45, April 1996, P445～448
38、Daniel Slomovitz. Electronic error reduction system for clamp-on probes and measuring current transformers. IEEE Trans. IM-49, Dec. 2000, P1278～1281
39、Daniel Slomovitz. Electronic System for Increasing the Accuracy of In-Service Instrument-Current Transformers. IEEE Trans. IM-52, April 2003, P408～410
40、Nicola Locci and Carlo Muscas. A Digital Compensation Method for Improving
Current Transformer Accuracy. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.15, No.4, Oct.2000
41、Sergio Bittanti,Francesco Alessandro Cuzzola, Fabrizio Lorito and Guido Poncia. Compensation of Nonlinearities in a Current Transformer for the Reconstruction of the Primary Current. IEEE Trans On Control Systems Technology, Vol.9, No.4, JULY 2001
42、Xu qifeng & Refsum A. A New Method to Compensate Current Transformer Using Microprocessors. IEE International Conference On Advance In Power System Control, Operation and Management,Nov. 1991, HongKong
43、Xu Q., Refsum A., Watson R. Application of external compensation to current transformers Science. Measurement And Technology, IEE Proceedings , Volume: 143 Issue: 2, Mar 1996
44、Laszlo Kadar, Peter Hacksel, James Wikston. The effect of current and voltage transformers accuracy on harmonic measurements in electrical arc furnaces. IEEE Trans On Industry Application, Vol.33, No.3 May/June 1997
45、刘豹．现代控制理论．机械出版社，2000．9
46、史维，陈文吾，何勤奋．自适应控制导论．东南大学出版社，1990．11
47、贺国光．自适应控制系统．天津大学出版社，1988．12
48、张厚祥，宗光华．分段变结构Bang-Bang控制器在气动脉宽调制位置伺服系统中的研究．机器人，2001．6，P515～519
49、邓汉馨，郑家龙．模拟集成电子技术教程．高等教育出版社，1994．5
50、孙肖子，张企民．模拟电子技术基础．北京理工大学出版社，1997．1
51、杨世成．信号放大基础．电子工业出版社，1996
52、揭秉信．大电流测量．机械工业出版社，1987．1
53、高联辉．磁路与铁磁元件．高等教育出版社，1983
54、邱关源．电路．高等教育出版社(第三版)，1993．9
55、康华光，陈大钦．电子技术基础．高等教育出版社(第四版)，1998．8
56、李永敏．检测仪器电子电路．西北工业大学出版社，1994
57、张伦等．现代电子测量基础．中国计量出版社，1985
58、张卫平，张英儒．现代电子电路原理与设计．原子能出版社，1997．2
59、何希才，江云霞．现代电力电子技术．国防工业出版社，1996．7
60、集成电路手册编委会．标准集成电路数据手册(运算放大器)．电子工业出版社，1998．1
61、集成运算放大器．国防工业出版社，1985．2