TELKOM NIKA , Vol.11, No .3, March 2 0 1 3 , pp. 1665 ~ 1673   ISSN: 2302-4 046         1665       Re cei v ed  No vem ber 5, 20 12; Re vised Janua ry 2 6 , 20 13; Accepted  February 8, 2 013   A Novel Calibrator for Electronic Transformers   Based on IEC 61850      Baoxia ng Pa n  Jian gsu Institut e of Metrolog y  Guang hu a Street 3rd Nan jin g  Jian gsu Ch in a 025 84 636 98 0/025 84 636 98 0   e -ma i l :  bx_ p an@y a ho o . co m.cn       A b st r a ct   It is necessary for electronic  transformer to mak e   cali brati on befor e putti ng it into pract i ce. T o   solve the pr obl ems i n  actua l  calibr a tio n  pro c ess, a nov el  electro n ic tran sformer ca libr a tor is desig ned . In   princi pl e, this system ad opts  both  the direc t  method a nd  the differ enc e meth od, w h ich  are tw o popul ar  meth ods for e l ectronic transf o rmer cali brati on, by this  w a y the app licati o n  of the syst em i s  extende d w i th its   relia bi lity impro v ed. In the system  d e si gn, ba sed on virtu a l i n strument tech nol ogy, La bVIEW and WinPC a p   toolkit are used  to develop the  applic ation sof t w a re, and it  is  abl e to calibrat e  those electro n ic transformer s   follow i n g  the standar d of IEC 6185 0.  In the calcul ation of  ratio and p h a s e error bas ed  on fast F ouri e r   transform, a new   w i ndow  function is introd uced, and th u s  the accuracy of calibration,  influenc ed by  the   freque ncy vibr ation, is  i m pro v ed. T h is res e arch pr ov id es theor etic sup p o r t and pr actical  referenc e to t h e   deve l op ment o f  intelli gent cal i b rator for electr onic transfor m ers.    Ke y w ords : transformer cal i br ation; el ectron i c  trans former; direct metho d ; differenc e method.     Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  For a long time, electrom ag netic cu rrent  and voltage transfo rme r s h a ve been do minated   in relay protection a nd current/voltage  measu r em ent [1]. However, with further inc r eas e  of   transmissio n  voltage gra de an d po wer  capa city  of  the syste m , it is difficult for traditi onal  transfo rme r s  to overcome   their in herent  disa dvant ag es a c co rdin g  to ele c trom a gnetic i ndu cti o n   prin ciple. On the contra ry, elec troni c tra n sformers usi ng photoni cs  techn o logy a nd optical fib e r   sen s in g tech nology mana ge to overco me the af ore m entione d sh ortco m ing s . Thus it beco m es  an inevitable  trend to use  electro n ic transfo rme r s a s  the sig nal  sou r ce for m easure m ent  and  relay protecti on in po wer  systems [2].   Electro n ic tra n sformers dif f er greatly wi th  traditional transfo rme r s in sen s ing p r incipl e  and se co nda ry output, whose se con d a ry outputs  ar e digital si gnal s or ana log sign als.  The   existing calib ration  system s ca nnot be  applie d to el ectro n ic tran sformers  yet. Thus,  calib rat i on  method s an d device fo r calibrating  ele c tronic tran sformers have al ways b een th e re sea r ch fo cu s  both in Chin a and abro a d  [3]. There are two type s of calibrati on approa ch es no w: the  dire ct  method  and  the differe nce metho d . Apart from a c cu rate results, the fo rme r  can  al so o b t ain  harm oni c co mpone nt, output amplitud e  and ph ase in formation, h o w ever,  with a  high de man d  for  acq u isitio n device s . On the contrary, the latter  doe sn’t ask a lot for the acquisi tion device s , but  requi re s that the electronic transformer  output is  stri ctly equal to the stand ard  electroma gne tic   trans former output [4].   Combi n ing th e above t w o  calib ration  method s with  the mature  differen c e m easurin g   module fro m  traditional  cal i brato r s, a no vel multi- app roa c h ele c tro n ic tran sform e r cali brato r  is  prop osed in this pap er. Ap plicatio n of the devic e is e x tended. App r op riate cali b r ation metho d s   can  be  cho s en in a c cord ance with  practical sce n e .  Meanwhile,  the equi pme n t redu nda ncy is   ensured to improve the reli ability of the system.      2. Calibratio n  Method  An aly s is  This se ction  mainly introd uce s  two kin d s of  exsiting calibratio n  method s for electroni c   transfo rme r s, the direct me thod and the  differen c e me thod.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Novel  Calib rator fo r Elect r oni c Tra n sfo r m e rs Ba sed  on IEC 6185 0  (Baoxi ang P A N)  1666 2.1. Direct M e thod   The di re ct method i s   con d u c ted b y  deliv ering  digital si gn als of the  stand ard   electroma gne tic tran sfo r m e r a nd the  e x aminate  el e c troni c t r an sforme r to  com puter  and l e tting  the softwa r e comp ute pha se and ratio errors  betwe en them. Those sig nal s are obtained from  the se co nda ry outputs  of the sta nda rd t r an sform e r  a nd the tran sforme r u nde r  test after  sig nal  con d itioning and  an alog -t o-digital co nverting,  or  Eth e rnet p a cket  decodin g  [5]. The traditio nal  electroma gne tic tran sform e r is  gen era lly  adopted as  the stan dard.  F o r st anda rd cu rre nt  transfo rme r , the voltage signal propo rtional to  the seco nda ry cu rrent ca n be  gaine d as th e   stand ard by  mean s of a prop er a c curate resi stan ce. For stan d a rd voltage t r an sform e rs, an   accurate voltage divide r is used to re du ce the  amplit ude of se con dary voltage to a suitable l e vel  for analo g -to - digital co nverting.   The dire ct method ha s high deman ds  for the sampl i ng circuit, which mu st ad opt the   synchro nou s  sampli ng met hod. Let  x [ n ]  and  y [ n ] d e note stan da rd sam p led d a ta and  sam p led  data und er te st re spe c tivel y . Then FFT  (Fa s t Fou r ier Tran sformati on) i s  empl oyed to cal c ul ate  the fundame n tal frequen cy compone nts of both si gn als. The RMS  values are d e fined as A x  and   A y  resp ectivel y  and the initi a l pha se s a r e   φ x  and  φ y . After that, the ratio error  ε   can be o b tain ed   from    x x y A A A  (1)     The pha se e r ror  φ e  can b e  cal c ulate d  by    y x e  (2)     A typical block diagram of electroni c transfo rme r  ca librato r base d  on direct  method is  s h ow n  in  F i gu r e  1 .            Figure 1. Block di agram of  electro n ic tra n sformer  cali brato r  ba sed  on dire ct met hod       Standard tran sform e r doe s not have  to  adopt the  sa me rated tran sform e r ratio with the   electroni c on es wh en usi ng dire ct method, so  as to facilitate the selecti on of standard  transfo rme r .  Not only ph a s e a nd ratio  error, but al so fundam ent al and h a rm o n ic am plitude s can   be obtaine d from the mea s ureme n t. Howeve r, grea t errors may be introd uce d  for the pha se   error me asurement if sign als a r e not  sampled  simul t aneou sly. What’s mo re, to assu re hig h   accuracy, the  acqui sition  card  with high  quality must   be ado pted. In a way the cost is in crea sed.  And cal c ul ation erro rs i n   the software  pro c e ssi ng  must al so b e  small  eno ugh to me et the   requi rem ents.  Those  sho r tcoming s  all set  a  limit for the application o f  direct metho d .    2.2. Diffe ren ce Method   In the case o f  employing d i fference met hod,  first, the  difference b e twee n outpu ts of th e   stand ard t r an sform e r  and t he tran sfo r m e r un de r test  sho u ld b e  g o tten after  si gnal  con d itioning  or digital - to-a nalog  conve r t i ng. After that, the di fferen c e  signal  and  standa rd  sig nal will b e  se nt  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1665 – 1 673   1667 to IPC (Industrial Personal  Compute r) t h rou gh dat a  acq u isitio n ca rd. By applying some  software  algorith m , the pha se an d  ratio errors can be o b tained finally [6]. Taking the cali bratio n of  electroni c vol t age tra n sfo r mer fo r exam ple, the ba si c prin ciple  of d i fference met hod i s  sho w n  in   Figure 2.      r p s e s K U p U     Figure 2. Basic pha so r dia g ram b a sed o n  differen c e  method       In Figure 2,  U s  and  K   de note the fun damental  RMS value of  the se co nda ry voltage  output and the rated ratio of the electro n ic volt age transfo rme r  un der test (EVT UT) resp ectiv e ly.  And  U p  is th e fundame n tal RMS value of the primary voltage  under te st.  φ   is the pha se   differen c e re sulting  from co nverting  the  prima r y voltage to the  se conda ry voltag e of EVTUT.  φ s  rep r e s ent s the fundam enta l  initial pha se  angle of p r im ary voltage u nder te st, whi l e  φ p  represents  the fundam e n tal initial ph ase  angl e of  se con dary vo ltage outp u t from EVT UT.  φ r  stand s for  the  innate ph ase error of the st anda rd tra n sf orme r.  φ e  is d e fined a s  the pha se erro r o f  EVTUT.  First of all, it i s  a s sumed th at the innate  pha se e r ror o f  the se con d a r y voltage out put ha s  been  com p e n sate d for E V TUT. The n , after being  multiplied by  the rated  rati o, the se con dary  voltage outp u t of EVTUT  shall  be  co mpared  with  the funda me ntal RMS val ue of the  pri m ary   voltage. As the pha se erro r  φ e  is small e noug h,  ε   and  φ e  can be  re written a s     P p p s U ac U U KU  (3)     p e U cb   (4)     The com p lex error can be  defined as  p p e U U U jcb ac j e ,  where its  real  part re pre s e n t s the ratio error a nd the imagina ry par t  represe n ts the pha se error. Thu s , the ratio  and ph ase errors  can b e   easily figu red  out as lo ng  as the diffe re nce  sign al a nd the sta n d a rd  sign al have b een obtai ned  in advan ce.   No w, relative  erro rs impo rted from the  m easurement  device ha s  a little effect on the   measurement  results of p hase and  ratio errors  si nce the differen c e meth od d oes n o t req u ire   much for the device. A differenc e measuring device with hi gh  sensitivity a nd stability can  guarantee hi gh measure m ent accuracy as long as  the two signa ls unde r test get close to  one  anothe r eno u gh. The only  defect of differen c e meth od lies in its  stri ct deman d that the rated   se con dary o u tput of the  elec troni c tra n sformer  sh o u ld be  nea rl y equal to th e output of t h e   stand ard tra n s form er. A typical blo c k diagra m  of electroni c tran sf orme r calib ra tors ba se d on  differen c e me thod is sho w n  in Figure 3.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Novel  Calib rator fo r Elect r oni c Tra n sfo r m e rs Ba sed  on IEC 6185 0  (Baoxi ang P A N)  1668 Figure 3. Block di agram of  electro n ic tra n sf ormer cali brato r   ba sed on  differen c e method       3. Design Sc heme   This p ape r d e sig n s a  nov el elect r oni c  transfo rme r   calibrato r com patible with  b o th th e   dire ct metho d  and the differen c e meth od, which  ca n calib rate b o th the electronic tra n sfo r mer  with analo g  o u tput and tha t  with digital output. T he ap plicatio n ran g e  of the calibration system  is   extended  ba sed on  the d e sign sch e me  p r opo se d in th i s  pa pe r, mea n whil e, the sy stem reliabilit y  is improved  by using  syst em re d und an cy desi gn. As sh own in  F i gure  4, the whol e syste m  is  comp osed  o f  signal  ad justment  mo dule, differe nce  mea s u r ement mo d u le, bala n ci ng   comp en satio n  module, d a ta acqui siti on modul e,  indu strial pe rson al com p u t er, application   softwa r e, and  so on.       Figure 4. Block di agram of  electro n ic tra n sfor mer  cali brato r  ba sed  on multiple a ppro a che s       In the calib ration plan o f  direct met hod, high -a ccuracy tra d itional ele c tro m agneti c   voltage/cu rre n t tran sform e r is u s e d  a s   calib ration  st anda rd. Be si des, d a ta a c quisitio n  card  with   high sam p lin g rate and high pre c isi on is use d  to sample the output of calibra tion standa rd  and   transfo rme r  u nder test. Th roug h  comp rehen sive  con s ide r ation, thi s  pa pe r ad op ts NI PCI - 40 70   and NI PCI - 4 461 from  Nati onal Inst rume nt Co. to  fulfill analog -to-dig i tal conve r si o n . NI PCI-40 7 0   is use d  for ca librating tho s e electro n ic transfo rme r s with digital output, and NI PCI-44 61 is used  for cali brating  those  one s  with an alog  output an d suppo rting di gi tal-to-a nalo g   conve r si on  with   high preci s io n. The main  perform an ce of NI  PCI-407 0 is a s  follows: 1.8 MS/s maximum  sampli ng rate  with 10-bit resol u tion; 23  bit maximu m resol u tion with 5S/s sa mpling rate; input   rang e of AC voltage from ±100 mV to 300 V; input  range of AC cu rre nt from 20 mA to 1  A. T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1665 – 1 673   1669 main pe rform ance of NI  PCI-44 61 i s   as fo llo win g : 2 sim u ltane ously  sampl e d anal og in p u ts   interfaces;  2  simultan eou sl y updated  an alog o u tput s  interfaces;  11 8 dB dyna mi c rang e, 24 -b it  resolution;  20 4.8 KS/s max i mum sampli ng rate; 92  kHz alia s-free  band width; in put ra nge f r o m   ±316 mV to 4 2 .4 V.  In the plan of difference  method, for calibrati n g  the  electro n ic transfo rme r  wi th digital  output, first th e data pa cket s from m e rgi ng unit of  ele c troni c tran sforme r a r e de cod ed in the I P C  by applicatio n softwa r e, and then the curre n t/vol tage values obt ained from d a ta packets  are  conve r ted into analog sig n a l by NI PCI-4461 after be ing pro c e s se d by interpola t ion algorithm . I t   sho u ld be no ted that the interpol ation  algorith m   is use d  to eliminate pha se  error cau s ed  by  digital-to -anal og conversio n . After the a bove-m ention ed processin g , the  anal og  output of digit a l- to-anal og con v erter in NI P C I-44 61 is p r oce s sed  by b a lan c ing  com pen sation mo dule, and the n  it  is comp are d  with the  an alog o u tput  of stand ar d tran sform e r i n  the differe n c e m e a s ure m ent  module. At last, the outputs of differen c e m easure m ent module a nd stan dard tran sform e r a r e   simultan eou sl y sampled by analog-to -dig ital conver te rs in NI PCI-4461, so ratio error and ph a s e   error can be  compute d  according to  Eq.(3)  and  Eq.(4) by the appli c atio n softwa r e. For  calib rating th e ele c troni c t r an sform e r  with analo g  ou tput based o n  differen c e   method,  we  use   the prin ciple  simila r to that of calibrating  the el ectroni c tran sformer with digital o u tput, in which  the operation  of digital-to-a nalog  conve r sion  can b e  o m itted.  In our desi g n  sche m e, the preci s ion  sig nal  adju s tme n t module is use d  to convert the  se con dary o u t put of stand a r d tra n sfo r me r to sm all voltage  sign al, so the si gnal  can be  sa mple d  by data acq u i s ition card. In  orde r to improve t he mea s uring p r e c i s io n of differen c e method, the   balan cing  co mpen sation  module i s  u s ed to comp e n sate fo r the  pha se a nd a m plitude of  si gnal  unde r test ro ughly. To make the sch e m e easi e r  to  understan d, we will intro duce som e  key  techn o logie s   in details, su ch a s  implem entati on of si gnal adj ustm ent module,  desi gn of net work  data ca pture  and an alysi s  module, sele ction of error  analysi s  algo rithm and so o n .    3.1. Implementa tion of Signal Adjus t ment Modul e  The se co nda ry outputs of st andard voltage and  curre n t transfo rme r s a r e 57.7 V and 0.1   A, 1 A or 5 A  respe c tively,  whi c h cann ot directly  be  sampled by an alog-to -di g ital conversio n . To   satisfy the requireme nts  of data a c qu isition  card  for sampl ed  sign als a nd t o  make it more   suitabl e for p r acti cal  calib ration, a pre c i s ion  sign al a d justme nt module h a s to  be desi gne d .   It  sho u ld meet  the needs of signal tran sform a tion  both for standa rd cu rre n t and voltage   transfo rme r  o u tputs. In our schem e, the adjustm ent module con s i s ts of linear regulate d  power   sup p ly circuit ,  voltage tra n sformation  circuit,  cu rre n t transfo rm ation ci rcuit and relay dri v ing  circuit, who s e  block diag ra m is sh own in  Figure 5.           Figure 5. Block di agram of  signal a d ju stment modul e       Among them,  the linear re gulated po we r sup p ly  circu i t provides p o we r for cu rrent and  voltage tran sf ormatio n  circuits. After inputting AC  22 0 V, it can generate th ree  kind s of outp u ts,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Novel  Calib rator fo r Elect r oni c Tra n sfo r m e rs Ba sed  on IEC 6185 0  (Baoxi ang P A N)  1670 DC  +12 V, -1 2 V and +5 V. In the volta ge tran sfor m a tion ci rcuit, a pre c i s ion resi stor i s  use d  to  divide the vol t age outp u t o f  AC 57.7 V f r om the  sta n dard  tran sfo r mer, an d the n  followed by  an   operational  amplifier to output a voltage sign al  of AC 4 V  suitabl e for analo g -to - digi tal  conve r si on. The  current transfo rmatio n  circui t i s   also  adopte d  to transfo rm the se co n dary  curre n ts of 0. 1 A, 1 A or 5 A from the st anda rd  curre n t transfo rme r  to a voltage  sign al of AC 4 V.  To switch f r o m  0.1 A, 1 A and 5 A, a  rel a y drivi ng  circuit is  employ ed. Co nsi deri ng the a c cura cy  deman d for  calibratio n , so me expe rime nts a r e  con d u cted to  test  the erro r of si gnal a d ju stment   module. And  the results a r e sho w n b e lo w.      Table 1. Error Test Re sult s of Signal Adjustment Mo d u le   1. Curr ent tra n sformation   Percentage   Amplitude transformation  error  (% )   Phase transform ation  error  (’ )   100%  0.019   0.45  50%  0.018   0.33  20%  0.003   0.23  10%  -0.007   0.17  2. Voltage transf o rmation   Percentage   Amplitude transformation  error  (% )   Phase transform ation   erro r (’ )   120%  -0.012   -0.37   100%  -0.011   -0.26   80%  -0.012   -0.52       From Ta ble  1 we can se e the accura cy of  voltage and cu rre nt transfo rmatio n parts in   sign al adju s t m ent modul e can exa c tly meet the desi g n requi rem e n t s.    3.2. Design  of the  Ne t w o r k Da ta Capture and Anal y s is Module  Electro n ic tra n sformers h a v e two kin d s  of out put: digi tal sign als a n d  analo g  si gn als. The  electroni c tra n sformer  with digital outp u t fo llows IEC 618 50-9-1/ 2 stand ard,  and pa ckets  the  sampl ed valu es of prima r y current and  voltage sig n a l s into a  messag e , which is to be exported   throug h the  netwo rk  port.  The IEC 61 850-9-1 st an dard ill ustrates a u n idi r e c tional multidrop   point-to - poi nt fixed link ma pping, which  only sup p o r ts the "SendM SVMessage"  servi c e. To m eet  real -time re q u irem ents, a pplication lay e r data  i s  m appe d dire ctl y  to the data link laye r in   comm uni cati on, thus the pre s entatio n layer, se ssi on  layer, transp o rt layer and  netwo rk laye r is   all empty. Th e IEC 61 850 -9-2  stand ard  illustra te s a  mappin g  ba sed on ISO/IEC 88 02-3 lin k and  mixed proto c ol stack. On the  one ha nd,  it support s  b o th the "Send MSVMessag e " servi c e, which  is mappe d directly to the  link layer, an d  the "GetMSVCBValue s /SetMSVCBValue s " servi c e,  whi c h i s  map ped to MMS  (Manufa c turi n g  Me ssa ge S pecifi c ation ) . On the oth e r  hand, it can n o t  only su ppo rt  point to poi nt comm uni cati on, but al so  transfo rm d a ta  on the n e two r k. In gen eral, to   calib rate the  electro n ic transfo rme r  wi th di gital output, we have to receive  and analyze its  netwo rk data  packa ge firstly. This de si gn u s e s  ap pli c ation softwa r e  that run s  on  the  i ndu strial  person a l co m puter to finish  the above functi on, which is develo ped  based on  Win P Cap tool kit.  WinPcap n e twork d e velop i ng toolkit i s   bas ed on  Wi ndo ws  syste m  and p r ovid es di re ct  acce ss to net work for  win3 2 appli c ation s , by us ing  which, un derlyi ng network p a ckets  can b e   captu r ed,  se nt and filtered c onveni e n tly. Based  on  WinPCap tool kit, we  can  dev elop   appli c ation s   on the comp uter ea sily to receive  an d a nalyze the  ne twork pa cket s from el ectronic  transfo rme r s  with digital o u tputs, so the desi gn a n d  develop me nt pro c e ss  o f  the system  is   simplified greatly.  WinPCap include s a module runni ng on operatin g  system kernel level, which ca n   provide a di rect interfa c e  to the network device  driv er. By this way, WinPcap  can bypa ss the  comm uni cati on proto c ol stack an d pro v ide packets  from the lin k layer for upper ap plications  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1665 – 1 673   1671 dire ctly. In addition, a dy namic li nk li bra r y  at the bottom nam e d  Packet.dll  and o ne lib rary  indep ende nt of the ope rating  syste m  named  Wp cap.dll a r e also  provi ded by Wi n P Cap.  WinPCap full y consid ers the optimiz ation of the performa n ce and  efficiency, so after settin g  the   Ethernet card   corre c tly,  ca pturing or se nding  m e ssa ges on  the  n e twork can re ach  mi cro s e c ond  level by using the functio n s pr ovided  by it. Conseq uently, the  delay requi re ment of IEC  6185 0   for sampl ed value messa ges can be satisfie d.  In  gene ral, the step s of packet captu r e and  analysi s  u s in g WinPCap a r e sh own as f o llows:   Step 1: Find and op en the  netwo rk e qui pment.  Step 2:  Set  filter conditio n s and only captur e the message s of sampled values. The IEC  6185 0-9 - 2 m e ssag es in cl ude G OOSE  (Gen eri c  Ob ject Ori ented  Substation  Event) message s  and sa mpled  value messa ges, wh ere E t hernet type co d e  is use d  to distingui sh  these two ki nds  of message s.  The Etherne t type code of GOOSE  messag es i s  0x88b8, and  that of sampl e d   value me ssa ges i s  0x88 b a . In our  system, we focu s only on th e sam p led v a lue me ssag es,  whi c h a r e  used for  applyin g  voltage  and  cu rre nt si gn al s to  device s . So the r e i s  a filter  con d ition  sho u ld be  set  that the Ethernet type co d e  must  be 0x 88ba, by this  way only those messag es  o f   sampl ed values will be captured.   Step 3: Capture data p a ckets.  Wi nPCap provid es  two kin d s of  methods to  capture   netwo rk p a ckets namely the callb ack  mode an d t he dire ct mod e . We use di rect mo de in  the   system be ca use of the high real -time requi rem ent of the sampl ed value me ssage s, so that  whe never  a  packet a rrive s at the  n e twork  device, WinPCap ju st c aptures  an d retu rn s it to the  use r . In the   dire ct mode, packet captu r e process  is simila r to the  way of interrupt, which h a s  highe r execution efficien cy.          Figure 6. Format of Ethern e t frame with  prio rity      Step 4: Analysis data pa ckets. For ca librati on, firstl y, we should  parse the sampled  value me ssa ges f r om  el ectro n ic tran sform e rs  ca ptured  by  WinPCap. I E C 61 850 -9 -1/2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Novel  Calib rator fo r Elect r oni c Tra n sfo r m e rs Ba sed  on IEC 6185 0  (Baoxi ang P A N)  1672 messag es u s e the Ethe rn et frame fo rmat with  p r io rity based o n  ISO/IEC 88 02-3. T he fra m e   format is defi ned as  sho w n in Figure.6,  where  we can see that PDU is  ap pli c ation data u n it,  inclu d ing  sa mpled val u e s  and  other re lated info rm a t ion, and th e  outsid e  pa rt  of PDU i n cl u des  netwo rk info rmation su ch  as pre a mbl e , MAC add ress an d so  on, by usin g whi c h we  can   determi ne th e corre c tne s s of the messag e. In  this step, the co rre sp ondi ng sampl ed dat a of  voltage or current sign al  is extracted  from  PDU according to  the type of the electro n ic   transfo rme r  u nder te st.  In our  de sign,  the sy stem a pplication  sof t ware   is deve l oped ba sed mainly  on La bVIEW.  So we pa ckage the net work data  ca pture an d an alysis fun c tio n s ba se d on  WinPCa p for a  dynamic library, which p r ovide s  para m eters  confi guratio n, data out put and other function  interfaces. La bVIEW use s  the CLF  (Call Libra r y Fun c tion) no de to call libra ry function s.    3.3. Selectio n of Error Analy s is Algo rithm  In order to compute the ratio erro r an d phase e rro r, the RMS  value and phase of  fundame n tal comp one nt of the input sig nal shoul d  be  obtained firstly by Fourier transfo rmatio n.  FFT is usu a ll y used in power ha rmo n ic analysis  an d  detection, where syn c h r o nou s sampli n g  is   requi re d. But in fact, the samplin g freque ncy of  analo g -to - digi tal converte r is not an exact  multiple of th e sig nal fre q uen cy, whi c h  is fluctu ant.  Con s e quently , in the practi cal a ppli c atio n ,   FFT ca n ca u s e un avoida b l e sign al sp e c tral le akage  and pi cket fence effe ct. In orde r to red u ce  the effect of  sign al spe c tral leakag e and pick et fence effect, the sampled si g nals should  be   multiplied  by a  wei ghting wind ow before  FFT.  Thi s   pape r u s e s  t he weightin g  wind ow  ω ( n ) as   follows :    ) ( 6 1 ) 2 6 1 ( 2 6 1 ) 96 11 3 ( ) 2 1 8 5 ( 2 1 ) 6 96 ( ) 8 2 1 ( 2 2 1 6 1 6 1 ) ( 3 2 2 3 3 2 2 3 3 2 2 3 3 N N n N n N n N N n N Nn n N N n N n N n n n n .    1 4 3 1 4 3 2 1 2 4 1 4 0 N n N N n N N n N N n  (5)     jC N j j e W e N e W ) ( ) 2 / ( sin ) 8 / ( sin ) ( 0 2 4 4  (6)     whe r e  ) 2 / ( sin ) 8 / ( sin ) ( 4 4 0 N W , C= N /2. Eq.(5) an d Eq.(6) a r e  resp ectively  time-domai n  and  freque ncy - do main expression s of the  weightin g windo w pro p o s ed in thi s  p aper,  which  can  redu ce  spe c tral leakage a n d  decrea s e th e in terferen ce  of harmoni cs effectively [7].  Electri c  sig n a l  can b e  expressed by  p i i i i t f A t x 0 ) 2 cos( ) ( , where  f i ,  A i  an d  φ i   are  re spe c tively the freq u ency,  am plitu de, and  ph ase of the  i th  ha r m on ic ;  p  is the orde r of  the  highe st ha rm onic. Me an while, we a ssume that  x ( n ) is the di screte expressi on of  x ( t ). The  wind ow fun c tion  ω ( n ) give n by Eq.(5) is used to we ight  x ( n ), and  the weighte d  sign al  x ω ( n ) is   given by follows:     ) ( ) ( ) ( n n x n x      1 , , 2 , 1 , 0 N n . (7)     Con s id erin g of asynchro n ous  sampli ng , we assume  that    m T T 1 . (8)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1665 – 1 673   1673   whe r e  T 1  is the perio d of electri c  sig nal ,  T ω   is the sampling time, m is a integer that is neare s t t o   T ω   / T 1 , and  λ   is the remai n der. By comb ining Eq.(5 ) , (6),  (7), (8), we can o b tain the formul as  of   comp uting th e fundame n ta l amplitude  A  and ph ase  φ   of  x ( n ), whi c h  are sh own a s  follows:]    )] ( /[ ) ( 2 0 W m X A . (9)  C m X )] ( arg[ . (10)    whe r e  ∆ω =2 π /N ,  X ω ( k ) is  the FFT spe c trum value of  x ω ( n ). In ord e r to comp ute  λ ,  we assu me  that  N  i s  an   even nu mbe r , let  x 1 ( n ) =x ω ( n ) and   x 2 ( n ) =x ω ( N /2+ n ), whe r e  0 ≤ n ≤ N /2-1. Meanwhile,   we a s sume  that  X 1 ( k ) an d  X 2 ( k ) a r e t he FFT  sp ectrum value s   of  x 1 ( n )  an d  x 2 ( n ), an d the   corre s p ondin g  pha se val ues a r e  Φ 1 ( k ) a nd  Φ 2 ( k ), whe r e  k= 0,1,2,… N /2 -1 . Then there  is  λ = ( Φ 1 ( m ) -  Φ 2 ( m ))/2 π .       4. Conclusio n   After studyin g two calib rat i on app roa c h e s of el ect r o n ic tran sfo r m e rs, na mely the dire ct  method a nd t he differe nce  method, a m u lti-way el ect r oni c tra n sfo r mer  calib rato r is  pro p o s ed  in  this pape r. Base d on virtual instrum ent  technolo g y,  the calibratio n  device mai n ly relies on  the   softwa r e al g o rithm a nd u s e s  the data  acq u isition  system a s  a n  adjun ct. It can effe ctively  calib rate the  electroni c tra n sformers b o t h with  digital  output and  a nalog o u tput. In addition, the  calib ration d e vice ad opts two kind s  of calib ra tion  method s at the same t i me, makin g  its  appli c ation e x pande d, the equipme n t redun dan cy  ensu r ed a nd the relia bility of the syste m   improve d .      Ackn o w l e dg ement  This  work  wa s finan cially  sup porte d by  Gene ral Ad ministration o f  Quality Supervisio n ,  Inspe c tion a n d  Quarantine  of t he People' s Re publi c  of Chin a.      Referen ces   [1]    Saba hi M, Goh a rrizi AY, Hoss eini S H , Sharifi an MBB an d Ghare hpeti an G B . F l exi b le P o w e r Electro n ic   T r ansformer.  IEEE Transactions on Power  Electronics . 20 10; 25(8): 2 159 -216 9.  [2]    Z h i Z hang, Li  Hon gbi n. An Accurate S y st e m  for  Onsite  Cali brati on of Electron ic T r a n sformers  w i th   Digital Output.  Review  of Scie ntific Instrumen t s . 2012; 83(6):  0651 11- 0 651 11-7.   [3]    Ning W e iho ng,  Yang Yi ha n, Li Jin g , Z han g  Guoqi ng a n d  Yu W enbi n. Revie w   o n  De velo pment o f   T r ansformer Calibration.  Pow e r System Prot ection a nd C o n t rol . 2009; 3 7 (1 0): 131-1 35.   [4]    Che n  W enshe ng, Gu Lixin. Rese arch on t he App licati o n  of Electronic Voltag e T r ansformer.  Eas t   Chin a Electro n i c  Pow e r . 2009;  37(8): 132 7-1 330.   [5]    Yang H u i x i a , Guo W e i and  Den g  Ying jun.  Stud y  an d C o mparis on o n  Severa l Differe nt Electronic   T r ansformer Calibration Methods.  Pow e r System Protecti o n  and C ontro l . 200 9; 37(2 2 ): 99-10 1.  [6]    Hu Ha oli a n g , Li Qian, Lu Sh ufeng, Ya ng Shi hai, Li  H e  an d  Li De ng yu n. C o mparis io n of T w o El ectron ic   T r ansformer Error Measuri ng  Methods.  Hi gh Voltag e  Eng i ne erin g . 201 1; 37 (12): 302 2-3 0 2 7 .  [7]    Che n  F u shen g ,  Ou  Chaol ong ,  W an Quan and Li Kai. Desi gn and Dev e lo pment of Calib rator for the   Electron ic T r ansformer.  Electronic Me asure m e n t & Instrumentatio n . 201 1; 48(54 1): 55-5 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.