直流電子式電流互感器校驗儀設(shè)計與實現(xiàn)

王光峰，張長勝，李 川，曹 敏，李 波

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

直流電子式電流互感器作為測量直流輸電系統(tǒng)電流的重要設(shè)備, 為系統(tǒng)的控制和保護(hù)提供準(zhǔn)確可靠的電量測量信息, 對系統(tǒng)中使用的直流電流互感器進(jìn)行安裝前的現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗和周期校準(zhǔn)是保證直流輸電系統(tǒng)安全運行不可缺少的工作。

對于傳統(tǒng)的電流互感器的校驗方法的研究已經(jīng)很深入，方法也比較成熟[1-4]。在實際運行中，部分換流站的直流互感器多次出現(xiàn)故障，有些故障直接導(dǎo)致了直流系統(tǒng)的單極閉鎖。然而目前換流站用直流互感器一般只進(jìn)行過出廠檢測試驗，由于缺乏相應(yīng)的試驗手段和試驗設(shè)備，且無相關(guān)直流互感器檢測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)監(jiān)督規(guī)程可依，迫切需要研制電子式互感器校驗儀，編制電子式互感器校準(zhǔn)規(guī)范，建立數(shù)字輸出的電子式互感器校準(zhǔn)系統(tǒng)[5-6]。

本文使用江蘇凌創(chuàng)電氣NT705-D直流電子式互感器校驗儀，設(shè)計出一套直流電子式電流互感器校驗裝置，通過設(shè)定不同比率和配置0.435 ms的額定延時，獲得兩種不同情況下的實驗數(shù)據(jù)，驗證此系統(tǒng)對直流電子式電流互感器的現(xiàn)場校驗的可行性和準(zhǔn)確性[7]。

1 直流電子式互感器校驗系統(tǒng)實現(xiàn)

直流穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度校驗的結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1所示。圖中“一次電量”可以為電流，可以為電壓。試品側(cè)為“直流電子式互感器”的通用結(jié)構(gòu)示意圖?！癗T705-D校驗儀”為便攜式的NT705-D直流電子式互感器校驗儀?！吧衔粰C”為運行“NT705-D直流電子式互感器校驗系統(tǒng)”軟件的配套筆記本電腦。

圖1 直流穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度校驗系統(tǒng)圖

為了完成精度校驗，校驗系統(tǒng)需要同時接收標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)和試品側(cè)的共兩路信號的輸入。標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)的信號是精度校驗試驗的基準(zhǔn)，它取自高精度標(biāo)準(zhǔn)直流比例器輸出的模擬量，信號接至“直流前置單元”的一個輸入[8-9]。

試品側(cè)的信號可以為：模擬量輸出式、IEC61850-9-1數(shù)字量輸出式、IEC61850-9-2數(shù)字量輸出式、IEC60044-8FT3數(shù)字量輸出式等。模擬量輸出的試品，信號接至“直流前置單元”的另一個輸入。各類數(shù)字量輸出式試品，信號經(jīng)過“數(shù)字量輸入接口”，接至上位機的以太網(wǎng)口。

標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)和試品側(cè)的信號在同步信號的控制下進(jìn)行采集，以避免采樣不同步造成的相位誤差。校驗系統(tǒng)的同步信號采用符合標(biāo)準(zhǔn)的光秒脈沖和IRIG-B輸出。“NT705-D校驗儀”通過電以太網(wǎng)口和上位機通信。上位機的“NT705-D直流電子式互感器校驗系統(tǒng)”分析軟件采用高精度算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總及分析處理，得到被試品的各項比差、頻差、復(fù)合誤差等指標(biāo)，同時完成時間特性測試、信號分析、波形繪制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報告生成等功能。

2 校驗系統(tǒng)硬件平臺

校驗系統(tǒng)是為直流電子式電流互感器及直流電子式電壓互感器的特性研究而研發(fā)的一套系統(tǒng)，校驗測試方案如圖2所示。通過接收由標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次輸出電流作標(biāo)準(zhǔn)，由電子式電流互感器感應(yīng)到的電流量經(jīng)MU發(fā)送過來的數(shù)字量作試品，兩者之間的對比得出電子式互感器特性。

圖2 直流電子式互感器校驗儀結(jié)構(gòu)示意圖

NT705-D直流電子式互感器校驗系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)(下位機)和PC機(上位機)兩部分組成。嵌入式系統(tǒng)(下位機)高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量采集模塊、同步模塊構(gòu)成。

2.1 主處理器

主處理器選用Freescale公司的MPC8247嵌入式微處理器，該處理器屬于PowerQUICC II系列[10]，包含一個基于PowerPC MPC603e的內(nèi)核，和一個通信處理內(nèi)核CPM。雙核設(shè)計具有強大的處理能力和較高的集成度，降低了系統(tǒng)的組成開銷，簡化了電路板的設(shè)計，降低了功耗。

2.2 高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊

高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊能進(jìn)行24位高精度ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，板卡支持采樣速率不低于50 kHz、頻率測量范圍可達(dá)10 kHz、輸入阻抗1 MΩ、多通道同步誤差≤0.5 μs[11]。采集板按照來自同步板的同步信號節(jié)奏等間隔采集以模擬量形式接入的電流信號，并將帶有時標(biāo)的采樣數(shù)據(jù)實時提交給數(shù)字量采集模塊。

2.3 數(shù)字量采集模塊

數(shù)字量采集模塊采用PowerPC、FPGA雙CPU組合架構(gòu)[12]，操作系統(tǒng)采用vxWorks。充分利用FPGA實時性強、I/O口配置豐富的特點，通過控制PHY芯片完成接收合并單元試品IEC61850-9協(xié)議的采樣值數(shù)據(jù)SV、自適應(yīng)接收符合IEC60044-8的標(biāo)準(zhǔn)FT3或者符合國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的FT3采樣值數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA在接收數(shù)字源信號時，根據(jù)來自同步板的同步脈沖，精確記錄報文頭到達(dá)時刻，POWERPC通過雙口RAM技術(shù)取得FPGA接收到的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)物理接口，借助基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，將帶有精確時標(biāo)的采樣報文提交給PC機。

2.4 時鐘同步模塊

同步板采用CPLD-XC95288XL單處理器，主要完成IEEE1588、IRIG-B碼報文接收及處理，并能夠精確控制1PPS秒脈沖信號和IRIG-B碼對時光脈沖信號輸出。PC機(上位機)利用其界面友好、數(shù)據(jù)處理能力強的特點，采用基于LabVIEW應(yīng)用軟件開發(fā)[13]，通過電以太網(wǎng)完成數(shù)字源信號SV報文接收，通過USB完成模擬源信號接收，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并進(jìn)行運算，實現(xiàn)相位同步核對、延遲時間和離散度等各類IED時間特性測試需求。

2.5 光纖收發(fā)模塊

光纖收發(fā)器選用Agilent公司的AFBR5803，該收發(fā)器完全符合FDDI PMD標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)性能要求，符合FDDI LCF-PMD標(biāo)準(zhǔn)，符合ATM 100 Mbit/s 物理層的光學(xué)性能要求，符合IEEE802.3u 100Base-FX 版的光學(xué)性能要求。

裝置光纖以太網(wǎng)接收采用自適應(yīng)方式進(jìn)行報文接收，對應(yīng)基于IEC61850的電子式互感器及MU報文接收，光纖式電能表現(xiàn)場檢測裝置可以自動接收不同模式的報文，并根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)間隔提取電流電壓數(shù)據(jù)：在IEC61850-9-1模式下，自動采集額定電流、額定電壓，并根據(jù)固定的各相電流電壓數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行電能計量和校驗；在IEC61850-9-2模式下，光纖式電能表現(xiàn)場檢數(shù)字量采集模塊采用PowerPC、FPGA雙CPU組合架構(gòu)，操作系統(tǒng)采用vxWorks。充分利用FPGA實時性強、I/O口配置豐富的特點[14-15]，通過控制PHY芯片完成接收合并單元試品IEC61850-9協(xié)議的采樣值數(shù)據(jù)SV、自適應(yīng)接收符合IEC60044-8的標(biāo)準(zhǔn)FT3或者符合國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的FT3采樣值數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA在接收數(shù)字源信號時，根據(jù)來自同步板的同步脈沖，精確記錄報文頭到達(dá)時刻，PowerPC通過雙口RAM技術(shù)取得FPGA接收到的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)物理接口，借助基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，將帶有精確時標(biāo)的采樣報文提交給PC機[16-17]。

3.6 誤差分析

比差(%)= (試品直流值-標(biāo)準(zhǔn)源直流值)/標(biāo)準(zhǔn)源直流值

在穩(wěn)態(tài)下，復(fù)合誤差為下列兩者之差的方均根值：一次電流瞬時值，和實際二次輸出瞬時值乘以額定變比。以模擬量輸出為：

其中，Ip為一次電流基波的方均根值；T為一個周波周期；Kra為額定變比；us為二次電壓；ip為一次電流；t為

時間瞬時值；t_dr為額定延時時間；詳見GB/T 20840.8-2007的3.3.4。

3 直流電子式互感器校驗系統(tǒng)應(yīng)用

測試CT準(zhǔn)確度一次電量為電流，經(jīng)過高精度標(biāo)準(zhǔn)直流比例器轉(zhuǎn)換成小的電壓模擬量接至直流前置單元，再由光纖轉(zhuǎn)接至NT705-D直流電子式互感器校驗儀前置單元輸入口作為標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)；試品側(cè)為合并單元輸出的FT3數(shù)字量信號，接至NT705-D直流電子式互感器校驗儀FT3口。

圖4 直流電子式互感器測試系統(tǒng)實物

表1 不同比率下的比差

根據(jù)上述實驗結(jié)果可得，被測直流電子式電流互感器測量通道的精度在0.2%以內(nèi)，滿足精度要求。

一次電量為電流，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)互感器將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成5A/1A的模擬量電流信號接至NT705-D直流電子式互感器校驗儀的5A/1A輸入口作為標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)；試品側(cè)為合并單元輸出的數(shù)字量信號，接至NT705-D直流電子式互感器校驗儀對應(yīng)的SMV接收口或FT3口。

運行“NT705-D電子式互感器交流穩(wěn)態(tài)校驗系統(tǒng)2.5.2”上位機軟件，試品通道號配置為1，試品配置為測量電流，根據(jù)互感器廠家提供參數(shù)，配置額定延時時間0.435 ms，記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 配置額定延時時間0.435 ms時的比差相差

表3 配置額定延時時間0.435 ms時的延時值

根據(jù)上述實驗結(jié)果可得，被測直流電子式電流互感器測量通道的精度在0.2%以內(nèi)，額定延時在0.5 ms以內(nèi)，滿足精度要求。

4 結(jié)束語

本校驗裝置是以嵌入式系統(tǒng)為硬件平臺的，針對待測直流電子式互感器以及標(biāo)準(zhǔn)互感器的特性設(shè)計了系統(tǒng)硬件，最后通過實驗表明，本裝置滿足校驗0.2級直流電子式互感器的目的，且成本低、體積小，適用于數(shù)字化變電中對直流電子式互感器的現(xiàn)場驗收和校驗。

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