電子式電流互感器傳變延時(shí)測(cè)試方法研究

余　越，李巖軍，詹智華，李　睿

（1.電網(wǎng)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司），北京市海淀區(qū) 100192；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西南昌 330077）

0　前言

電子式互感器作為智能變電站的重要設(shè)備之一，負(fù)責(zé)將一次側(cè)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)給二次側(cè)的保護(hù)控制和測(cè)量設(shè)備，其對(duì)信息采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到變電站的安全與穩(wěn)定，電子式互感器對(duì)信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確性主要包含2個(gè)方面——幅值和相位[1]。幅值的精度由電子式互感器的硬件變比決定，在工程中容易實(shí)現(xiàn)和處理，而相位的精度不僅與電子式互感器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還與系統(tǒng)內(nèi)軟件處理相關(guān)，較為復(fù)雜，不易測(cè)定。而電子式電流互感器輸入輸出的相位差最直觀(guān)的反應(yīng)就是傳變延時(shí)。

傳變延時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響到合并單元對(duì)信號(hào)相位的補(bǔ)償和傳輸?shù)奖Ｗo(hù)測(cè)量裝置的信號(hào)的相位精度，不準(zhǔn)確的傳變延時(shí)極易引起保護(hù)的誤動(dòng)，對(duì)變電站安全造成重大影響，同時(shí)也會(huì)影響電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此對(duì)電子式互感器傳變延時(shí)的測(cè)量至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電子式互感器的延時(shí)時(shí)間測(cè)試只是穩(wěn)態(tài)下的測(cè)試，以穩(wěn)態(tài)延時(shí)指標(biāo)代替暫態(tài)指標(biāo)，沒(méi)有一套完善的針對(duì)電子式互感器暫態(tài)傳變延時(shí)的測(cè)試系統(tǒng)[2-3]，為工程應(yīng)用帶來(lái)一定的安全隱患。

1　電子式電流互感器傳變延時(shí)產(chǎn)生的原因

電子式電流互感器傳變延時(shí)的組成如圖1所示。

圖1　電子式電流互感器絕對(duì)延時(shí)組成示意圖

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，電子式互感器的延時(shí)為一次端子某一模擬量出現(xiàn)瞬間時(shí)刻與所對(duì)應(yīng)的二次轉(zhuǎn)化器輸出數(shù)字量的傳輸起始瞬時(shí)時(shí)刻時(shí)間差，電子式互感器的傳變延時(shí)定義為額定輸入信號(hào)下的延時(shí)[4]。所以相位差φ由兩部分組成，互感器系統(tǒng)的相位偏移φ0和由信號(hào)延時(shí)引起的位移φd：

相位偏移φ0主要由互感器的測(cè)量原理決定，如Rogowski線(xiàn)圈原理電子式電流互感器中含有積分器和低通濾波器等信號(hào)處理電路引起的相位偏移，可由系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算得到；而主要由電子式互感器系統(tǒng)的硬件和軟件對(duì)信號(hào)處理延時(shí)決定，包括對(duì)模擬量的采樣延時(shí)，系統(tǒng)的傳輸延時(shí)，MU的對(duì)數(shù)字量接收、轉(zhuǎn)換、處理的延時(shí)等。

在相位差φ中由信號(hào)處理中的絕對(duì)延時(shí)造成的φd占主要部分，也是測(cè)量的主要對(duì)象，同時(shí)因φd受到系統(tǒng)的硬件性能，周?chē)h(huán)境，軟件處理時(shí)間不確定，模擬量輸入、數(shù)字量輸出等多方面復(fù)雜因素的影響，無(wú)法簡(jiǎn)單通過(guò)施加穩(wěn)態(tài)額定電流的方法進(jìn)行傳變延時(shí)測(cè)量，而傳變延時(shí)測(cè)量的偏差，將導(dǎo)致合并單元不能準(zhǔn)確的對(duì)因延時(shí)引起的相位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，引起輸出信號(hào)相位偏移。國(guó)家電網(wǎng)公司在《Q/GDW 441—2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)范了電子式互感器的傳輸延時(shí)時(shí)間不大于2 ms[5]。因此電子式電流互感器系統(tǒng)傳變延時(shí)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)變電站保護(hù)和測(cè)量系統(tǒng)都極為重要，一直以來(lái)都受到電力科研工作者的廣為關(guān)注。

2　電子式電流互感器傳變延時(shí)的測(cè)量方法

本文設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的電子式電流互感器延時(shí)測(cè)量方法，并可通過(guò)同一測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)延時(shí)及暫態(tài)延時(shí)的測(cè)定，無(wú)需更換和另行設(shè)計(jì)。這種電子式電流互感器傳變延時(shí)的測(cè)量方法，利用動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)中發(fā)生故障后產(chǎn)生的實(shí)際穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流對(duì)電子式電流互感器的傳變延時(shí)進(jìn)行測(cè)量，模擬電子式電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，能夠修正各環(huán)節(jié)的測(cè)量誤差，為準(zhǔn)確測(cè)量電子式電流互感器傳變延時(shí)提供了科學(xué)的方法，減少電網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患，并為智能變電站繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

如圖2所示，電子式電流互感器傳變延時(shí)的測(cè)量系統(tǒng)包括以下3個(gè)部分：

1）生成一次穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)；

2）測(cè)量部分；

3）用于記錄穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流的數(shù)?；旌鲜焦收箱洸ㄑb置。

圖2　電子式電流互感器傳變延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的連接示意圖

測(cè)量部分包括被測(cè)量、修正量及標(biāo)準(zhǔn)量3個(gè)部分，且3個(gè)量通過(guò)串接入同一個(gè)一次暫態(tài)電流的不同電流互感器獲得。標(biāo)準(zhǔn)量采用電磁式電流互感器1將一次暫態(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，并通過(guò)電纜直聯(lián)傳輸至故障錄波器。修正量采用電磁式互感器2將一次暫態(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，然后經(jīng)額定延時(shí)為△t2的標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后，通過(guò)光纖傳輸至故障錄波器。被測(cè)量采用電子式電流互感器將一次暫態(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次數(shù)字量，然后經(jīng)額定延時(shí)為△t1的標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)合并單元合并后，通過(guò)光纖傳輸至故障錄波器。修正量用以修正合并單元至數(shù)模混合式故障錄波器的傳輸及信號(hào)處理環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

測(cè)量部分通過(guò)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)合并單元、標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元及數(shù)?；旌瞎收箱洸ㄆ鬟M(jìn)行同步對(duì)時(shí)，消除不同設(shè)備間的對(duì)時(shí)誤差。

在電纜及光纖直聯(lián)方式下，數(shù)?；旌鲜焦收箱洸ㄆ鞑捎命c(diǎn)對(duì)點(diǎn)同步方式，即將修正量及被測(cè)量減去各自合并單元上送的額定延時(shí)后，再與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行對(duì)齊。

具體實(shí)施步驟如下：

1）建立動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，在系統(tǒng)中模擬系統(tǒng)正常輸送負(fù)荷及系統(tǒng)故障，分別產(chǎn)生一次穩(wěn)態(tài)及故障暫態(tài)電流；

2）在動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)中依次串入電磁式互感器1、電磁式互感器2及電子式電流互感器，用于將同一個(gè)一次電流分別傳變到二次側(cè)；

3）通過(guò)額定延時(shí)為△t1的標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)合并單元將電子式電流互感器輸出的二次信號(hào)合并為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸至數(shù)?；旌瞎收箱洸ㄆ?，作為被測(cè)量；

4）通過(guò)額定延時(shí)為△t2的標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元將電磁式互感器輸出的二次電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纖傳輸至數(shù)模混合故障錄波器，作為修正量；

5）通過(guò)電磁式互感器將一次暫態(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，通過(guò)電纜直聯(lián)傳輸至數(shù)?；旌瞎收箱洸ㄆ?，作為標(biāo)準(zhǔn)量；

6）通過(guò)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源GPS對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)合并單元、標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元及數(shù)?；旌瞎收箱洸ㄆ鬟M(jìn)行同步對(duì)時(shí)；

7）在系統(tǒng)正常輸送負(fù)荷情況下，為最大限度地避免錄波器零漂帶來(lái)的影響，分別記錄被測(cè)量電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)電流峰值時(shí)刻ts1，修正量電磁式互感器經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元故障電流突變的時(shí)刻ts2，標(biāo)準(zhǔn)量電磁式互感器故障電流突變的時(shí)刻ts0。

合并單元至數(shù)?；旌鲜戒洸ㄆ鞯墓饫w輸送及處理時(shí)延為：

電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)絕對(duì)傳變延時(shí)為：8）在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，為最大限度地避免錄波器零漂帶來(lái)的影響，分別記錄故障錄波器顯示的被測(cè)量電子式電流互感器故障電流第一個(gè)峰值的時(shí)刻tf1，修正量電磁式互感器經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元故障電流第一個(gè)峰值的時(shí)刻tf2，標(biāo)準(zhǔn)量電磁式互感器故障電流第一個(gè)峰值的時(shí)刻tf0，同理，電子式電流互感器暫態(tài)絕對(duì)傳變延時(shí)為：

3　誤差因素分析及消除

本系統(tǒng)屬于時(shí)間值測(cè)量，涉及到標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量的時(shí)標(biāo)信息、波形信息（包括頻率、幅值和相位信息）的提取，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)、時(shí)序控制的要求很高，這需要基于一個(gè)穩(wěn)定精確的基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)。采樣時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)造成的孔徑延時(shí)和孔徑抖動(dòng)，會(huì)帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)量信號(hào)信息精度降低。對(duì)被測(cè)量標(biāo)定時(shí)標(biāo)時(shí)，基準(zhǔn)時(shí)間不準(zhǔn)確、MAC層時(shí)序不穩(wěn)定、程序中斷或任務(wù)響應(yīng)時(shí)間不確定，都會(huì)造成數(shù)字量時(shí)標(biāo)精度降低。為此，采用高精度的GPS時(shí)鐘信號(hào)，提高對(duì)時(shí)環(huán)節(jié)和數(shù)字量接收環(huán)節(jié)在時(shí)域上的時(shí)間精度。

采用數(shù)?；旌鲜焦收箱洸ㄆ鹘邮諟y(cè)試系統(tǒng)中的被測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)量及修正量，能夠最大限度的減少不同故障錄波器之間信號(hào)處理方式及對(duì)時(shí)差異所帶來(lái)的測(cè)量誤差。同時(shí)，即使是同一臺(tái)故障錄波器，數(shù)字量及模擬量輸入信號(hào)也會(huì)采用不同的處理路徑，因此，利用修正量來(lái)測(cè)定合并單元輸出的數(shù)字量信號(hào)與模擬量信號(hào)之間的采樣值傳輸延時(shí)，并對(duì)電子式電流互感器的傳變延時(shí)進(jìn)行修正。

由于存在采樣及讀數(shù)誤差，應(yīng)重復(fù)測(cè)試四次以上，取各次測(cè)量結(jié)果的平均值。

4　測(cè)試結(jié)果

4.1　穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)測(cè)試結(jié)果

分別在電子式電流互感器流過(guò)額定電流及輕載情況下，測(cè)量電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)。測(cè)試中使用的光信號(hào)合并單元的額定延時(shí)△t1=1 000 us，模擬量合并單元的額定延時(shí)△t2=558 us。

1）輕載情況下的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)。

由于故障錄波器會(huì)對(duì)異步采樣的不同通道使用插值算法處理后，在波形上進(jìn)行對(duì)齊，因此為了得到更準(zhǔn)確的傳變延時(shí)，我們還需要對(duì)兩路合并單元所送的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)刻進(jìn)行分析。輕載情況下，極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)的采樣時(shí)刻分析如表1、2所示。其中原始時(shí)標(biāo)為錄波器收到信號(hào)的時(shí)刻，采樣時(shí)刻為原始時(shí)標(biāo)減去額定延時(shí)后的時(shí)刻ts，也即為用于描繪錄波圖的時(shí)刻。

表1　輕載情況下極大值點(diǎn)采樣時(shí)刻

表2　輕載情況下極小值點(diǎn)采樣時(shí)刻

由表1及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)為：

由表2及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)為：

2）額定電流情況下的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)。

額定情況下，極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)的采樣時(shí)刻分析如表3及表4所示。

表3　額定情況下極大值點(diǎn)采樣時(shí)刻

表4　額定情況下極小值點(diǎn)采樣時(shí)刻

由表3及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)為：

由表4及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)為：

對(duì)上述4個(gè)測(cè)定值取平均，可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)絕對(duì)傳變延時(shí)：

由上述穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)的測(cè)量結(jié)果可知，不論是電子式電流互感器流過(guò)額定電流還是輕載電流，其穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)均較為穩(wěn)定且滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2　暫態(tài)傳變延時(shí)測(cè)試結(jié)果

分別模擬線(xiàn)路上發(fā)生單相接地、兩相短路、兩相接地及三相短路故障，分別記錄被測(cè)量、修正量及標(biāo)準(zhǔn)量的故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的時(shí)刻。

1）單相接地故障下的暫態(tài)傳變延時(shí)。

單相接地故障（AN）下，故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻分析如表5所示。

表5　單相接地故障下故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻

由表5及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態(tài)傳變延時(shí)為：

2）兩相短路故障下的暫態(tài)傳變延時(shí)。

兩相短路故障（AB）下，A相故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻分析如表6所示。

表6　兩相短路故障下故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻

由表6及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態(tài)傳變延時(shí)為：

3）兩相短路接地故障下的暫態(tài)傳變延時(shí)。

兩相短路接地故障（ABN）下，故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻分析如表7所示。

表7　兩相接地故障下故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻

由表7及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態(tài)傳變延時(shí)為：

4）三相短路故障下的暫態(tài)傳變延時(shí)。

三相短路故障（ABC）下，故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻分析如表8所示。

表8　三相短路故障下故障電流達(dá)到第一個(gè)峰值的采樣時(shí)刻

由表8及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態(tài)傳變延時(shí)為：

對(duì)上述4個(gè)測(cè)定值取平均，可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)絕對(duì)傳變延時(shí)：

由上述測(cè)量結(jié)果可知，在故障發(fā)生的初始時(shí)刻，本次被測(cè)羅氏線(xiàn)圈電子式互感器模型的暫態(tài)傳變延時(shí)與穩(wěn)態(tài)傳變延時(shí)并無(wú)明顯的數(shù)值差別，傳變延時(shí)較為穩(wěn)定且滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)試結(jié)果有較好的穩(wěn)定性與一致性。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了電子式電流互感器的傳變延時(shí)產(chǎn)生的原因，提出了能夠兼顧穩(wěn)態(tài)延時(shí)及暫態(tài)延時(shí)測(cè)量的電子式電流互感器傳變延時(shí)測(cè)試方案。

通過(guò)搭建的電子式電流互感器傳變延時(shí)測(cè)試平臺(tái)可較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)傳變延時(shí)的測(cè)量。僅在暫態(tài)延時(shí)的測(cè)量結(jié)果與穩(wěn)態(tài)延時(shí)測(cè)量結(jié)果大致相等時(shí)，才可考慮用穩(wěn)態(tài)延時(shí)替代暫態(tài)延時(shí)。