基于北斗同步的特高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

程昱舒 韓海安

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，太原 030032）

為了滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電力資源的需求，同時(shí)促進(jìn)能源的優(yōu)化配置，我國(guó)在“十一五”期間大力開(kāi)展了特高壓直流輸電技術(shù)的研究[1]。該技術(shù)在電能傳輸過(guò)程中使用交流-直流轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠有效降低遠(yuǎn)距離輸電線路的造價(jià)，減小電能輸送過(guò)程中的損失。目前，我國(guó)已建成18項(xiàng)直流輸電工程，輸送容量達(dá)4638萬(wàn)kW，全長(zhǎng)為15008km。

在特高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流互感器對(duì)線路的控制和保護(hù)至關(guān)重要，但由于早期重視程度低、研究起步晚，目前直流電流互感器技術(shù)尚不成熟[2]。實(shí)際工程中一般購(gòu)買國(guó)外產(chǎn)品，且只在出廠時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套基于北斗同步技術(shù)的特高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置。該裝置能夠在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)直流電流互感器[3-5]，保證直流輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)概述

特高壓直流輸電系統(tǒng)是以直流電的方式傳輸電能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的始端和末端都為交流電流，中間輸電部分為直流電流。其中，交、直流電流的轉(zhuǎn)換通過(guò)整流站和逆變站來(lái)實(shí)現(xiàn)。特高壓直流輸電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示[6]。直流互感器作為保護(hù)和監(jiān)視輸電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的主要傳感器，對(duì)輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。因此，保證特高壓直流電流互感器的準(zhǔn)確度對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置能夠滿足直流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。

圖1 特高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 北斗同步校時(shí)系統(tǒng)

鑒于復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)、政治原因，我國(guó)自1992年起才開(kāi)始研究北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[7]，投入了大量的人力與財(cái)力，相關(guān)技術(shù)進(jìn)步很快，到2013年已正式實(shí)現(xiàn)商用，可為亞洲國(guó)家提供服務(wù)。預(yù)計(jì)到2020年可具有全球服務(wù)能力，授時(shí)精度優(yōu)于20ns[8-10]。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)直流電流互感器時(shí)，由于不能確定被校直流電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次輸出位置的距離，所以本設(shè)計(jì)將直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置分為主機(jī)和分機(jī)兩部分，并用北斗二代-校時(shí)系統(tǒng)同步主/分機(jī)采樣時(shí)間。

3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案

被檢直流電流互感器二次輸出為模擬量時(shí)，模擬量電壓輸出額定值為4V，數(shù)字量輸出時(shí)額定值為2D41H。主、分機(jī)各至少需要一個(gè)模擬量輸入接口和一個(gè)數(shù)字量輸入接口，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)使用直接校準(zhǔn)法進(jìn)行校準(zhǔn)。將標(biāo)準(zhǔn)互感器與被檢互感器連接到同一個(gè)回路中，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的分機(jī)連接被檢互感器的二次輸出，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的主機(jī)連接標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次輸出，主、分機(jī)間使用北斗/GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)對(duì)采樣進(jìn)行同步[11-12]，使用射頻無(wú)線通信技術(shù)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置溯源方案

4.1 特高壓直流電流互感器二次側(cè)輸出為模擬量時(shí)溯源方案

特高壓直流電流互感器二次側(cè)輸出為模擬量溯源時(shí)，溯源方案如圖3所示。用高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)源輸出模擬標(biāo)準(zhǔn)量，同時(shí)使用帶同步采樣觸發(fā)的高精度儀表作為標(biāo)準(zhǔn)表，與特高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置同步采樣計(jì)算誤差，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置溯源。標(biāo)準(zhǔn)表使用Agilkent 3458A，其24h精度達(dá)到了0.6×10-6[13]，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)表的要求。

圖3 模擬量二次輸出溯源方案示意圖

4.2 特高壓直流電流互感器二次側(cè)輸出為數(shù)字量時(shí)溯源方案

圖4 數(shù)字量二次輸出溯源方案示意圖

針對(duì)二次輸出為數(shù)字量的電流互感器，溯源方案如圖4所示。高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)源輸出數(shù)字量，使用兩臺(tái)帶同步采樣觸發(fā)的高精度儀表作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行采樣后，一臺(tái)將測(cè)量值直接參與誤差計(jì)算，另一臺(tái)將測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后發(fā)送給特高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，由其解析后輸出測(cè)量值參與誤差計(jì)算，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置溯源。標(biāo)準(zhǔn)表同樣使用 Agilkent 3458A，其可通過(guò)同步時(shí)鐘源進(jìn)行同步采樣觸發(fā)。

5 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主/分機(jī)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主機(jī)由模擬量輸入接口、數(shù)字量輸入接口、射頻通信模塊、AD采樣電路、協(xié)議庫(kù)模塊、北斗/GPS衛(wèi)星同步模塊、DSP、TFT液晶顯示模塊、人機(jī)交互模塊等組成。分機(jī)同樣設(shè)計(jì)模擬量輸入接口、數(shù)字量輸入接口、射頻通信模塊、AD采樣電路、協(xié)議庫(kù)模塊、北斗/GPS衛(wèi)星同步模塊、DSP組成。原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主分機(jī)設(shè)計(jì)方案示意圖

1）射頻通信模塊采用 TI公司最新的 CC110L芯片，該芯片工作在433MHz免費(fèi)ISM頻段，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置分機(jī)通過(guò)該模塊將編碼處理后的被檢電流互感器二次信號(hào)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主機(jī)分析誤差。

2）主/分機(jī)都使用AD7608芯片，對(duì)二次模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，該芯片能以200K次/s的速度進(jìn)行采樣。

3）本設(shè)計(jì)中需兼容IEC 61850協(xié)議和各個(gè)廠家的私有協(xié)議，因此將協(xié)議做成協(xié)議庫(kù)的方式方便擴(kuò)展和調(diào)用。

4）北斗/GPS衛(wèi)星同步模塊采用中科微第四代AT6558芯片，支持北斗衛(wèi)星、GPS等6種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用 2.7～3.6V電源供電，授時(shí)精度小于30ns?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置可通過(guò)該芯片同步主/分機(jī)采用時(shí)間。

5）DSP使用ASDP609雙核芯片，每核工作頻率最高可達(dá)500MHz，并內(nèi)置148KB的L1SRAM存儲(chǔ)器，為裝置提供信息處理保障。

6）現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置主機(jī)使用 TFT液晶顯示，提供高分辨率的清晰彩色顯示界面，可進(jìn)行觸摸輸入，操作便捷。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.05級(jí)，為檢驗(yàn)文中設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)使用性能，選取了北京博電的PDC4000A高精度直流試驗(yàn)裝置作為高精度直流電流源，可輸出 0～4000A直流電流；選取RITZ Messwandler公司的OSKF-G- 72零磁通直流電流互感器作為被?；ジ衅鳎瑴?zhǔn)確度等級(jí)為0.2S級(jí)，額定電流為3000A；選取北京博電公司的標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器作為標(biāo)準(zhǔn)互感器，準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.001級(jí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)接線如圖 2所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 1，記錄了升流和降流過(guò)程中校驗(yàn)點(diǎn)誤差情況。

表1 互感器誤差

計(jì)算誤差ε 時(shí)，用被?；ジ衅鞫蝹?cè)輸出電壓Us乘以其額定變比 Kra與標(biāo)準(zhǔn)互感器一次電流 Ip之差除以標(biāo)準(zhǔn)互感器一次電流值Ip[9]，計(jì)算公式為

0.2 S級(jí)互感器誤差允許范圍見(jiàn)表2。

表2 誤差允許范圍

升降變差允許范圍：升降變差不超過(guò)其誤差限制的1/5[10-11]，文中被?；ジ衅鳛闇?zhǔn)確度等級(jí)為0.2S級(jí)，所以變差不得超過(guò)0.04%。

綜上所述，被校電流互感器準(zhǔn)確度符合0.2S級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)論

針對(duì)特高壓直流電流互感器投運(yùn)期間無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于北斗同步技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置。該裝置的設(shè)計(jì)能夠有效解決直流電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問(wèn)題，為直流輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。