一種直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)*

聶琪，胡浩亮，李登云，劉博陽(yáng)，李鶴，熊前柱

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢 430074；2.北京世維通光智能科技有限公司，北京065201)

0 引 言

在我國(guó)“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的能源和電力工業(yè)建設(shè)基本戰(zhàn)略的實(shí)施中，高壓直流輸電具有更加廣闊的應(yīng)用前景。高壓直流輸電技術(shù)因具有遠(yuǎn)距離、大容量、無(wú)同步問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用[1-4]。尤其是柔性直流輸電技術(shù)的大力發(fā)展，控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)直流互感器的寬頻測(cè)量準(zhǔn)確度、階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)提出了更高的要求，特別是對(duì)故障情況下暫態(tài)電壓電流進(jìn)行快速響應(yīng)[5-6]。

直流互感器作為直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，直流互感器的暫態(tài)特性直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)展直流互感器的暫態(tài)特性試驗(yàn)，能有效提高對(duì)直流互感器性能的甄別能力，確保直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-8]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26216-2010對(duì)直流電流互感器暫態(tài)特性的階躍響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性提出了明確要求，但由于缺乏相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)的方法和設(shè)備，國(guó)內(nèi)很少進(jìn)行直流電流互感器的暫態(tài)特性試驗(yàn)，直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方面研究現(xiàn)狀更是不容樂(lè)觀。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)交流電子式互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)進(jìn)行了大量研究[9-12]，但針對(duì)直流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)方面的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[13]在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中利用暫態(tài)可控電流源和示波器方式對(duì)直流互感器暫態(tài)階躍響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)。文獻(xiàn)[14]通過(guò)建立直流比較儀的傳遞函數(shù)模型對(duì)直流比較儀的傳變特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文基于重采樣技術(shù)和LabVIEW儀器測(cè)量技術(shù)，研究了一種直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)某廠家的全光纖電子式直流電流互感器的階躍響應(yīng)特性進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明該校驗(yàn)方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量直流電子式電流互感器階躍響應(yīng)延遲時(shí)間和上升/下降時(shí)間等參數(shù)。

1 直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方法研究

直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)中主要測(cè)量的參數(shù)為階躍響應(yīng)延遲時(shí)間和階躍響應(yīng)上升/下降時(shí)間。直流互感器作為一種特殊的電子式互感器[15]，在階躍特性試驗(yàn)方法方面值得借鑒。有學(xué)者針對(duì)電子式互感器的延遲時(shí)間和測(cè)量方法進(jìn)行相關(guān)研究[16-17]，目前直流互感器穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)技術(shù)相對(duì)成熟一些，積累了諸多成果[18-20]，而階躍響應(yīng)校驗(yàn)的研究相對(duì)較少。直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)與穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)的不同點(diǎn)在于： 1)階躍響應(yīng)校驗(yàn)需要用到階躍電流源，其技術(shù)門(mén)檻要比穩(wěn)態(tài)直流源高；2)采樣率要求更高，以保證階躍響應(yīng)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性；3)同步性要求更嚴(yán)格，時(shí)鐘同步精度更高。

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，直流電流互感器階躍試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.的階躍試驗(yàn)，即額定電流的0%到10%階躍試驗(yàn)。因此本文采用信號(hào)發(fā)生器和跨導(dǎo)放大器組合的方式，提供連續(xù)的方波電流源用于階躍響應(yīng)校驗(yàn)。

針對(duì)模擬量輸出或是數(shù)字量輸出直流電流互感器，在階躍響應(yīng)校驗(yàn)時(shí)均是針對(duì)離散的數(shù)字量進(jìn)行處理，校驗(yàn)結(jié)果與試品或者校驗(yàn)系統(tǒng)的采樣率有很大關(guān)系。針對(duì)模擬量輸出直流電流互感器，可以采用傳統(tǒng)的示波器錄波方式測(cè)量其階躍響應(yīng)特性，而對(duì)于數(shù)字量輸出的電子式直流電流互感器，傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法已經(jīng)不再適用，其二次輸出數(shù)據(jù)為離散的數(shù)字量，當(dāng)試品采樣率不足的情況下，在計(jì)算階躍響應(yīng)延遲時(shí)間和上升/下降時(shí)間時(shí)引入的不確定性因素較大，計(jì)算結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差。解決方法有兩種：一是提高試品的采樣率，這顯然不現(xiàn)實(shí)；二是在試品采樣率固定的情況下，采取重采樣技術(shù)，等效于提高試品采樣率，減小采樣點(diǎn)時(shí)間間隔引入的不確定度，從而提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。重采樣實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1(a)中為重采樣前單個(gè)上升沿采樣數(shù)據(jù)，圖1(b)中將多個(gè)上升沿采樣數(shù)據(jù)映射到同一時(shí)間段，圖1(c)中為重采樣后的上升沿?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)重采樣后，等效提高了試品采樣率，在校驗(yàn)階躍響應(yīng)特性參數(shù)時(shí)可以降低采樣率不足引入的不確定性因素影響，使校驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。標(biāo)準(zhǔn)側(cè)采樣可使用高精度高采樣率的采集模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)電流信號(hào)進(jìn)行采集，以保證標(biāo)準(zhǔn)側(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本文采用的高速采集卡采樣率最高達(dá)12 MHz，采樣分辨率為16位到24位，以保證滿足高采樣率要求。

圖1 重采樣技術(shù)原理

在時(shí)鐘同步方面，考慮到階躍響應(yīng)校驗(yàn)中時(shí)鐘同步的高精度要求，采用基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)的SOPC (System-On-a-Programmable-Chip)技術(shù)，利用Nios軟核處理器為核心，可以實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步、分頻和授時(shí)功能，滿足嚴(yán)格的時(shí)鐘同步要求。

2 直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方案

2.1 階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方案如圖2所示，可對(duì)模擬量輸出和數(shù)字量輸出直流互感器進(jìn)行階躍響應(yīng)校驗(yàn)。采用信號(hào)發(fā)生器和跨導(dǎo)放大器組合作為階躍電流源，用于給被測(cè)直流互感器和標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器提供一次方波階躍電流，頻率設(shè)置為50 Hz，通過(guò)線圈配件可達(dá)到6 000 A大電流輸出，跨導(dǎo)放大器的頻率范圍達(dá)10 kHz，輸出相位準(zhǔn)確度為0.006°，能夠滿足直流互感器校驗(yàn)需求。

模擬量校驗(yàn)時(shí)，被測(cè)直流互感器和標(biāo)準(zhǔn)直流互感器輸出的模擬信號(hào)輸入到高速采集卡進(jìn)行采樣，然后通過(guò)數(shù)字校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)字量校驗(yàn)時(shí)，被測(cè)直流互感器輸出FT3協(xié)議報(bào)文，報(bào)文解析裝置將試品輸出的FT3數(shù)字報(bào)文解析得到試品測(cè)量信號(hào)，并通過(guò)以太網(wǎng)輸入數(shù)字校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行處理，標(biāo)準(zhǔn)側(cè)直流互感器輸出的模擬量經(jīng)過(guò)高速采集卡采樣后輸入到數(shù)字校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。

高速采集卡采用國(guó)外某公司的PXI-5922采集卡，采樣率設(shè)置為2 MHz，采樣分辨率為16位，柔性直流互感器采樣頻率50 kHz～100 kHz，能夠滿足直流互感器高速采樣需求。

圖2 直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方案

標(biāo)準(zhǔn)直流互感器采用國(guó)外某公司生產(chǎn)的A40B系列分流器，具體型號(hào)為A40B-100A，該分流器的直流電流測(cè)量不確定度為15×10-6，相位偏移為0.001°。

信號(hào)發(fā)生器設(shè)置方波信號(hào)源的上升/下降時(shí)間為20 μs，占空比為50%，利用傳統(tǒng)的示波器錄波方式測(cè)得信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)器的輸出如圖3所示，跨導(dǎo)放大器和標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的階躍延遲誤差約為1 μs，上升/下降時(shí)間約為1.5 μs左右，滿足直流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)需求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)器階躍響應(yīng)特性

時(shí)鐘同步裝置用于試品側(cè)和標(biāo)準(zhǔn)側(cè)數(shù)據(jù)采集的同步，同步信號(hào)的頻率和占空比可調(diào)，輸出信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間均小于300 ns，正反向輸出信號(hào)相位誤差小于10 ns。

校驗(yàn)方案中數(shù)字校驗(yàn)系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，用于階躍響應(yīng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及校驗(yàn)算法實(shí)現(xiàn)，該數(shù)字校驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 階躍響應(yīng)特性測(cè)量

階躍響應(yīng)延遲時(shí)間的計(jì)算，首先必須實(shí)現(xiàn)試品與標(biāo)準(zhǔn)側(cè)數(shù)據(jù)采集的完全同步，其次是采集的數(shù)據(jù)需要有時(shí)標(biāo)信號(hào)，最后根據(jù)時(shí)標(biāo)和數(shù)據(jù)計(jì)算試品階躍響應(yīng)時(shí)間。

使用高速采集卡測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電流波形，以標(biāo)準(zhǔn)電流上升到實(shí)際最大電流50%的時(shí)間作為起始時(shí)間，為提高精度，可以通過(guò)插值算法計(jì)算50%點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間。使用校驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)試品輸出報(bào)文，按照收到報(bào)文包頭的時(shí)間作為采樣時(shí)間，對(duì)試品輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，求出上升到實(shí)際最大電流50%點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間，作為結(jié)束時(shí)間。使用插值法有以下注意事項(xiàng)：

1)使用插值法計(jì)算試品上升到50%時(shí)間有個(gè)前提條件是電流源上升時(shí)間不小于2倍采樣周期，否則無(wú)法保證插值正確性。

2)當(dāng)高速采集卡與報(bào)文解析裝置不是嚴(yán)格的同步采樣時(shí)，兩個(gè)秒脈沖之間的采樣點(diǎn)的偏移累計(jì)誤差會(huì)逐漸增大，直到下一個(gè)秒脈沖到來(lái)為止，因此測(cè)量延遲最好只用第一個(gè)跳變沿，避免累計(jì)誤差的影響。

在高速采集卡與報(bào)文解析裝置嚴(yán)格同步的前提下，可以通過(guò)重采樣技術(shù)等效提高試品采樣率，回避電流源上升時(shí)間不小于2倍采樣周期的限制。

重采樣的方法是指：在高速采集卡與校驗(yàn)儀時(shí)鐘嚴(yán)格同步的條件下，以標(biāo)準(zhǔn)通道經(jīng)過(guò)50%的時(shí)刻為參考點(diǎn)，將多次跳變的試品采樣點(diǎn)按照與參考點(diǎn)的時(shí)間差，重疊在一起(繪制到同一張波形圖上)，相當(dāng)于等效提高試品的采樣率，解決試品采樣率過(guò)低導(dǎo)致的測(cè)量精度不高，測(cè)量結(jié)果重現(xiàn)性不好的問(wèn)題。

圖5為階躍響應(yīng)延遲時(shí)間測(cè)量原理，圖6為階躍響應(yīng)延遲時(shí)間的LabVIEW算法實(shí)現(xiàn)。

圖5中紅線和藍(lán)色曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)采樣序列和試品采樣序列的擬合曲線，實(shí)際由多個(gè)離散采樣點(diǎn)組成。標(biāo)準(zhǔn)采樣序列和試品采樣序列平均值分別為y0、，對(duì)應(yīng)的時(shí)間假設(shè)分別為t0、。通過(guò)LabVIEW軟件可求取出采樣序列均值前后兩個(gè)采樣點(diǎn)的幅值和時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)采樣序列均值前后兩個(gè)采樣點(diǎn)分別為(y1，t1)和(y2，t2)，試品采樣序列均值前后兩個(gè)采樣點(diǎn)分別為(y1′，t1′)和(y2′，t2′)，標(biāo)準(zhǔn)和試品采樣間隔分別為和。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)采樣序列和試品采樣序列曲線在上升沿50%位置處近

似為直線，即斜率不變。根據(jù)公式(1)和(2)可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)和試品采樣序列在上升沿50%處的時(shí)間。

圖5 延遲時(shí)間測(cè)量原理

圖6 階躍響應(yīng)延遲時(shí)間LabVIEW程序

圖7 階躍響應(yīng)上升/下降時(shí)間LabVIEW程序

(1)

(2)

其中Δt=1/f0，Δt′=1/f0′，f0和f0′分別為標(biāo)準(zhǔn)和試品采樣頻率。

根據(jù)上述公式即可求出試品的階躍響應(yīng)延遲時(shí)間tD為：

tD=t0′-t0

(3)

圖7為階躍響應(yīng)上升/下降時(shí)間的LabVIEW算法實(shí)現(xiàn)。

在計(jì)算階躍響應(yīng)上升/下降時(shí)間時(shí)，首先采用重采樣技術(shù)對(duì)試品采樣序列進(jìn)行處理，然后根據(jù)式(2)計(jì)算出試品采樣序列在上升沿10%和90%處的時(shí)間，然后計(jì)算兩者的時(shí)間差即可得到試品階躍響應(yīng)上升/下降時(shí)間。

3 階躍響應(yīng)校驗(yàn)試驗(yàn)

本文利用直流電流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)某廠家的全光纖電子式直流電流互感器的階躍響應(yīng)特性進(jìn)行校驗(yàn)，試品由光纖傳感單元和采集單元組成，其額定電流為3 000 A，采樣率為100 kHz。階躍響應(yīng)校驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，施加幅值為300 A的一次方波階躍電流，測(cè)量試品在0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.下的階躍延遲時(shí)間和上升下降沿時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)和試品電流波形如圖8所示(外圍紅色曲線為試品電流小型，中間白色曲線為標(biāo)準(zhǔn)電流波形)。利用重采樣技術(shù)對(duì)圖8中試品采樣波形進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖9所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)和試品階躍響應(yīng)采樣波形

圖9 試品重采樣波形

圖9(a)中將試品多個(gè)上升沿采樣數(shù)據(jù)映射到同一時(shí)間段，圖9(b)中為重采樣處理后的上升沿波形，等效提高試品采樣率。

圖10和圖11分別為試品上升和下降沿的階躍延遲時(shí)間。由測(cè)量結(jié)果可知，試品階躍延遲時(shí)間基本在15 μs～20 μs范圍內(nèi)波動(dòng)，最大的階躍延遲時(shí)間不超過(guò)20 μs，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

圖10 上升階躍延遲時(shí)間

圖11 下降階躍延遲時(shí)間

圖12和圖13為試品階躍響應(yīng)上升和下降時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試品階躍響應(yīng)上升時(shí)間在17 μs ～26 μs范圍，階躍響應(yīng)下降時(shí)間在17 μs ～29 μs范圍，最大的上升下降時(shí)間不超過(guò)30us。試驗(yàn)結(jié)果中部分測(cè)量結(jié)果小于20 μs，因?yàn)楸驹囼?yàn)在額定電流10%的階躍電流下進(jìn)行，電流信號(hào)中噪聲相對(duì)比較大，在計(jì)算上升或下降沿10%和90%的時(shí)間時(shí)容易引入較大的不確定性因素，因此該試驗(yàn)結(jié)果中的上升和下降時(shí)間實(shí)際是在15%～85%區(qū)間測(cè)量得到。此外，使用插值算法計(jì)算上升或下降沿15%和85%時(shí)間也會(huì)引入一定的誤差。

圖12 試品上升時(shí)間

圖13 試品下降時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析直流互感器穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)技術(shù)和暫態(tài)階躍響應(yīng)校驗(yàn)特征的基礎(chǔ)上，提出一種基于重采樣技術(shù)和LabVIEW測(cè)量技術(shù)直流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了直流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)階躍電流源采用信號(hào)發(fā)生器和跨導(dǎo)放大器組合的方案，提供階躍響應(yīng)校驗(yàn)的一次連續(xù)方波電流，方波源的頻率、占空比和上升下降時(shí)間可調(diào)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該階躍電源方案可用于直流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)；

2)針對(duì)階躍響應(yīng)校驗(yàn)中試品采樣率低的問(wèn)題，利用重采樣技術(shù)，等效提高試品采樣率，降低階躍響應(yīng)校驗(yàn)中處理離散數(shù)字信號(hào)時(shí)引入的不確定性誤差；

3)對(duì)全光纖電子式直流電流互感器進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該校驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)χ绷骰ジ衅鞯碾A躍延遲時(shí)間和上升/下降時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)，具備直流互感器階躍響應(yīng)校驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>