基于任意波形發(fā)生器的高壓短路試驗測量系統(tǒng)校準方法和裝置的研究

周小猛, 林志力, 苗本健

(1. 國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,廣東 東莞 523325;2. 廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 廣東 廣州 510670)

1 引 言

高壓短路試驗測量系統(tǒng)作為大容量試驗室的關(guān)鍵設(shè)備,主要用于記錄斷路器、開關(guān)柜、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated swithgear,GIS)等高壓電氣設(shè)備在進行高壓短路試驗時的短路電流、恢復(fù)電壓等波形,并從這些波形上準確地測算出峰值、有效值、燃弧時間和直流分量百分數(shù)等試驗參數(shù)[1～4]。根據(jù)這些參數(shù)來判定試驗是否有效及樣品是否通過試驗。

高壓短路試驗測量系統(tǒng)具有量程范圍大(電流從零點幾A到數(shù)百kA、電壓從幾V到上MV)、測量頻帶寬(從直流到數(shù)kHz)、通道和需測量的參數(shù)數(shù)量多等特點,對測量系統(tǒng)進行全面和準確的校準十分困難且成本較高。目前,通用的校準方法為整體校準法和組件校準法[3～10]。整體校準法指在用戶實驗室將整套的標準測量系統(tǒng)與被校準測量系統(tǒng)并聯(lián)(電壓)或串聯(lián)(電流)連接并進行短路試驗,由一個被認可的校準實驗室對兩個測量系統(tǒng)同時讀數(shù)并校準,再根據(jù)需要補充線性度、動態(tài)特性、穩(wěn)定性等試驗以獲得完整的校準結(jié)果;組件校準法指對測量系統(tǒng)的各組件用各自的產(chǎn)品標準分別校準,整個測量系統(tǒng)的校準結(jié)果為各組件結(jié)果的綜合。

兩種方法均存在一定的不足:整體校準法需要安裝標準測量系統(tǒng),并進行覆蓋各種工況的短路試驗,成本較高且復(fù)現(xiàn)性較差;組件校準法在校準各組件時使用的標準波形與短路試驗的實際波形存在較大的差異,且該差異難以通過理論分析加以補償。此外,測算軟件的參數(shù)計算的不確定度對測量系統(tǒng)的校準結(jié)果有重要影響,國際短路試驗聯(lián)盟(short-circuit testing liaison, STL)提供的試驗數(shù)據(jù)發(fā)生器(test data generator, TDG)軟件雖可用于評定測算軟件的不確定度,但它沒有提供恢復(fù)電壓、行程曲線等波形,評定結(jié)果不夠全面。

因此,本文提出一種基于任意波形發(fā)生器的高壓短路試驗測量系統(tǒng)的校準方法,并研制了相應(yīng)的校準裝置。通過分析校準用標準波形的獲取方法,將該校準裝置讀取TDG和PSCAD軟件生成的標準波形并用于實際測量系統(tǒng)的校準,其結(jié)果表明波形的零漂和帶寬特性均對該測量系統(tǒng)的準確度有較為顯著的影響。

2 校準方法和校準裝置原理

高壓短路試驗測量系統(tǒng)一般由變送器和數(shù)字記錄儀兩部分組成。變送器指電壓互感器、分壓器、分流器、帶積分器的羅氏線圈、行程傳感器等與試驗主回路直接相連的設(shè)備,用于量程轉(zhuǎn)換和/或電氣隔離,以及將電壓、電流、位移等不同種類的一次信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字記錄儀量程范圍內(nèi)的模擬電壓信號。數(shù)字記錄儀可分為測量前端、測量主機和測算軟件3個部分。測量前端指用于模數(shù)和/或電光轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)、電/光轉(zhuǎn)換器、光/電轉(zhuǎn)換器和微處理器等;測量主機同步接收各測量前端發(fā)出的數(shù)字信號,進行濾波等處理后顯示為波形曲線;測算軟件用于測量波形的峰值、有效值等各項試驗參數(shù)。

分壓器、分流器等變送器的結(jié)構(gòu)和原理較為簡單,可用電橋法、阻抗測量等方法較為準確地校準。因此測量系統(tǒng)校準的重點在于校準數(shù)字記錄儀?；谥苯訑?shù)字頻率合成(direct digital synthesis, DDS)技術(shù)的任意波形發(fā)生器可較為方便穩(wěn)定地生成各種模擬電壓波形,本文據(jù)此研究了一種高壓短路試驗測量系統(tǒng)用數(shù)字記錄儀的校準設(shè)備,其校準方法原理框圖如圖1所示。

圖1 校準方法原理框圖

圖1中,標準短路試驗波形為已準確地獲知其峰值、有效值、直流分量百分數(shù)和燃弧時間等參數(shù)的數(shù)字化波形文件。可通過以下途徑獲取:1)由標準測量系統(tǒng)在短路試驗時采集,參數(shù)由該系統(tǒng)直接測算;2)由TDG軟件生成(僅限于電流波形),參數(shù)由軟件給定;3)由合理的短路試驗?zāi)Ｐ头抡娅@取的波形,參數(shù)由經(jīng)過TDG等軟件驗證的算法測算。

任意波形發(fā)生器導(dǎo)入上述數(shù)字化波形文件,將它轉(zhuǎn)換為模擬的短路試驗電壓波形,輸出到待校準高壓短路試驗測量系統(tǒng)的測量前端。測量系統(tǒng)采集該模擬波形,測算出波形的峰值、有效值、直流分量百分數(shù)和燃弧時間等參數(shù)。將這些參數(shù)同標準短路試驗波形的已知參數(shù)相互比對、計算,便可得到待校準數(shù)字記錄儀的刻度因數(shù)及合成標準不確定度。再將它們同變送器的校準結(jié)果綜合到一起,便可實現(xiàn)對整個測量系統(tǒng)的校準。

基于上述方法,設(shè)計制作校準裝置,其硬件框圖如圖2所示。

圖2 校準裝置硬件框圖

Fig.2 Principle diagram of the calibrating device

該裝置的核心部分是由現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)、DDS、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter, DAC)等組成的任意波形發(fā)生器。FPGA讀取固定格式的標準短路試驗波形數(shù)據(jù),并依據(jù)設(shè)定的采樣頻率、縮放系數(shù)等參數(shù)控制各DDS芯片輸出數(shù)字化波形。數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將數(shù)字化波形轉(zhuǎn)換并濾波,輸出模擬短路試驗波形至待校準的測量系統(tǒng)。

該校準裝置需輸出的短路試驗波形既包括工頻的正弦波,也包括含有較多高頻分量的瞬態(tài)恢復(fù)電壓、合分閘線圈電流和行程曲線等波形。因此對該校準裝置的核心要求在于輸出電壓準確度、輸出頻帶寬度和數(shù)據(jù)存儲容量。裝置的主要參數(shù)為:數(shù)/模轉(zhuǎn)模(DAC)分辨率12位,最大輸出點頻率40 MHz,存儲容量4 Mbit,輸出電壓最大幅值±10 V,雙通道同步輸出。

3 標準波形的獲取及校準裝置的檢定

3.1 標準波形的獲取

獲取涵蓋大多數(shù)試驗工況的標準短路試驗波形是應(yīng)用上述校準裝置的基礎(chǔ)。如第2節(jié)所述,可通過3種方法獲取標準短路試驗波形。但通常標準短路試驗測量系統(tǒng)較難得到,TDG軟件只能生成電流波形,而利用PSCAD、MATLAB/Simulink等軟件可較為方便地建立高壓短路試驗的模型,進而得到各種工況下的短路試驗波形。因此,應(yīng)用方法(3)的關(guān)鍵和難點在于準確測算仿真波形的參數(shù)。對此,依據(jù)相關(guān)標準和STL導(dǎo)則的規(guī)定,可分別采取以下算法:

(1) 波形的過零點和峰值用文獻[2]STL導(dǎo)則規(guī)定的曲線擬合的方法確定,即在波形的過零點附近選取若干點進行直線擬合,擬合的直線與時間軸的交點即為波形的過零點;在波形的峰值附近選取若干點進行拋物線擬合,拋物線的極值即為信號的峰值。

(2) 工頻電壓和電流的有效值及直流分量百分數(shù)用文獻[1]和文獻[11]中提出的三頂點法計算。

(3) 關(guān)合、開斷等時間量依據(jù)文獻[1]相關(guān)標準的定義來計算。

(4) 計算瞬態(tài)恢復(fù)電壓(Transient Recovery Voltage, TRV)的第一參考電壓u1、半波峰時間t1和 上升時間t3等參數(shù)時,需要繪制TRV的包絡(luò)線,相關(guān)標準和STL導(dǎo)則沒有相應(yīng)的算法。對此,可參考采用文[12]、[13]提出的二分法、逐次逼近等方法。

可用兩種方法驗證上述算法的準確度:一是用這些算法計算標準測量系統(tǒng)采集或TDG軟件生成的波形的參數(shù),并將結(jié)果同測量系統(tǒng)或軟件的標準值相互比對;二是同用示波器等儀器測得的校準裝置輸出波形的參數(shù)相互比對,但需考慮校準裝置自身的不確定度。

3.2 校準裝置的檢定

依據(jù)《JJG 840—2015函數(shù)發(fā)生器》對校準裝置進行檢定[14]。對電流、恢復(fù)電壓等短路試驗波形進行頻譜分析可知,其主要頻率分量為50 Hz,高頻分量的頻率一般在10 kHz以下,僅試驗方式T10時的二參數(shù)TRV波形的頻率分量較高,但也不超過30 kHz。因此,選擇校準裝置輸出頻率的檢定范圍為10～200 kHz,此外還檢定了輸出電壓準確度、直流電壓準確度、總諧波失真等項目,其結(jié)果簡要列于表1中。頻率和幅值的相對擴展不確定度分別為 1×10-6和0.002(包含因子k=2)。

表1 校準裝置的簡要檢定結(jié)果

由表1可知,在檢定范圍內(nèi),校準裝置輸出波形的誤差均很小,準確度和穩(wěn)定性滿足JJG 840對函數(shù)發(fā)生器及GB/T 16927對外部校準器的要求。

3.3 短期穩(wěn)定性

將校準裝置在重復(fù)條件下輸出工頻恢復(fù)電壓10次,使用泰克MDO3014示波器(幅值測量偏差 +0.1%, 擴展不確定度0.5%)測量校準波形的幅值,計算測量值的相對標準偏差,結(jié)果列于表2中。1 V時的相對標準偏差最大為5.7×10-4。

表2 校準裝置的短期穩(wěn)定性

3.4 長期穩(wěn)定性

于2018年3月至2019年2月進行了6次測試,每個點測量10次并取其平均值。各次測試的環(huán)境條件維持不變,計算各平均值在6次測試下的相對標準偏差,結(jié)果列于表3中。一年之內(nèi)幅值變化的最大相對標準偏差為1.9×10-4。

4 實際應(yīng)用和數(shù)據(jù)比較分析

校準時,選取TDG軟件生成的短路電流波形和PSCAD仿真的幾種代表性試驗工況下的恢復(fù)電壓波形(包含工頻和瞬態(tài)恢復(fù)電壓)作為標準波形。

表3 校準裝置的長期穩(wěn)定性

波形參數(shù)的參考值分別取自TDG軟件的給定值和校準裝置輸出端的實測值,并乘以相應(yīng)的縮放系數(shù)。波形的點頻率分別為10 kHz和200 kHz,在每次校準時都讀取并同步輸出1路電流和1路恢復(fù)電壓波形,發(fā)送至待校準測量系統(tǒng)的測量前端。測量系統(tǒng)以2 MHz的采樣頻率同步采集上述兩路波形并進行濾波、縮放等處理,再使用測算軟件計算各波形在某一時刻的峰值、有效值等參數(shù),同相應(yīng)的參考值相比較,得到的部分數(shù)據(jù)列于表4和表5中。

表4 短路電流的校準數(shù)據(jù)

注:編號1直流時間常數(shù)為45 ms;

編號2直流時間常數(shù)為120 ms且電流逐漸增大;

編號3直流時間常數(shù)為45 ms且疊加零漂(-100 A);

編號4直流時間常數(shù)為45 ms且疊加噪聲(信噪比46 dB)。

從表4和表5可以看出,該測量系統(tǒng)在測量電流和電壓波形的工頻有效值時準確度均較高,且背景噪聲對準確度沒有顯著影響;而在測量直流分量百分數(shù)和TRV峰值時誤差較大,且疊加零漂后誤差更大。

表5 恢復(fù)電壓的校準數(shù)據(jù)

注:編號1為12 kV斷路器短路開斷試驗的交流恢復(fù)電壓波形(上升時間t3=60 μs);

編號2為126 kV斷路器短路開斷試驗的衰減交流恢復(fù)電壓波形(t3=185 μs,疊加零漂+10 kV);

編號3為72.5 kV斷路器短路開斷試驗的直流恢復(fù)電壓波形(t3=160 μs);

編號4為126 kV斷路器短路開斷試驗的衰減直流恢復(fù)電壓波形(t3=185 μs,噪聲的信噪比60 dB)。

經(jīng)分析誤差較大的原因主要有以下兩點:

(1) 測量系統(tǒng)未消除波形的零點漂移。波形在傳輸和放大的過程中,受雜散電容殘余電荷等因素的影響,會附加微弱的零點漂移(實測在滿量程的0.1%以下)。該測量系統(tǒng)沒有依據(jù)STL導(dǎo)則要求去除零漂,因此在測量直流分量和TRV峰值時存在一定的誤差,尤其是在波形自身的直流分量較小或疊加有額外的零漂時,測量的相對誤差更大。用三頂點法測量有效值時,零漂會因幅值相減而被抵消,不會影響測量準確度。

圖3 TRV的比對波形

(2) 測量系統(tǒng)在采集TRV波形時存在失真。如前所述,TRV波形包含有較豐富的高頻分量,這便要求測量系統(tǒng)具有較高的帶寬和采樣頻率。圖3給出了在同一坐標刻度下校準裝置輸出的編號1恢復(fù)電壓的起始部分TRV波形和該測量系統(tǒng)相應(yīng)的采集波形?？梢钥闯?該采集波形相對于輸出波形存在較大的幅值衰減和相位偏移,原因是該測量系統(tǒng)的上限截止頻率小于TRV波形的高頻分量頻率,使得測量系統(tǒng)在采集TRV波形的上升沿時失真嚴重,峰值測量的誤差較大;而在采集工頻恢復(fù)電壓時失真相對較小,有效值測量的準確度相對較高。表5中126 kV TRV(編號2)的上升時間t3比12 kV(編號1)的大,即高頻分量的頻率較低。因此測量系統(tǒng)測量126 kV的TRV峰值的準確度也相對較高。

5 結(jié) 論

通過實際應(yīng)用和檢測數(shù)據(jù)的比較分析,得出以下結(jié)論:

(1) 高壓短路試驗測量系統(tǒng)的測量準確度與試驗結(jié)果判定的一致性和公正性密切相關(guān)?，F(xiàn)今的測量系統(tǒng)能夠較為準確地測量試驗波形的工頻有效值等參數(shù),但在波形頻帶較寬或疊加零漂等情況下,測量峰值或直流分量百分數(shù)時存在一定的誤差。

(2) 本文提出了將標準短路試驗波形注入多通道任意波形發(fā)生器,來產(chǎn)生模擬實際的校準波形,進而對高壓短路試驗測量系統(tǒng)進行校準的方法。研制了以FPGA和DDS芯片為核心的校準裝置,裝置的檢定和穩(wěn)定性測試結(jié)果證明了它可用于高壓短路試驗測量系統(tǒng)的校準。

(3) 將校準裝置用于實際校準時,可方便地驗證試驗波形的噪聲、零漂及帶寬等因素是否對測量系統(tǒng)的準確度產(chǎn)生顯著影響,而使用傳統(tǒng)校準方法時這些影響因素是較難驗證的。進一步可用該校準裝置生成熔斷器開斷、容性開合、延弧回路注入電流等各種可能影響系統(tǒng)測量準確度的標準短路試驗波形,以全面地驗證測量系統(tǒng)的性能是否滿足高壓短路試驗的要求。