一種直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置及校驗(yàn)算法設(shè)計(jì)*

聶 琪， 李登云， 胡浩亮， 曾非同， 萬(wàn) 鵬

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 計(jì)量研究所， 武漢 430074)

近年來(lái)，柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方面均展示較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直流輸電的局限性.柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)控能力較強(qiáng)，但故障瞬時(shí)電流大，直流閥IGBT的過(guò)流能力弱，因此，為提高柔性直流系統(tǒng)的響應(yīng)速度，抑制故障電流，對(duì)柔性直流輸電用直流互感器的暫態(tài)特性提出了較高要求[1-2].國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26216.1-2010和GB/T26217-2010中明確規(guī)定了直流互感器暫態(tài)特性指標(biāo)，包括過(guò)沖、上升時(shí)間、趨穩(wěn)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，建議使用階躍響應(yīng)測(cè)量直流互感器的暫態(tài)特性[3]；標(biāo)準(zhǔn)IEC61869-15中給出較全面的直流互感器暫態(tài)特性指標(biāo)及指標(biāo)解釋.

國(guó)內(nèi)針對(duì)交流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)技術(shù)研究相對(duì)成熟[4-5]，而對(duì)直流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)技術(shù)的研究則相對(duì)落后.目前通常對(duì)階躍響應(yīng)時(shí)間與階躍上升時(shí)間進(jìn)行測(cè)量[6]，或采用示波器錄波方式觀察階躍響應(yīng)波形的上升時(shí)間和延遲時(shí)間[7-9]，缺乏全面、完整的暫態(tài)參數(shù)測(cè)量方法.

本文研制了一種直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置，基于高速采樣和FT3實(shí)時(shí)快速解析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)模擬量輸出型與數(shù)字量輸出型直流互感器的暫態(tài)特性測(cè)量.提出了階躍波形幅值測(cè)量的3種算法及比較，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)基于眾數(shù)算法的階躍波形幅值及暫態(tài)參數(shù)測(cè)量程序，從而能夠?qū)崿F(xiàn)階躍響應(yīng)全暫態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量.

1 直流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)方案

根據(jù)IEC61869-15的要求，直流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)需要計(jì)算階躍響應(yīng)曲線的上升時(shí)間、階躍響應(yīng)時(shí)間、建立時(shí)間、過(guò)沖、趨穩(wěn)時(shí)間和延遲時(shí)間等參數(shù).直流電壓互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)方案如圖1所示.直流電壓互感器暫態(tài)校驗(yàn)時(shí)，利用暫態(tài)電壓源系統(tǒng)輸出階躍電壓，同時(shí)施加到標(biāo)準(zhǔn)分壓器與被測(cè)直流電壓互感器的高壓側(cè).利用直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分壓器和被測(cè)互感器的二次輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量.校驗(yàn)時(shí)，由暫態(tài)電壓源的控制系統(tǒng)提供同步觸發(fā)信號(hào).

圖1 直流電壓互感器暫態(tài)校驗(yàn)方案Fig.1 Transient calibration scheme for DC voltage transformer

暫態(tài)電壓源系統(tǒng)一般由200 kV直流電壓源、儲(chǔ)能電容、開(kāi)關(guān)組件等組成，構(gòu)成典型的二階RLC電路，用于產(chǎn)生階躍電壓信號(hào)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.標(biāo)準(zhǔn)分壓器的上升時(shí)間小于1 μs，滿足暫態(tài)校驗(yàn)要求.

表1 暫態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters for transient calibration system

直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置主要由高速報(bào)文解析裝置和校驗(yàn)系統(tǒng)組成，其中，校驗(yàn)系統(tǒng)包括高速采集卡、時(shí)鐘同步裝置和上位機(jī)控制系統(tǒng).高速采集卡可用于標(biāo)準(zhǔn)互感器與被測(cè)互感器的模擬量采集，高速報(bào)文解析裝置用于對(duì)數(shù)字量輸出型直流互感器的FT3數(shù)字報(bào)文進(jìn)行解析.時(shí)鐘同步裝置用于接收外部同步觸發(fā)信號(hào)，并提供校驗(yàn)裝置同步采集的電秒脈沖與光秒脈沖.校驗(yàn)裝置可完成模擬量輸出型與數(shù)字量輸出型直流互感器的暫態(tài)特性校驗(yàn).對(duì)模擬量輸出型直流互感器進(jìn)行暫態(tài)校驗(yàn)時(shí)，由高速采集卡同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)互感器與被測(cè)互感器的輸出模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣.對(duì)數(shù)字量輸出型直流互感器進(jìn)行暫態(tài)校驗(yàn)時(shí)，由高速采集卡與高速報(bào)文解析裝置分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)互感器和被測(cè)互感器的模擬量、數(shù)字量進(jìn)行采樣.

高速采集卡采用NI公司的PXI系列采集卡，采樣率設(shè)置為2 MHz，采樣分辨率為16位，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%，測(cè)量延時(shí)小于0.1 μs.高速報(bào)文解析裝置基于FPGA和嵌入式系統(tǒng)雙構(gòu)架，利用FPGA的實(shí)時(shí)性和嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的協(xié)議棧功能實(shí)現(xiàn)FT3協(xié)議的快速解析，數(shù)字量化誤差小于0.01%，整體輸出延時(shí)小于1 μs；時(shí)鐘同步裝置也基于FPGA技術(shù)開(kāi)發(fā)，脈沖信號(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，直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置能夠滿足暫態(tài)特性測(cè)量的硬件需求.

2 暫態(tài)校驗(yàn)算法設(shè)計(jì)

直流互感器暫態(tài)特性校驗(yàn)時(shí)，暫態(tài)校驗(yàn)算法主要針對(duì)直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)與被測(cè)采樣通道階躍波形的暫態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.暫態(tài)階躍響應(yīng)校驗(yàn)算法的關(guān)鍵在于：1)準(zhǔn)確測(cè)量階躍波形的最終穩(wěn)態(tài)值和初始穩(wěn)態(tài)值，也常稱(chēng)為高參考電平和低參考電平值；2)準(zhǔn)確測(cè)量各階躍點(diǎn)的時(shí)刻和幅值.階躍波形參數(shù)測(cè)量原理如圖2所示.

圖2 階躍波形參數(shù)測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of step waveform prameters

假設(shè)圖2中點(diǎn)(ta，xa)為階躍波形，a%階躍的時(shí)間和幅值分別為ta與xa，(t1，x1)和(t2，x2)分別為該點(diǎn)前后相鄰的兩個(gè)離散采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間間隔Δt=t2-t1，也為階躍波形采樣頻率的倒數(shù).xL和xH分別為階躍波形的低參考電平及高參考電平，則a%階躍點(diǎn)的幅值xa為

xa=a%(xH-xL)+xL

(1)

暫態(tài)階躍響應(yīng)校驗(yàn)時(shí)，校驗(yàn)裝置的采樣率通常較大，Δt較小，(t1，x1)和(t2，x2)兩個(gè)采樣點(diǎn)間的采樣波形近似線性，采用插值法計(jì)算ta為

(2)

階躍點(diǎn)的時(shí)間和幅值測(cè)量準(zhǔn)確度與階躍波的低參考電平及高參考電平測(cè)量準(zhǔn)確度有關(guān).常用的測(cè)量階躍波形參考電平方法有最值法、平均值法和眾數(shù)法.最值法最為簡(jiǎn)單，即將階躍波形采樣數(shù)據(jù)中的最大值和最小值分別作為階躍波形的高參考電平與低參考電平.最值法不適用于噪聲較大或具有較大過(guò)沖的階躍波形，即測(cè)量誤差較大.平均值法是將測(cè)量階躍穩(wěn)態(tài)波形中某時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值作為該階躍穩(wěn)態(tài)波形的參考電平值，具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示.

圖3 基于平均值法的階躍波形幅值測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle of step waveform amplitude based on average method

(3)

(4)

平均值法階躍波形幅值測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于樣本數(shù)n和Δt1的取值，通常樣本數(shù)n越大，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確.若Δt1值過(guò)大，邊界窗會(huì)超出階躍波形范圍；Δt1值過(guò)小，所取樣本可能會(huì)包含階躍沿或過(guò)沖波形數(shù)據(jù)，導(dǎo)致平均值測(cè)量不準(zhǔn)確.

眾數(shù)法[10]將階躍響應(yīng)波形曲線的幅值范圍區(qū)間[xmin，xmax]分為M份等寬度的小區(qū)間，并將M份等寬度的小區(qū)間分別編號(hào)為Δx1，Δx2，…，Δxi，…，ΔxM.令xH附近階躍響應(yīng)波形曲線以最大頻率落在某一區(qū)間，利用上限與下限公式計(jì)算該區(qū)間內(nèi)的眾數(shù)xM，即得到高參考電平值xH；同理，計(jì)算xL附近低參考電平值xL，即

(5)

(6)

式中：L為眾數(shù)所在組下限；U為眾數(shù)所在組上限；Δ1為眾數(shù)所在組次數(shù)與其下限相鄰組的次數(shù)之差；Δ2為眾數(shù)所在組次數(shù)與其上限相鄰組的次數(shù)之差.通常眾數(shù)法的分區(qū)寬度Δx越小，統(tǒng)計(jì)的階躍波形的幅值密度分布越精確.若想降低上升時(shí)間測(cè)量不確定度，可縮小眾數(shù)法的分區(qū)寬度Δx，但也會(huì)受到測(cè)量系統(tǒng)分辨力的限制.

為了驗(yàn)證暫態(tài)校驗(yàn)算法的準(zhǔn)確性，本文研制了階躍信號(hào)波形發(fā)生裝置，通過(guò)LabVIEW上位機(jī)編程控制函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出兩路上升時(shí)間、相位、過(guò)沖和建立時(shí)間可調(diào)的階躍響應(yīng)曲線.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為泰克公司的AFG3252，根據(jù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示，其幅值誤差率小于1%，時(shí)間誤差小于1 μs，階躍信號(hào)波形發(fā)生裝置如圖4所示.

圖4 階躍信號(hào)波形發(fā)生裝置Fig.4 Step signal waveform generating device

本文針對(duì)眾數(shù)法和平均值法的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行了分析比較，通過(guò)階躍信號(hào)發(fā)生裝置編程輸出4種上升時(shí)間與過(guò)沖值不同的階躍波形，利用平均值法與眾數(shù)法分別對(duì)階躍波形幅值進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果如圖5所示.

眾數(shù)法測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)相對(duì)較小，多次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小；而平均值法的測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的突變值，特別對(duì)具有過(guò)沖的階躍波形進(jìn)行測(cè)量時(shí)較為明顯.因此，本文選用眾數(shù)法測(cè)量階躍波形的高參考電平與低參考電平.

針對(duì)當(dāng)前部分利用方波測(cè)量直流互感器暫態(tài)特性的情況進(jìn)行改進(jìn)，首先，利用眾數(shù)法測(cè)量階躍波形中全部50%階躍點(diǎn)的時(shí)間，自適應(yīng)判斷階躍波形為單階躍波形或方波，并識(shí)別出方波波形中階躍波的數(shù)量.基于前面的邊界窗法，以時(shí)間窗口2Δt1在50%階躍點(diǎn)處將方波分解為多個(gè)單階躍波形[t1，t3]，分解原理如圖6所示.

分別將標(biāo)準(zhǔn)方波波形與試品方波波形分解為多個(gè)單階躍波形，再利用眾數(shù)法和線性插值法測(cè)量每個(gè)單階躍波形中對(duì)應(yīng)的5%、10%、90%、98.5%、101.5%階躍點(diǎn)的時(shí)間與幅值，計(jì)算出上升時(shí)間、階躍響應(yīng)時(shí)間、趨穩(wěn)時(shí)間和過(guò)沖等暫態(tài)參數(shù).

3 性能試驗(yàn)

為充分驗(yàn)證直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置性能，首先利用研制的直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置對(duì)某廠家的模擬量輸出型直流電壓互感器進(jìn)行暫態(tài)特性試驗(yàn)，然后利用國(guó)家高電壓計(jì)量站直流互感器校驗(yàn)儀暫態(tài)整檢裝置對(duì)直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置進(jìn)行性能檢測(cè)，測(cè)量裝置及性能試驗(yàn)如圖7所示.

圖5 基于平均值法和眾數(shù)法的測(cè)量準(zhǔn)確度比較Fig.5 Comparison of measurement accuracy based on average and mode methods

選取的直流電壓互感器電壓等級(jí)為500 kV，二次輸出為模擬量5 V，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，出廠試驗(yàn)報(bào)告中僅給出階躍響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)小于250 μs，沒(méi)有提供具體數(shù)值.對(duì)直流電壓互感器進(jìn)行暫態(tài)特性試驗(yàn)時(shí)，階躍電壓源輸出階躍波形的上升時(shí)間為10 μs，無(wú)過(guò)沖，試驗(yàn)波形如圖8所示.標(biāo)準(zhǔn)分壓器和被測(cè)直流互感器的暫態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

圖6 方波分解原理Fig.6 Decomposition principle of square wave

圖7 直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置及性能試驗(yàn)Fig.7 Transient calibration device and performance test for DC transformer

圖8 模擬量輸出型直流互感器暫態(tài)試驗(yàn)波形Fig.8 Transient test waveform of analog output from DC transformer

表2 模擬量輸出型直流互感器暫態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Transient test results of analog output from DC transformer

由表2的測(cè)量結(jié)果可知，階躍電壓源上升時(shí)間參數(shù)為10 μs時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)分壓器測(cè)量上升時(shí)間為10.4 μs，與技術(shù)參數(shù)相近.而被測(cè)直流互感器上升時(shí)間為26.57 μs，階躍響應(yīng)時(shí)間與趨穩(wěn)時(shí)間分別為91.38、98.21 μs，延遲時(shí)間為37.13 μs，因此，直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直流互感器的暫態(tài)特性校驗(yàn).

利用直流互感器校驗(yàn)儀整檢裝置對(duì)直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置進(jìn)行整檢，暫態(tài)整檢裝置輸出5種上升時(shí)間、過(guò)沖和延遲時(shí)間不同的階躍波形.模擬量通道與數(shù)字量通道校驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示.

表3 模擬量通道暫態(tài)特性校驗(yàn)Tab.3 Calibration of transient characteristics of analog channel

表4 數(shù)字量通道暫態(tài)特性校驗(yàn)Tab.4 Calibration of transient characteristics of digital channel

由試驗(yàn)結(jié)果可知，模擬量通道校驗(yàn)結(jié)果相對(duì)數(shù)字量通道校驗(yàn)結(jié)果更精確，上升時(shí)間誤差小于1 μs，響應(yīng)時(shí)間誤差與設(shè)定的試品延時(shí)誤差最大為2.13 μs，趨穩(wěn)時(shí)間與響應(yīng)時(shí)間的誤差相近，過(guò)沖誤差小于1%；數(shù)字量通道校驗(yàn)的上升時(shí)間誤差最大為8.64 μs，響應(yīng)時(shí)間誤差與設(shè)定的試品延時(shí)誤差最大為2.38 μs，過(guò)沖誤差小于1%.數(shù)字量通道校驗(yàn)時(shí)的上升時(shí)間測(cè)量誤差較大的主要原因是：輸入的數(shù)字量采樣率較低，引入不確定度誤差.整檢裝置輸出的FT3數(shù)字階躍波形采樣率為50 kHz，采樣間隔時(shí)間為20 μs，校驗(yàn)裝置利用線性插值法計(jì)算階躍點(diǎn)的時(shí)間和幅值時(shí)會(huì)引入較大的誤差.

4 結(jié) 論

研制的直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直流互感器的上升時(shí)間、階躍響應(yīng)時(shí)間、趨穩(wěn)時(shí)間、過(guò)沖和延遲時(shí)間等暫態(tài)參數(shù)的測(cè)量.模擬量通道校驗(yàn)誤差相對(duì)較小，時(shí)間測(cè)量誤差小于3 μs，過(guò)沖測(cè)量誤差小于1%，能夠滿足直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)需求.數(shù)字量通道校驗(yàn)的延遲時(shí)間測(cè)量誤差與過(guò)沖測(cè)量誤差較小，但上升時(shí)間測(cè)量誤差相對(duì)較大.由于輸入的FT3數(shù)字量采樣率較低，會(huì)引入不確定誤差，因此需要改進(jìn)暫態(tài)校驗(yàn)算法，以修正數(shù)字采樣時(shí)間間隔.