一种直流电流互感器阶跃响应校验系统*

2018-10-25聂琪胡浩亮李登云刘博阳李鹤熊前柱

电测与仪表 2018年19期

聂琪，胡浩亮，李登云，刘博阳，李鹤，熊前柱

(1.中国电力科学研究院，武汉 430074；2.北京世维通光智能科技有限公司，北京065201)

0 引言

在我国“西电东送、南北互供、全国联网”的能源和电力工业建设基本战略的实施中，高压直流输电具有更加广阔的应用前景。高压直流输电技术因具有远距离、大容量、无同步问题等优点而广泛使用[1-4]。尤其是柔性直流输电技术的大力发展，控制保护系统对直流互感器的宽频测量准确度、阶跃动态响应提出了更高的要求，特别是对故障情况下暂态电压电流进行快速响应[5-6]。

直流互感器作为直流输电系统控制保护的关键设备，直流互感器的暂态特性直接影响电网的安全稳定运行，开展直流互感器的暂态特性试验，能有效提高对直流互感器性能的甄别能力，确保直流输电系统的安全稳定运行[7-8]。

国家标准GB/T 26216-2010对直流电流互感器暂态特性的阶跃响应特性和频率响应特性提出了明确要求，但由于缺乏相关检测试验的方法和设备，国内很少进行直流电流互感器的暂态特性试验，直流电流互感器阶跃响应校验方面研究现状更是不容乐观。国内学者针对交流电子式互感器暂态特性校验进行了大量研究[9-12]，但针对直流互感器暂态特性校验方面的研究相对较少，文献[13]在现场试验中利用暂态可控电流源和示波器方式对直流互感器暂态阶跃响应时间进行校验。文献[14]通过建立直流比较仪的传递函数模型对直流比较仪的传变特性进行了试验验证。

本文基于重采样技术和LabVIEW仪器测量技术，研究了一种直流电流互感器阶跃响应校验系统，针对某厂家的全光纤电子式直流电流互感器的阶跃响应特性进行校验，结果表明该校验方法能够准确测量直流电子式电流互感器阶跃响应延迟时间和上升/下降时间等参数。

1 直流电流互感器阶跃响应校验方法研究

直流电流互感器阶跃响应校验中主要测量的参数为阶跃响应延迟时间和阶跃响应上升/下降时间。直流互感器作为一种特殊的电子式互感器[15]，在阶跃特性试验方法方面值得借鉴。有学者针对电子式互感器的延迟时间和测量方法进行相关研究[16-17]，目前直流互感器稳态校验技术相对成熟一些，积累了诸多成果[18-20]，而阶跃响应校验的研究相对较少。直流电流互感器阶跃响应校验与稳态校验的不同点在于： 1)阶跃响应校验需要用到阶跃电流源，其技术门槛要比稳态直流源高；2)采样率要求更高，以保证阶跃响应校验的准确性和可靠性；3)同步性要求更严格，时钟同步精度更高。

根据国标要求，直流电流互感器阶跃试验时需要进行0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.的阶跃试验，即额定电流的0%到10%阶跃试验。因此本文采用信号发生器和跨导放大器组合的方式，提供连续的方波电流源用于阶跃响应校验。

针对模拟量输出或是数字量输出直流电流互感器，在阶跃响应校验时均是针对离散的数字量进行处理，校验结果与试品或者校验系统的采样率有很大关系。针对模拟量输出直流电流互感器，可以采用传统的示波器录波方式测量其阶跃响应特性，而对于数字量输出的电子式直流电流互感器，传统的校验方法已经不再适用，其二次输出数据为离散的数字量，当试品采样率不足的情况下，在计算阶跃响应延迟时间和上升/下降时间时引入的不确定性因素较大，计算结果复现性差。解决方法有两种：一是提高试品的采样率，这显然不现实；二是在试品采样率固定的情况下，采取重采样技术，等效于提高试品采样率，减小采样点时间间隔引入的不确定度，从而提高测量精度和稳定性。重采样实现原理如图1所示。

图1(a)中为重采样前单个上升沿采样数据，图1(b)中将多个上升沿采样数据映射到同一时间段，图1(c)中为重采样后的上升沿数据，通过重采样后，等效提高了试品采样率，在校验阶跃响应特性参数时可以降低采样率不足引入的不确定性因素影响，使校验结果更准确可靠。标准侧采样可使用高精度高采样率的采集模块对标准侧电流信号进行采集，以保证标准侧测量数据的准确性和稳定性。本文采用的高速采集卡采样率最高达12 MHz，采样分辨率为16位到24位，以保证满足高采样率要求。

图1 重采样技术原理

在时钟同步方面，考虑到阶跃响应校验中时钟同步的高精度要求，采用基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)的SOPC (System-On-a-Programmable-Chip)技术，利用Nios软核处理器为核心，可以实现高精度时钟同步、分频和授时功能，满足严格的时钟同步要求。

2 直流电流互感器阶跃响应校验方案

2.1 阶跃响应校验系统设计

直流电流互感器阶跃响应校验方案如图2所示，可对模拟量输出和数字量输出直流互感器进行阶跃响应校验。采用信号发生器和跨导放大器组合作为阶跃电流源，用于给被测直流互感器和标准直流电流互感器提供一次方波阶跃电流，频率设置为50 Hz，通过线圈配件可达到6 000 A大电流输出，跨导放大器的频率范围达10 kHz，输出相位准确度为0.006°，能够满足直流互感器校验需求。

模拟量校验时，被测直流互感器和标准直流互感器输出的模拟信号输入到高速采集卡进行采样，然后通过数字校验系统进行校验。数字量校验时，被测直流互感器输出FT3协议报文，报文解析装置将试品输出的FT3数字报文解析得到试品测量信号，并通过以太网输入数字校验系统进行处理，标准侧直流互感器输出的模拟量经过高速采集卡采样后输入到数字校验系统进行校验。

高速采集卡采用国外某公司的PXI-5922采集卡，采样率设置为2 MHz，采样分辨率为16位，柔性直流互感器采样频率50 kHz～100 kHz，能够满足直流互感器高速采样需求。

图2 直流电流互感器阶跃响应校验方案

标准直流互感器采用国外某公司生产的A40B系列分流器，具体型号为A40B-100A，该分流器的直流电流测量不确定度为15×10-6，相位偏移为0.001°。

信号发生器设置方波信号源的上升/下降时间为20 μs，占空比为50%，利用传统的示波器录波方式测得信号发生器和标准器的输出如图3所示，跨导放大器和标准器带来的阶跃延迟误差约为1 μs，上升/下降时间约为1.5 μs左右，满足直流互感器阶跃响应校验需求。

图3 标准器阶跃响应特性

时钟同步装置用于试品侧和标准侧数据采集的同步，同步信号的频率和占空比可调，输出信号的上升沿和下降沿时间均小于300 ns，正反向输出信号相位误差小于10 ns。

校验方案中数字校验系统基于LabVIEW平台开发，用于阶跃响应校验数据处理及校验算法实现，该数字校验系统上位机界面如图4所示。

图4 阶跃响应校验系统

2.2 阶跃响应特性测量

阶跃响应延迟时间的计算，首先必须实现试品与标准侧数据采集的完全同步，其次是采集的数据需要有时标信号，最后根据时标和数据计算试品阶跃响应时间。

使用高速采集卡测量标准电流波形，以标准电流上升到实际最大电流50%的时间作为起始时间，为提高精度，可以通过插值算法计算50%点的准确时间。使用校验系统监测试品输出报文，按照收到报文包头的时间作为采样时间，对试品输出数据进行插值，求出上升到实际最大电流50%点的准确时间，作为结束时间。使用插值法有以下注意事项：

1)使用插值法计算试品上升到50%时间有个前提条件是电流源上升时间不小于2倍采样周期，否则无法保证插值正确性。

2)当高速采集卡与报文解析装置不是严格的同步采样时，两个秒脉冲之间的采样点的偏移累计误差会逐渐增大，直到下一个秒脉冲到来为止，因此测量延迟最好只用第一个跳变沿，避免累计误差的影响。

在高速采集卡与报文解析装置严格同步的前提下，可以通过重采样技术等效提高试品采样率，回避电流源上升时间不小于2倍采样周期的限制。

重采样的方法是指：在高速采集卡与校验仪时钟严格同步的条件下，以标准通道经过50%的时刻为参考点，将多次跳变的试品采样点按照与参考点的时间差，重叠在一起(绘制到同一张波形图上)，相当于等效提高试品的采样率，解决试品采样率过低导致的测量精度不高，测量结果重现性不好的问题。

图5为阶跃响应延迟时间测量原理，图6为阶跃响应延迟时间的LabVIEW算法实现。

图5中红线和蓝色曲线分别为标准采样序列和试品采样序列的拟合曲线，实际由多个离散采样点组成。标准采样序列和试品采样序列平均值分别为y0、，对应的时间假设分别为t0、。通过LabVIEW软件可求取出采样序列均值前后两个采样点的幅值和时间，标准采样序列均值前后两个采样点分别为(y1，t1)和(y2，t2)，试品采样序列均值前后两个采样点分别为(y1′，t1′)和(y2′，t2′)，标准和试品采样间隔分别为和。假设标准采样序列和试品采样序列曲线在上升沿50%位置处近

似为直线，即斜率不变。根据公式(1)和(2)可计算出标准和试品采样序列在上升沿50%处的时间。

图5 延迟时间测量原理

图6 阶跃响应延迟时间LabVIEW程序

图7 阶跃响应上升/下降时间LabVIEW程序

(1)

(2)

其中Δt=1/f0，Δt′=1/f0′，f0和f0′分别为标准和试品采样频率。

根据上述公式即可求出试品的阶跃响应延迟时间tD为：

tD=t0′-t0

(3)

图7为阶跃响应上升/下降时间的LabVIEW算法实现。

在计算阶跃响应上升/下降时间时，首先采用重采样技术对试品采样序列进行处理，然后根据式(2)计算出试品采样序列在上升沿10%和90%处的时间，然后计算两者的时间差即可得到试品阶跃响应上升/下降时间。

3 阶跃响应校验试验

本文利用直流电流互感器阶跃响应校验系统，针对某厂家的全光纤电子式直流电流互感器的阶跃响应特性进行校验，试品由光纤传感单元和采集单元组成，其额定电流为3 000 A，采样率为100 kHz。阶跃响应校验试验时，施加幅值为300 A的一次方波阶跃电流，测量试品在0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.下的阶跃延迟时间和上升下降沿时间。标准和试品电流波形如图8所示(外围红色曲线为试品电流小型，中间白色曲线为标准电流波形)。利用重采样技术对图8中试品采样波形进行处理，处理结果如图9所示。

图8 标准和试品阶跃响应采样波形

图9 试品重采样波形

图9(a)中将试品多个上升沿采样数据映射到同一时间段，图9(b)中为重采样处理后的上升沿波形，等效提高试品采样率。

图10和图11分别为试品上升和下降沿的阶跃延迟时间。由测量结果可知，试品阶跃延迟时间基本在15 μs～20 μs范围内波动，最大的阶跃延迟时间不超过20 μs，试验结果与实际情况基本相符。

图10 上升阶跃延迟时间

图11 下降阶跃延迟时间

图12和图13为试品阶跃响应上升和下降时间。试验结果显示，试品阶跃响应上升时间在17 μs ～26 μs范围，阶跃响应下降时间在17 μs ～29 μs范围，最大的上升下降时间不超过30us。试验结果中部分测量结果小于20 μs，因为本试验在额定电流10%的阶跃电流下进行，电流信号中噪声相对比较大，在计算上升或下降沿10%和90%的时间时容易引入较大的不确定性因素，因此该试验结果中的上升和下降时间实际是在15%～85%区间测量得到。此外，使用插值算法计算上升或下降沿15%和85%时间也会引入一定的误差。