就地化保护测控装置滤波电路分析及测试

2018-12-18张保善张群玲程克杰杨静王梦琦赵颖

综合智慧能源 2018年11期

张保善，张群玲，程克杰，杨静，王梦琦，赵颖

(许继电气股份有限公司，河南许昌 461000)

0 引言

当前正在运行的智能变电站采用了“智能终端+合并单元”的方案，增加了中间环节，合并单元增加1～2 ms[1]，智能终端增加4～7 ms[2]，导致继电保护的整组动作时间延长了5～9 ms，因此，研制高可靠性的就地化保护装置,提升继电保护的可靠性和速动性的需求非常强烈[3]。

中国的电网交直流混联格局已逐步形成，电网电力电子化特征日趋明显，在直流输电换流过程中，直流控制系统会产生大量的谐波，宁东直流输电工程动模试验时就出现过因频率混叠导致装置采样异常的问题[4]，因此，保护装置需加强滤波抗混叠设计。

对连续模拟量信号进行等间隔AD采样时，如果不能满足采样定理，采样后信号的频率就会重叠，高于采样频率一半的信号成分将被重建成低于采样频率一半的信号,需将高频信号滤掉。

低通滤波电路参数设计很关键，其中幅频特性、相频特性、截止频率能否满足保护测控装置的需求是本文研究的重要内容。

1 采样回路分析

本节分析就地化保护测控装置滤波回路的传变特性，并仿真相应的幅频、相频特性。

1.1 滤波电路设计

R1，C9，R7回路和R2，C10，R8回路分别为2个一阶低通滤波电路，串联成二阶低通滤波电路，即为抗混叠滤波器，如图1所示。

图1 滤波回路原理

R1和R2将AD采样通道的电流限制在10 mA以下，R7和R8是R1，R2的匹配电阻，防止出现失调误差。

1.2 传递函数分析

图1中的滤波回路可以等效为相应的传递函数。

(1)

式中：X′为R2，C10，R8回路的串联阻抗；X″为X′和C9的并联阻抗；X‴为R1，R7和X″回路的串联阻抗；ZC10，ZC9分别为电容C10，C9的电阻。

(2)

(3)

(4)

式中：G(S)为滤波回路传递函数；Vout为输出电压；Vin为输入电压；VC9为电容C9两端的电压。

式(4)即为取样回路的传递函数，将参数R=3 kΩ，C=10 nF代入式(4)得

(5)

式(5)即为图1电路的传递函数，将S=jω(ω为角频率)代入式(4)整理得

幅频传递函数为

(7)

相频传递函数为

(8)

将R=3 kΩ，C=10 nF代入式(7)和(8)，得到图2、图3所示的幅频、相频响应曲线，从图2、图3可以看出，图1所示电路为二阶低通滤波电路。

图2 幅频响应曲线

图3 相频响应曲线

1.3 截止频率计算

截止频率定义为：当输出功率衰减到输入功率一半时的信号频率。

(9)

(10)

角频率ω和频率f0的转换公式为

ω=2πf0。

(11)

将参数R=3 kΩ，C=10 nF和式(11)代入式(10)解得

1.4 额定频率下模拟量传变时延

1.5 负载对采样回路的影响

图4为带负载滤波回路，AD芯片的模拟量输入通道阻抗为1 MΩ。

图4 带负载滤波回路

对图4求传递函数

(12)

式中：RL为AD芯片的内阻。

式(12)为取样回路加入负载时的传递函数，当RL=∞时，式(12)即为式(4)。

式(12)理得

(13)

幅频传递函数

(14)

相频传递函数：

(15)

将R=3 kΩ，C=10 nF代入式(14)和(15)，得到图5、图6所示的幅频、相频响应曲线。

图5 1 MΩ负载幅频响应曲线

图6 1 MΩ负载相频响应曲线

将R=3 kΩ，C=10 nF，RL=1 MΩ，ω=2πf0和f0=50 Hz代入式(15)解得θ′≈-3.205 8°，相应的延时t′≈-178.100 μs。

由此可见，随着负载阻值的降低，截止频率降低，相角增大，相位延时减小。

1.6 基波及2～13次谐波的幅频-相频参数

因滤波回路引起的幅值衰减及相位延时，后端保护程序需要进行相应的处理。依据式(14)，(15)，保护测控装置最终运算使用的数据为采样值除以相应的幅值衰减系数，并补偿相应的相位延时，使各次谐波相位对齐。信号频率-衰减系数-相位延时对照见表1。

表1 信号频率-衰减系数-相位延时对照

2 保护测控装置采样频率与截止频率的分析

在理想滤波的情形下，滤掉高于Nyquist频率的信号成分即不产生混叠。然而实际的滤波器不具备理想滤波器的特性，实际处理过程中，采样频率fs和截止频率fmax一般应满足fs=(2.5～4.0)fmax的关系。

例如，信号基波频率为50 Hz，依据DL/T 630—1997《交流采样远动终端技术条件》，保护测控装置需要13次及以下谐波[5]，保留原始信号的20次谐波，fmax=1 k/s，fs=(2.5～4.0)fmax=2.5～4.0 k/s，就地化保护测控装置的采样频率为4 k/s，满足保护及测量的要求。

3 模拟量通道幅值、相位精度测试

本节使用就地化保护测控装置采样校验仪，对新研制的就地化保护装置进行幅值、相位精度测试。

按照第2章的要求，保护程序采样频率设计为4k/s；按照表1中的参数进行幅值、相位补偿。

在实验室按照图7所示的接线方式，测试基波及2～13次谐波的幅值、相位精度。

(1)叠加20%谐波，进行幅值误差、相位差测试，测试结果见表2。

(2)依次叠加20%高次谐波，分析低次谐波含量，若无低次谐波，证明未发生频率混叠，测试结果见表3。

图7 就地化装置谐波精度测试接线

信号频率施加值/A幅值误差/%相位差基波1-0.110 -0°0′51″2次谐波1-0.103-0°1′42″3次谐波1-0.112-0°0′49″4次谐波1-0.104-0°2′32″5次谐波1-0.108-0°2′8″6次谐波1-0.099-0°2′34″7次谐波1-0.103-0°2′28″8次谐波1-0.094-0°2′57″9次谐波1-0.094-0°2′50″10次谐波1-0.090-0°2′58″11次谐波1-0.090-0°3′3″12次谐波1-0.085-0°3′1″13次谐波1-0.081-0°3′3″