基于任意波形发生器的高压短路试验测量系统校准方法和装置的研究

周小猛, 林志力, 苗本健

(1. 国家智能电网输配电设备质量监督检验中心,广东 东莞 523325;2. 广东产品质量监督检验研究院, 广东 广州 510670)

1 引 言

高压短路试验测量系统作为大容量试验室的关键设备,主要用于记录断路器、开关柜、气体绝缘开关设备(gas insulated swithgear,GIS)等高压电气设备在进行高压短路试验时的短路电流、恢复电压等波形,并从这些波形上准确地测算出峰值、有效值、燃弧时间和直流分量百分数等试验参数[1～4]。根据这些参数来判定试验是否有效及样品是否通过试验。

高压短路试验测量系统具有量程范围大(电流从零点几A到数百kA、电压从几V到上MV)、测量频带宽(从直流到数kHz)、通道和需测量的参数数量多等特点,对测量系统进行全面和准确的校准十分困难且成本较高。目前,通用的校准方法为整体校准法和组件校准法[3～10]。整体校准法指在用户实验室将整套的标准测量系统与被校准测量系统并联(电压)或串联(电流)连接并进行短路试验,由一个被认可的校准实验室对两个测量系统同时读数并校准,再根据需要补充线性度、动态特性、稳定性等试验以获得完整的校准结果;组件校准法指对测量系统的各组件用各自的产品标准分别校准,整个测量系统的校准结果为各组件结果的综合。

两种方法均存在一定的不足:整体校准法需要安装标准测量系统,并进行覆盖各种工况的短路试验,成本较高且复现性较差;组件校准法在校准各组件时使用的标准波形与短路试验的实际波形存在较大的差异,且该差异难以通过理论分析加以补偿。此外,测算软件的参数计算的不确定度对测量系统的校准结果有重要影响,国际短路试验联盟(short-circuit testing liaison, STL)提供的试验数据发生器(test data generator, TDG)软件虽可用于评定测算软件的不确定度,但它没有提供恢复电压、行程曲线等波形,评定结果不够全面。

因此,本文提出一种基于任意波形发生器的高压短路试验测量系统的校准方法,并研制了相应的校准装置。通过分析校准用标准波形的获取方法,将该校准装置读取TDG和PSCAD软件生成的标准波形并用于实际测量系统的校准,其结果表明波形的零漂和带宽特性均对该测量系统的准确度有较为显著的影响。

2 校准方法和校准装置原理

高压短路试验测量系统一般由变送器和数字记录仪两部分组成。变送器指电压互感器、分压器、分流器、带积分器的罗氏线圈、行程传感器等与试验主回路直接相连的设备,用于量程转换和/或电气隔离,以及将电压、电流、位移等不同种类的一次信号转换为数字记录仪量程范围内的模拟电压信号。数字记录仪可分为测量前端、测量主机和测算软件3个部分。测量前端指用于模数和/或电光转换的模数转换器(analog to digital converter,ADC)、电/光转换器、光/电转换器和微处理器等;测量主机同步接收各测量前端发出的数字信号,进行滤波等处理后显示为波形曲线;测算软件用于测量波形的峰值、有效值等各项试验参数。

分压器、分流器等变送器的结构和原理较为简单,可用电桥法、阻抗测量等方法较为准确地校准。因此测量系统校准的重点在于校准数字记录仪。基于直接数字频率合成(direct digital synthesis, DDS)技术的任意波形发生器可较为方便稳定地生成各种模拟电压波形,本文据此研究了一种高压短路试验测量系统用数字记录仪的校准设备,其校准方法原理框图如图1所示。

图1 校准方法原理框图

图1中,标准短路试验波形为已准确地获知其峰值、有效值、直流分量百分数和燃弧时间等参数的数字化波形文件。可通过以下途径获取:1)由标准测量系统在短路试验时采集,参数由该系统直接测算;2)由TDG软件生成(仅限于电流波形),参数由软件给定;3)由合理的短路试验模型仿真获取的波形,参数由经过TDG等软件验证的算法测算。

任意波形发生器导入上述数字化波形文件,将它转换为模拟的短路试验电压波形,输出到待校准高压短路试验测量系统的测量前端。测量系统采集该模拟波形,测算出波形的峰值、有效值、直流分量百分数和燃弧时间等参数。将这些参数同标准短路试验波形的已知参数相互比对、计算,便可得到待校准数字记录仪的刻度因数及合成标准不确定度。再将它们同变送器的校准结果综合到一起,便可实现对整个测量系统的校准。

基于上述方法,设计制作校准装置,其硬件框图如图2所示。

图2 校准装置硬件框图

Fig.2 Principle diagram of the calibrating device

该装置的核心部分是由现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)、DDS、高速数模转换器(digital to analog converter, DAC)等组成的任意波形发生器。FPGA读取固定格式的标准短路试验波形数据,并依据设定的采样频率、缩放系数等参数控制各DDS芯片输出数字化波形。数模转换器和低通滤波器将数字化波形转换并滤波,输出模拟短路试验波形至待校准的测量系统。

该校准装置需输出的短路试验波形既包括工频的正弦波,也包括含有较多高频分量的瞬态恢复电压、合分闸线圈电流和行程曲线等波形。因此对该校准装置的核心要求在于输出电压准确度、输出频带宽度和数据存储容量。装置的主要参数为:数/模转模(DAC)分辨率12位,最大输出点频率40 MHz,存储容量4 Mbit,输出电压最大幅值±10 V,双通道同步输出。

3 标准波形的获取及校准装置的检定

3.1 标准波形的获取

获取涵盖大多数试验工况的标准短路试验波形是应用上述校准装置的基础。如第2节所述,可通过3种方法获取标准短路试验波形。但通常标准短路试验测量系统较难得到,TDG软件只能生成电流波形,而利用PSCAD、MATLAB/Simulink等软件可较为方便地建立高压短路试验的模型,进而得到各种工况下的短路试验波形。因此,应用方法(3)的关键和难点在于准确测算仿真波形的参数。对此,依据相关标准和STL导则的规定,可分别采取以下算法:

(1) 波形的过零点和峰值用文献[2]STL导则规定的曲线拟合的方法确定,即在波形的过零点附近选取若干点进行直线拟合,拟合的直线与时间轴的交点即为波形的过零点;在波形的峰值附近选取若干点进行抛物线拟合,抛物线的极值即为信号的峰值。

(2) 工频电压和电流的有效值及直流分量百分数用文献[1]和文献[11]中提出的三顶点法计算。

(3) 关合、开断等时间量依据文献[1]相关标准的定义来计算。

(4) 计算瞬态恢复电压(Transient Recovery Voltage, TRV)的第一参考电压u1、半波峰时间t1和 上升时间t3等参数时,需要绘制TRV的包络线,相关标准和STL导则没有相应的算法。对此,可参考采用文[12]、[13]提出的二分法、逐次逼近等方法。

可用两种方法验证上述算法的准确度:一是用这些算法计算标准测量系统采集或TDG软件生成的波形的参数,并将结果同测量系统或软件的标准值相互比对;二是同用示波器等仪器测得的校准装置输出波形的参数相互比对,但需考虑校准装置自身的不确定度。

3.2 校准装置的检定

依据《JJG 840—2015函数发生器》对校准装置进行检定[14]。对电流、恢复电压等短路试验波形进行频谱分析可知,其主要频率分量为50 Hz,高频分量的频率一般在10 kHz以下,仅试验方式T10时的二参数TRV波形的频率分量较高,但也不超过30 kHz。因此,选择校准装置输出频率的检定范围为10～200 kHz,此外还检定了输出电压准确度、直流电压准确度、总谐波失真等项目,其结果简要列于表1中。频率和幅值的相对扩展不确定度分别为 1×10-6和0.002(包含因子k=2)。

表1 校准装置的简要检定结果

由表1可知,在检定范围内,校准装置输出波形的误差均很小,准确度和稳定性满足JJG 840对函数发生器及GB/T 16927对外部校准器的要求。

3.3 短期稳定性

将校准装置在重复条件下输出工频恢复电压10次,使用泰克MDO3014示波器(幅值测量偏差 +0.1%, 扩展不确定度0.5%)测量校准波形的幅值,计算测量值的相对标准偏差,结果列于表2中。1 V时的相对标准偏差最大为5.7×10-4。

表2 校准装置的短期稳定性

3.4 长期稳定性

于2018年3月至2019年2月进行了6次测试,每个点测量10次并取其平均值。各次测试的环境条件维持不变,计算各平均值在6次测试下的相对标准偏差,结果列于表3中。一年之内幅值变化的最大相对标准偏差为1.9×10-4。

4 实际应用和数据比较分析

校准时,选取TDG软件生成的短路电流波形和PSCAD仿真的几种代表性试验工况下的恢复电压波形(包含工频和瞬态恢复电压)作为标准波形。

表3 校准装置的长期稳定性

波形参数的参考值分别取自TDG软件的给定值和校准装置输出端的实测值,并乘以相应的缩放系数。波形的点频率分别为10 kHz和200 kHz,在每次校准时都读取并同步输出1路电流和1路恢复电压波形,发送至待校准测量系统的测量前端。测量系统以2 MHz的采样频率同步采集上述两路波形并进行滤波、缩放等处理,再使用测算软件计算各波形在某一时刻的峰值、有效值等参数,同相应的参考值相比较,得到的部分数据列于表4和表5中。

表4 短路电流的校准数据

注:编号1直流时间常数为45 ms;

编号2直流时间常数为120 ms且电流逐渐增大;

编号3直流时间常数为45 ms且叠加零漂(-100 A);

编号4直流时间常数为45 ms且叠加噪声(信噪比46 dB)。

从表4和表5可以看出,该测量系统在测量电流和电压波形的工频有效值时准确度均较高,且背景噪声对准确度没有显著影响;而在测量直流分量百分数和TRV峰值时误差较大,且叠加零漂后误差更大。

表5 恢复电压的校准数据

注:编号1为12 kV断路器短路开断试验的交流恢复电压波形(上升时间t3=60 μs);

编号2为126 kV断路器短路开断试验的衰减交流恢复电压波形(t3=185 μs,叠加零漂+10 kV);

编号3为72.5 kV断路器短路开断试验的直流恢复电压波形(t3=160 μs);

编号4为126 kV断路器短路开断试验的衰减直流恢复电压波形(t3=185 μs,噪声的信噪比60 dB)。

经分析误差较大的原因主要有以下两点:

(1) 测量系统未消除波形的零点漂移。波形在传输和放大的过程中,受杂散电容残余电荷等因素的影响,会附加微弱的零点漂移(实测在满量程的0.1%以下)。该测量系统没有依据STL导则要求去除零漂,因此在测量直流分量和TRV峰值时存在一定的误差,尤其是在波形自身的直流分量较小或叠加有额外的零漂时,测量的相对误差更大。用三顶点法测量有效值时,零漂会因幅值相减而被抵消,不会影响测量准确度。

图3 TRV的比对波形

(2) 测量系统在采集TRV波形时存在失真。如前所述,TRV波形包含有较丰富的高频分量,这便要求测量系统具有较高的带宽和采样频率。图3给出了在同一坐标刻度下校准装置输出的编号1恢复电压的起始部分TRV波形和该测量系统相应的采集波形。可以看出,该采集波形相对于输出波形存在较大的幅值衰减和相位偏移,原因是该测量系统的上限截止频率小于TRV波形的高频分量频率,使得测量系统在采集TRV波形的上升沿时失真严重,峰值测量的误差较大;而在采集工频恢复电压时失真相对较小,有效值测量的准确度相对较高。表5中126 kV TRV(编号2)的上升时间t3比12 kV(编号1)的大,即高频分量的频率较低。因此测量系统测量126 kV的TRV峰值的准确度也相对较高。

5 结 论

通过实际应用和检测数据的比较分析,得出以下结论:

(1) 高压短路试验测量系统的测量准确度与试验结果判定的一致性和公正性密切相关。现今的测量系统能够较为准确地测量试验波形的工频有效值等参数,但在波形频带较宽或叠加零漂等情况下,测量峰值或直流分量百分数时存在一定的误差。

(2) 本文提出了将标准短路试验波形注入多通道任意波形发生器,来产生模拟实际的校准波形,进而对高压短路试验测量系统进行校准的方法。研制了以FPGA和DDS芯片为核心的校准装置,装置的检定和稳定性测试结果证明了它可用于高压短路试验测量系统的校准。

(3) 将校准装置用于实际校准时,可方便地验证试验波形的噪声、零漂及带宽等因素是否对测量系统的准确度产生显著影响,而使用传统校准方法时这些影响因素是较难验证的。进一步可用该校准装置生成熔断器开断、容性开合、延弧回路注入电流等各种可能影响系统测量准确度的标准短路试验波形,以全面地验证测量系统的性能是否满足高压短路试验的要求。