直流电子式电压互感器延时特性分析与现场测试

朱梦梦，王 登，廖耀华，曹璞璘，束洪春，杨 博，段锐敏

直流电子式电压互感器延时特性分析与现场测试

朱梦梦1,2,3，王 登3，廖耀华1，2，曹璞璘3，束洪春3，杨 博3，段锐敏1

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室， 云南 昆明 650217；3.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650051)

直流电子式电压互感器因受到分压器、远端模块参数改变及合并单元等数字链路因素影响会出现延时，现场准确测试标定该延时特性不易实现。首先，建立了直流电压互感器等效电路模型，分析了直流分压器、低通滤波器等被动元件对直流电子式电压互感器延时时间的影响。在此基础上，提出一种基于暂稳态信号的延时等效测试方法，并研制出直流电压互感器延时特性现场试验系统。通过标准暂稳态信号与被测直流电压互感器的反馈时差精确测量延时时间。最后，采用所提出的试验方案在某直流工程现场进行直流电压互感器延时测试，验证了该方法有效性。

延时特性；暂稳态信号；低通滤波器；测试系统；等效；绝对延时

0 引言

直流电压互感器作为直流输电系统换流站最为重要的高压设备之一，负责将整个站的一次电压量传递到测控、保护与计量等单元，是所有二次系统的“眼睛”[1-8]。尤其是直流电压互感器测量性能的好坏，直接关乎直流控保系统的精准性、实时性和可靠性。一旦测量不够精准或出现测量装置异常情况，轻则导致控保误判误告警、二次系统失效，重则导致直流闭锁等重大安全事故或隐患[9-15]。

文献[16-17]提出了异地同步检测方法，开展了常规直流和柔性直流工程的直流电流互感器现场测试关键技术研究。文献[18]研究了适用于直流电压测量装置的暂态阶跃响应现场测试技术，并进行了试验验证。文献[19]开展了数字量输出型的电子式电压互感器暂态特性测试技术研究。但是对于阻容分压型的直流电压互感器而言，一次低压分压臂的额定输出一般为几十伏，需要通过二次分压和驱动，将其变换成多路可以进行采集的多个远端模块。二次分压可以设计为多个并接的阻容分压回路，各阻容分压回路的高压臂与低压臂具有相同的时间常数。每个输出信号连接一个远端模块，从而使得多个远端模块的采样信号相互独立，每一支路不受其他支路远端模块阻抗变化的影响。因整体远端模块在户外运行，其可靠性和稳定性是工程中最为关注的，在国内投运直流工程中，也出现过因远端模块分压设计不合理、器件性能在运行条件下发生改变等原因引起的直流测量异常及导致的事故事件。同时，若系统中保护装置所用互感器的延时不一致，易造成保护不能正确动作。另外，直流系统在谐振时，延时时间是控制系统抑制宽频振荡、进行快速准确调节控制的重要参数。

由于现场直流电子式电压互感器离地高，与之联结的管母不易拆除，且缺乏检测方法和工程实现技术，固有延时检测标定方面的研究一直未能有效开展。针对以上问题，本文建立直流电子式电压互感器等效电路模型，分析了直流分压器和低通滤波器对延时的影响。提出了基于暂稳态信号的延时等效测定方法，并在实际工程中进行了应用，验证了方法有效性。

1 直流电子式电压互感器延时特性分析

1.1 传输链路及延时影响环节

直流电子式电压互感器的数字化传输链路及延时环节如图1所示。

图1 直流电子式电压互感器的传输链路及延时环节

其一次传感器带来的相移和模拟电压信号调理回路、抗混叠滤波器回路等带来的相移共同构成了直流电子式互感器的额定相位偏移，数据处理延时时间和构成了时域上的绝对延时。

绝对延时是指直流电子式电压互感器一次侧模拟量出现某一量值的时刻，到互感器合并单元输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻，这两个时刻之间的间隔时间。该时间是电子式互感器将一次侧电量信息传变到间隔层控保设备消耗的客观时间。直流电子式互感器绝对延时时间关系到控保系统感受到一次侧信息的早晚，进而影响反应速度和动作快慢[20-22]。目前国家标准GB/T 26217-2019中规定直流电子式电压互感器的传输延时时间不大于500 μs，这一指标一般由互感器制造方给出，但值得注意的是，直流电子式互感器从厂家运输到换流站现场，经过现场安装、调试等环节，其所处环境与出厂前大不相同，有必要在现场进行绝对延时的测试标定和确认把关，以确定延时特性是否依然和出厂前一致。

1.2 延时特性等效模型及分析

图2 直流分压器等效电路

则直流分压器的电压传递函数为

图3 相频特性曲线

图4 改变低压臂电阻参数时直流分压器延时特性

图5 直流电子式电压互感器等效结构图

其中低通滤波器的传递函数可写为

基于式(5)—式(7)可以推导出直流电子式电压互感器整体的传递函数为

综上分析，图6展示了在考虑一次直流分压器和低通滤波情况下整体的相频特性曲线。

由图6可见，不同频率下延时特性不一致，但仍然在高频段相位发现明显滞后或超前。而图1中的数字信号发送及合并单元处理经历的时间是不受电路参数影响的，因此直流电子式电压互感器的延时主要受直流分压器参数和远端模块信号调理回路、抗混叠滤波参数影响，其存在约100 μs的时延。经与设备生产厂家确认，该类直流电压电子式互感器数据处理延时时间约为300 μs，两者共同作用下的绝对时间约为400 μs。

图6 考虑直流分压器和低通滤波器的相频特性曲线

2 延时特性现场等效测试方法及系统设计

2.1 直流电子式电压互感器延时等效测试方法

考虑到现场试验安全性和复工难度，不可能大规模拆除管母等一次设备。若现场试验中无需拆解一次管母，仅拆除一次引线，且不必施加额定电压开展直流电子式电压互感器延时测试不失为一种工程实现方法。通过上文分析，一次电压大小不影响直流电子式电压互感器延时特性。此外，直流系统正常运行时是以直流分量为主并叠加相应的谐波分量，而发生故障时是电压跌落引起的暂态响应特性。鉴于以上实际工况，本文提出一种基于暂稳态信号的直流电子式电压互感器延时等效测试方法。

图7 基于暂态信号的延时测试示意图

综合以上稳态法和暂态法测试延时的分析，可以得出计算直流电子式电压互感器的延时统一表达式为

2.2 暂稳态延时现场测试系统

一般来说，换流站直流电压互感器本体与保护控制室中合并单元相距较远，且合并单元采用FT3数字通信协议，加之合并单元也无法提供接收和输入的同步信号端口。在现场测试中标准器二次小电压信号传输易受干扰，且现场高压试验一次和二次难以隔离。鉴于以上考虑，提出如图8所示的基于暂稳态信号的延时等效测试系统，系统主要由暂稳态电压源、标准器和直流互感器暂稳态校验仪等构成。

为了解决标准器信号就地高精度采集以及一次与二次设备之间的隔离，本文将互感器校验仪的高精度AD采集单元进行前置，使得AD采集单元输出的数据序列通过光纤传输至互感器校验仪前置单元输入接口。现场具体测试过程：暂稳态电压源产生所需的试验电压信号同时施加给被测直流电压互感器和标准器。前置单元就地将标准器的二次信号进行高精度转换并通过光纤传输给互感器校验仪，在同步模块的驱动下互感器校验仪同时接收被测互感器合并单元输出的数字信号，通过标准暂稳态信号与被测直流电压互感器的反馈时差精确测量延时时间。

图8 直流互感器暂稳态延时特性测试原理

3 现场测试与结果分析

课题组在某500 kV直流输电工程中开展了极1中性母线的直流电子式电压互感器的绝对延时现场试验，其中额定一次电压为75 kV，合并单元采样频率为10 kHz。本文建立了直流电压互感器现场延时测试系统，其中直流互感器暂态校验仪的采样频率为500 kHz，阶跃响应特性测量误差不超过4 μs。标准器采用阻容分压器，方波响应小于10 μs。

首先，现场进行直流电压互感器暂态延时试验时，将高压一次引线与管母进行断开，在现场施加-20 kV暂态信号。图9展示了现场基于暂态信号的延时特性测试波形，延时时间计算采用被试品和标准电压信号达到稳态值90%所对应的时刻，其延时时间结果为468ms，若按照达到稳态值10%所对应的时刻计算，延时时间为390ms。

图9 暂态延时测试波形

图10 延时现场测试接线

现场绝对延时试验波形如图11所示，其中绝对延时的最小值为449.2ms，最大值为450.6ms，平均值为450.1 μs。若从直流电压互感器50 Hz时的频率响应规定要求来看，绝对延时是满足规程小于500ms要求。对换流站的4台直流电压互感器的进行了测试标定，试验结果如表1所示。

图11 绝对延时现场试验波形

表1 试验结果

从表1中可以看出，4台直流电子式电压互感器延时均在410~450 μs。为了验证施加一次电压对直流电子式电压互感器延时的影响，对极2中性母线直流电子式电压互感器分别在一次施加7.5 kV、15 kV、50 kV稳态电压，其延时分别为408 μs、407 μs、410 μs，稳态情况下，电压大小对互感器延时并无明显的影响。实质上，稳态法和暂态法对延时时间的测试相互补充，从不同视角检测直流电子式互感器的延时。但是，直流电子式电压互感器设备在现场运行中参数发生改变则会影响延时特性，运维人员应结合换流站预试定检计划进行周期检测，而年度预试定检时间短、工作任务紧凑，试验人员不需大规模拆除一次管母，一般通过现场施加10%以下的额定电压信号即可完成现场检测。

4 结论

本文根据直流电子式电压互感器传输链路及延时环节，建立了延时特性等效电路分析模型，分析了直流分压器元件参数变化和低通滤波器对直流电子式电压互感器延时时间的影响。结合工程现场试验安全性和效率，提出了一种基于暂稳态信号的延时等效测试方法，通过被校直流电压互感器和标准器对暂稳态信号的反馈时差，实现了在不拆解管母工况下进行直流电压互感器绝对延时的精确测量。在某±500 kV直流工程换流站年度预试定检中，通过施加10%以下的额定电压信号，进行了直流电压互感器现场延时测试，比较分析了施加暂稳态信号两种不同方法下的延时差异，其延时时间小于500 μs。

[1] 王璐, 李凤婷, 尹纯亚, 等. 考虑直流电流变化的HVDC系统不对称故障换相失败分析[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(1): 17-23.

WANG Lu, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Analysis of asymmetric fault commutation failure in an HVDC system with DC current variation[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 17-23.

[2] 饶宏, 宋强, 刘文华, 等. 多端MMC直流输电系统的优化设计方案及比较[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 103-108.

RAO Hong, SONG Qiang, LIU Wenhua, et al. Optimized design solutions for multi-terminal VSC-HVDC system using modular multilevel converters and their comparison[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 103-108.

[3] 贺之渊, 汤广福, 郑健超. 大功率电力电子装置试验方法及其等效机理[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(19): 47-52.

HE Zhiyuan, TANG Guangfu, ZHENG Jianchao. High power electronics equipment test method and its equivalence mechanism[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(19): 47-52.

[4] 刘卫东, 李奇南, 王轩, 等. 大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望[J]. 中国电力, 2020, 53(7): 55-71.

LIU Weidong, LI Qinan, WANG Xuan, et al. Application status and prospect of VSC-HVDC technology for large-scale offshore wind farms[J]. Electric Power, 2020, 53(7): 55-71.

[5] 邱进, 冯宇, 汪洋, 等. 特高压直流电流测量装置阶跃响应特性校验系统研究[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(1): 141-147.

QIU Jin, FENG Yu, WANG Yang, et al. Study on a step response characteristic calibration system of a UHVDC current measurement device[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 141-147.

[6] 成林, 高坤, 訚山, 等. VFTO对GIS中电子式互感器的电磁干扰研究[J]. 智慧电力, 2021, 49(12): 37-44.

CHENG Lin, GAO Kun, YIN Shan, et al. Electromagnetic interference of electronic transformer in GIS by VFTO[J]. Smart Power, 2021, 49(12): 37-44.

[7] 李凌, 张野, 梁振成, 等. 模块化多电平换流器的主动谐波谐振抑制策略[J]. 广东电力, 2020, 33(3): 34-41.

LI Ling, ZHANG Ye, LIANG Zhencheng, et al. Active harmonic oscillation suppression strategy for modular multilevel converter[J]. Guangdong Electric Power, 2020, 33(3): 34-41.

[8] 郭贤珊, 卢亚军, 郭庆雷. 张北柔性直流电网试验示范工程直流控制保护设计原则与验证[J]. 全球能源互联网, 2020, 3(2): 181-189.

GUO Xianshan, LU Yajun, GUO Qinglei. Design principle and verification of control and protection system for Zhangbei VSC-HVDC grid demonstration project[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(2): 181-189.

[9] HERTEM D V, GHANDHARI M. Multi-terminal VSC HVDC for the European supergrid obstacles[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(9): 3156-3163.

[10] XIAO H, LI Y H, LIU R P, et al. Single-end time-domain transient electrical signals based protection principle and its efficient setting calculation method for LCC-HVDC lines[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2016, 11(5): 1233-1242.

[11] 谢楠, 徐启峰, 谭巧. 采用牛顿环光栅的光学电压互感器相位延迟检测方法[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(8): 185-191.

XIE Nan, XU Qifeng, TAN Qiao. Phase delay detection method for optical voltage transformer based on Newton ring grating[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(8): 185-191.

[12]陈少宇, 黄文焘, 邰能灵, 等. 基于单端暂态电压的含限流电抗器直流配电网保护方法[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(8): 185-193.

CHEN Shaoyu, HUANG Wentao, TAI Nengling, et al. Protection method based on single-terminal transient voltage for DC distribution network with current limiting reactor[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(8): 185-193.

[13] 周博昊, 李凤婷, 尹纯亚. 高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(5): 143-151.

ZHOU Bohao, LI Fengting, YIN Chunya. Risk evaluation and suppression methods for subsequent commutation failure of HVDC transmission system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(5): 143-151.

[14]田培涛, 吴庆范, 黄金海, 等. 基于LCC和FHMMC的混合多端直流系统线路保护方案研究[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(1): 170-177.

TIAN Peitao, WU Qingfan, HUANG Jinhai, et al. Research on protection strategy of a hybrid multi-terminal DC system based on LCC and FHMMC[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 170-177.

[15] 傅闯, 饶宏, 黎小林. 交直流混合电网中直流50 Hz和100 Hz保护研究[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(12): 57-60.

FU Chuang, RAO Hong, LI Xiaolin. HVDC 50 Hz and 100 Hz Protection of AC/DC hybrid transmission system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(12): 57-60.

[16] 张杰, 胡媛媛, 刘飞, 等. 高压直流互感器现场校验关键技术[J]. 高电压技术, 2016, 42(9): 3003-3010.

ZHANG Jie, HU Yuanyuan, LIU Fei, et al. Critical technology of on-site calibration system for DC electronic instrument transformer[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(9): 3003-3010.

[17] 张杰, 姚俊, 姚翔宇, 等. 柔性直流输电用直流电流互感器保护特性试验技术研究及其测量装置研制[J]. 高电压技术, 2018, 44(7): 2159-2164.

ZHANG Jie, YAO Jun, YAO Xiangyu, et al. Critical technology and equipment development of protection characteristics test of DC current transformer for VSC-HVDC transmission[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(7): 2159-2164.

[18] 张平, 杨朋威, 汤汉松, 等. 直流电压测量装置暂态阶跃响应性能现场测试技术[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(9): 143-149.

ZHANG Ping, YANG Pengwei, TANG Hansong, et al. Field test technology of the transient step response features of a DC voltage measuring device[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(9): 143-149.

[19]汪玉, 汤汉松, 高博, 等. 基于数字物理混合仿真的电子式电压互感器暂态特性及其测试技术研究[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(6): 125-131.

WANG Yu, TANG Hansong, GAO Bo, et al. Research on transient characteristics and test technology of electronic voltage transformer based on digital-physical hybrid simulation[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(6): 125-131.

[20]高压直流输电系统直流电压测量装置: GB/T 26217—2019[S]. 2019.

DC voltage measuring device for HVDC transmission system: GB/T 26217—2019[S]. 2019.

[21] 余达, 王红星, 卢启付, 等. 直流电子式电流互感器高频特性测试方案设计与验证[J]. 广东电力, 2020, 33(3): 72-78.

YU Da, WANG Hongxing, LU Qifu, et al. Test and analysis of high frequency characteristics of DC ECT[J]. Guangdong Electric Power, 2020, 33(3): 72-78.

[22] 王奇, 谭炳源, 刘青松, 等. ±800 kV直流分压器校准分析计算模型研究与应用[J]. 高压电器, 2017, 53(12): 163-167.

WANG Qi, TAN Bingyuan, LIU Qingsong, et al. Calibration model for ±800 kV DC divider[J]. High Voltage Apparatus, 2017, 53(12): 163-167.

[23]刘威鹏, 曾丽丽, 张爱玲, 等. LMS自适应滤波器在雁淮特高压直流工程交流滤波器保护系统中的应用研究[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(24): 111-117.

LIU Weipeng, ZENG Lili, ZHANG Ailing, et al. Application and study of LMS adaptive filter in AC filter protection of Yan Huai UHVDC power transmission project[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(24): 111-117.

Field test and analysis of delay characteristics of a DC electronic voltage transformer

ZHU Mengmeng1, 2, 3, WANG Deng3, LIAO Yaohua1, 2, CAO Pulin3, SHU Hongchun3,YANG Bo3,DUAN Ruimin1

(1. Yunnan Power Grid Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Green Energy, Electric Power Measurement Digitalization, Control and Protection, Kunming 650217, China; 3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China)

Because of the influence of digital link factors such as the voltage divider, remote module parameter change and merging units, a DC electronic voltage transformer will have time delay. Thus it is difficult to accurately test and calibrate this time delay characteristic on site. First, the equivalent circuit model of a DC voltage transformer is established. Then the influence of passive components such as the DC voltage divider and low-pass filter on the delay time of the transformer is analyzed. Then a delay equivalent test method based on a transient steady state signal is proposed, and a field test system for the transient delay characteristics of the DC voltage transformer is developed. The delay time is accurately measured by the feedback time difference between the standard transient step signal and the measured DC voltage transformer. Finally, using the test scheme proposed, the time delay test is carried out on a DC project site to verify the effectiveness of the method.

delay characteristic; transient steady state signal; low-pass filter; test system; equivalent; absolute time delay

10.19783/j.cnki.pspc.220479

国家自然科学基金项目资助(52037003)；云南省技术创新人才培养对象项目资助(202205AD160005)；云南省基础研究计划项目资助(202001AT070096)；云南省“青年人才托举工程”项目资助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52037003).

2022-04-06；

2022-05-10

朱梦梦(1986—)，男，博士，高级工程师，研究方向为交、直流互感器检测与故障诊断技术；E-mail: 396923800@qq.com

王 登(1996—)，男，硕士，研究方向为新型继电保护与故障测距；

廖耀华(1992—)，男，硕士，工程师，研究方向为电能计量装置现场检测技术。

(编辑 魏小丽)