數字量輸出型直流電壓互感器的誤差特性分析

李登云+雷民+熊前柱+聶琪+沈曙明+章江銘

摘 要： 針對數字量輸出型直流電壓互感器實際誤差情況及誤差特性研究不足的現狀，建立數字量輸出型直流電壓互感器的誤差分析模型，完成現場校準試驗，得到實際誤差情況，并詳細分析誤差特性。結果表明，數字量輸出型直流電壓互感器存在超差現象，但可以通過誤差修正達到0.2級要求；基本誤差的線性度為0.1%～0.2%；升降變差和短時穩定性均在10-4數量級；存在零點漂移現象，經過零點修正，線性度優化了0.08%，10%額定電壓下的測量準確度提高了0.1%。

關鍵詞： 數字量輸出； 直流電壓互感器； 誤差特性； 誤差分析模型； 線性度； 零點漂移

中圖分類號： TN722.7+4?34； TN721； TM451 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0119?05

Abstract： In view of the lack of research on the actual error condition and error characteristics of the digital output type DC voltage transformer， an error analysis model of the digital output type DC voltage transformer was established. The field calibration test was completed， the actual error condition was obtained， and the error characteristics were analyzed in detail. The results show that： There exists the phenomenon of over tolerance in the digital output type DC voltage transformer， but it can meet the 0.2 level requirements by means of error correction； The linearity of basic errors is about 0.1% to 0.2%； Both the rise and fall variation and the short time stability are 10?4 orders of magnitude； The phenomenon of zero drift exists， and the zero correction improves the linearity by 0.08%， as well as enhances the measurement accuracy by 0.1% at 10% rated voltage.

Keywords： digital output； DC voltage transformer； error characteristic； error analysis model； linearity； zero drift

0 引 言

直流電壓互感器是測量直流輸電系統一次電壓信號的重要設備，根據輸出給直流控制保護系統的信號類型不同，直流電壓互感器分為模擬量輸出型和數字量輸出型兩種。

針對模擬量輸出型直流電壓互感器，文獻[1?3]提出了標準信號和被校信號同步采集、被校信號無線傳輸的校驗方法。研制了現場用直流電壓比例標準器，完成了500 kV德陽換流站、800 kV復龍換流站模擬量輸出型直流互感器的現場試驗，并對模擬量輸出型直流電壓互感器的誤差特性進行了分析。

隨著智能電網、柔性直流輸電等新技術的不斷推動[4?6]，新建直流工程大多采用數字量輸出型直流電壓互感器。與模擬量輸出型相比，數字量輸出型直流電壓互感器不僅輸出信號的型式不同，且結構也存在差異。因此，需要采用不同的校準方法，誤差特性也不盡相同。

目前，針對數字量輸出型直流電壓互感器現場校準技術的研究較少，但針對數字量輸出型直流電流互感器的相關研究則較多，有一定的借鑒意義。文獻[7]調研了直流電流互感器的運行狀況和現場校準現狀，并提出了新的直流電流互感器現場校準方法；文獻[8]針對直流電流互感器的現場校準方法和設備缺乏嚴密論證的問題，開展了現場校準設備的抗干擾研究；文獻[9]提出了一種基于模塊交錯并聯的暫穩態控制和變壓器一體化設計，開展了外置式高穩定度直流標準試驗電源以及直流互感器數字校驗儀的研制。

以上研究的側重點在校準方法研究和校驗設備研制上，并未開展數字量輸出型直流電壓互感器的現場校準試驗，缺少現場校準試驗數據及相關誤差特性分析。因此，對數字量輸出型直流電壓互感器的實際誤差情況及其誤差特性缺乏了解，亟待開展相關方面的研究工作為后續的工程實踐等提供參考。

本文根據數字量輸出型直流電壓互感器的典型結構，建立了誤差分析模型，介紹了適用于數字量輸出型直流電壓互感器的現場校準試驗方法。同時建立了相應的現場校準試驗平臺，從而完成了舟衢站直流側負極線上數字量輸出型直流電壓互感器的現場校準試驗，獲得了掛網運行的數字量輸出型直流電壓互感器的實際誤差情況，并根據校準數據詳細分析了誤差特性。

1 典型結構與誤差分析模型

1.1 數字量輸出型直流電壓互感器的典型結構

數字量輸出型直流電壓互感器主要由分壓器、電阻盒、遠端模塊、光纜及合并單元組成[10]，典型結構見圖1。

分壓器采用一次阻容分壓器，主要作用是將直流高電壓轉換為直流低電壓。電阻盒內是多個阻容分壓電路的并聯，主要作用是對分壓器輸出的信號進行二次分壓，并實現多路獨立信號輸出。電阻盒的每個獨立輸出信號連接一個遠端模塊，從而使多個遠端模塊的采樣信號相對獨立、互不影響。遠端模塊的主要作用是，將電阻盒輸出的模擬電信號轉換成數字光信號。合并單元置于控制室內，主要作用是接收并處理遠端模塊發送的數據，并將測量數據按規定的協議輸出給直流控制保護系統使用。endprint

1.2 誤差分析模型

為了滿足備用冗余的要求，直流電壓互感器輸出為多路獨立測量信號。

一次阻容分壓器的誤差主要包括電阻阻值不準引起的誤差、工作在高電壓時電阻自熱導致阻值變化引起的誤差、高電壓下的電暈電流和泄露電流引起的誤差以及環境溫濕度變化所引起的誤差等。

二次阻容分壓單元一般工作在低電壓等級，誤差主要包括電阻阻值不準引起的誤差、環境溫濕度變化引起的誤差、遠端模塊輸入阻抗引入的誤差等。

遠端模塊的誤差主要包括A/D轉換過程中的量化誤差。

2 現場校準試驗

2.1 現場校準試驗方法

數字量輸出型直流電壓互感器現場校準試驗原理如圖2所示。圖中，直流電壓源、直流電壓標準器、直流誤差校驗系統與被校直流電壓互感器中的阻容分壓器位于直流場中，被校直流電壓互感器中的合并單元位于控制室內。

直流電壓源在直流電壓標準器和被校直流電壓互感器的阻容分壓器上施加直流高電壓。直流誤差校驗系統測量直流電壓標準器的二次輸出電壓，解析被校直流電壓互感器的一次電壓測量值，并計算校準結果。

式中：ε為被校直流電壓互感器的基本誤差；[Ux]為被校直流電壓互感器的一次電壓測量值；[K0]為直流電壓標準器的標稱分壓比；[u0]為直流電壓標準器的二次輸出電壓。

2.2 現場校準試驗平臺

數字量輸出型直流電壓互感器現場校準試驗平臺包括：直流電壓源、直流電壓標準器、直流誤差校驗系統。本文所用的直流電壓源，額定電壓為300 kV，穩定度為每小時0.05%。采用同步方式校準0.2級直流電壓互感器時，可忽略電源穩定度對校驗結果的影響。目前，直流電壓比例標準的電壓等級已達到1 000 kV。本文所用直流電壓標準器的額定電壓為300 kV，標稱分壓比為[1051]，準確度等級為0.05級。采用該標準器校準0.2級直流電壓互感器時，可以忽略標準器誤差的影響。直流誤差校驗系統由標準采集模塊、協議轉換模塊、同步時鐘裝置和上位機組成，工作原理如圖3所示。

直流誤差校驗系統的準確度，取決于標準采集模塊的準確度。本文采用6位半數字萬用表作為標準采集模塊，在0.2～2 V直流電壓范圍內，測量準確度優于0.01%；在校準0.2級直流電壓互感器時，可以忽略直流誤差校驗系統的測量誤差。

3 現場校準結果與分析

3.1 基本誤差

舟山五端柔性直流輸電系統中各換流站的直流側，均采用數字量輸出型直流電壓互感器，額定電壓為200 kV，準確度等級為0.2級，輸出信號為滿足FT3協議的數字光信號。這些數字量輸出型直流電壓互感器，均為同一廠家生產的同一型號產品，誤差特性基本相同。同時考慮到系統停電檢修時間短、任務重。因此，本文僅對舟衢站直流側負極線上的數字量輸出型直流電壓互感器進行現場校準。

被校直流電壓互感器包括兩個合并單元，分別位于控制柜A和控制柜B中，每個合并單元輸出的FT3數據中，均包含兩組一次直流電壓測量值，分別記為1通道和2通道。因此，被校直流電壓互感器的一次直流電壓測量值共有4組，分別記為A柜1通道、A柜2通道、B柜1通道、B柜2通道。

在10%，20%，50%，80%和100%額定電壓下，分別對直流電壓互感器的四組測量值進行校準，基本誤差曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，同一臺直流電壓互感器輸出的4組測量值，基本誤差并不相同。這是因為直流電壓互感器的準確度，不僅受一次阻容分壓器的準確度影響，且還受二次阻容分壓單元與遠端模塊的準確度影響；除A柜2通道外，其余三組測量值的基本誤差在10%～100%額定電壓范圍內，均滿足0.2級要求；A柜2通道的測量值，在10%～50%額定電壓范圍內，誤差超過了0.2級的限值要求，超差最嚴重的出現在20 kV時，基本誤差為-0.29%；相同合并單元不同通道的測量值，雖基本誤差的大小不同，但曲線形狀基本相同；不同合并單元的測量值，不僅基本誤差的大小不同，且曲線形狀也不同。在10%～100%額定電壓范圍內，4組測量值基本誤差的線性度如表1所示。

從表1可以看出，4組測量值基本誤差的線性度在0.1%～0.2%范圍；基本誤差的極值一般出現在最高或最低電壓附近；A柜2通道的測量值雖超差，但線性度為0.15%。因此，可通過誤差修正的方式，使A柜2通道的測量值滿足0.2級準確度的要求。

值得注意的是，相對于0.2級準確度而言，被校直流電壓互感器的線性度偏大，且直流互感器由于包含大量電子器件，長期穩定性較差。為了保證直流電壓互感器經過長期運行，仍滿足0.2級準確度的要求，建議對直流電壓互感器開展周期性校準。

3.2 升降變差和短時穩定性

一次阻容分壓器工作在直流高電壓下，是直流電壓互感器的一次傳感部分，其溫度特性決定了直流電壓互感器的測量性能。

試驗電壓從20 kV升至200 kV再降至20 kV過程中，測量被校直流電壓互感器4組測量值為20 kV，40 kV，100 kV和160 kV。電壓下降時相對于電壓上升時的誤差變化量如表2所示。試驗電壓的升高過程就是分壓器內部的加熱過程，試驗電壓的下降過程則是分壓器內部的散熱過程。因此，直流電壓互感器的升降變差，能夠反映一次阻容分壓器的溫度特性。

從表2可以看出，被校直流電壓互感器四組測量值的升降變差，在40 kV，100 kV，160 kV時不超過0.02%，在20 kV時略高。這是因為在實際測量中，升降變差不僅由上升、下降過程中一次阻容分壓器的分壓比變化引起，且由兩次測量結果的分散性引起。在20 kV時，由于測量信號較低，易受噪聲、零點漂移等影響，導致測量分散性增大。從40 kV，100 kV，160 kV的測量結果來看，被校直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。在200 kV額定電壓下，測量A柜1通道和A柜2通道的基本誤差，共測量120個點，測量間隔時間為1 s，短時穩定性測量結果如圖5所示。持續施加額定電壓時，分壓器內部溫度將逐漸升高，直至達到熱平衡狀態。因此，被校直流電壓互感器的短時穩定性，也能反映一次阻容分壓器的溫度特性。endprint

從圖5中的測量點分布可以看出，A柜1通道的分散性優于A柜2通道。從圖5中的趨勢線還可看出，在分壓器內部溫度逐漸升高的過程中，A柜1通道和A柜2通道的基本誤差在10?4數量級上無明顯增大或減小的趨勢。這進一步說明，被校直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。

3.3 零點修正

當試驗電源的輸出電壓為零時，直流電壓標準器測得一次直流電壓小于0.1 V，被校直流電壓互感器的4組測量值均有明顯零點漂移現象。其中，B柜1通道測得一次直流電壓約為-18 V，對B柜1通道進行零點修正，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，經過零點修正后，B柜1通道的線性度從0.15%變為0.07%，線性度優化了0.08%。

不同電壓時，零點修正對被校直流電壓互感器準確度的影響量如表3所示。其中，表中的影響量等于修正后的基本誤差減去修正前的基本誤差。

從表3可以看出，電壓越低零點修正對被校直流電壓互感器測量結果的影響越大，20 kV下的影響量達到了-0.1%，200 kV下的影響量僅-0.01%。

4 結 語

同一臺數字量輸出型直流電壓互感器輸出的四路測量信號，基本誤差并不相同。其中，A柜2通道超差，誤差最差為-0.29%，但通過誤差修正可以滿足0.2級要求。被校數字量輸出型直流電壓互感器的線性度為0.1%～0.2%。相對于0.2級準確度而言，線性度偏大，且直流互感器由于包含大量電子器件，長期穩定性較差。因此，為了在長期運行后仍滿足0.2級準確度的要求，需要開展周期性校準。被校數字量輸出型直流電壓互感器的升降變差和短時穩定性均在10-4數量級，說明被校數字量輸出型直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。被校數字量輸出型直流電壓互感器存在零點漂移現象，對測量結果進行零點修正后，線性度優化了0.08%，10%額定電壓下的測量準確度提高了0.1%?？梢姡泓c漂移是影響數字量輸出型直流電壓互感器線性度和低電壓下測量準確度的重要因素。

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