電子式電流互感器傳變延時測試方法研究

余　越，李巖軍，詹智華，李　睿

（1.電網安全與節能國家重點實驗室（中國電力科學研究院有限公司），北京市海淀區 100192；2.國網江西省電力有限公司，江西南昌 330077）

0　前言

電子式互感器作為智能變電站的重要設備之一，負責將一次側的模擬量信號轉換為數字量信號給二次側的保護控制和測量設備，其對信息采集的準確性直接關系到變電站的安全與穩定，電子式互感器對信號的測量準確性主要包含2個方面——幅值和相位[1]。幅值的精度由電子式互感器的硬件變比決定，在工程中容易實現和處理，而相位的精度不僅與電子式互感器系統的硬件結構密切相關，還與系統內軟件處理相關，較為復雜，不易測定。而電子式電流互感器輸入輸出的相位差最直觀的反應就是傳變延時。

傳變延時測量的準確性直接影響到合并單元對信號相位的補償和傳輸到保護測量裝置的信號的相位精度，不準確的傳變延時極易引起保護的誤動，對變電站安全造成重大影響，同時也會影響電流測量的準確性。因此對電子式互感器傳變延時的測量至關重要。目前國內針對電子式互感器的延時時間測試只是穩態下的測試，以穩態延時指標代替暫態指標，沒有一套完善的針對電子式互感器暫態傳變延時的測試系統[2-3]，為工程應用帶來一定的安全隱患。

1　電子式電流互感器傳變延時產生的原因

電子式電流互感器傳變延時的組成如圖1所示。

圖1　電子式電流互感器絕對延時組成示意圖

根據IEC標準，電子式互感器的延時為一次端子某一模擬量出現瞬間時刻與所對應的二次轉化器輸出數字量的傳輸起始瞬時時刻時間差，電子式互感器的傳變延時定義為額定輸入信號下的延時[4]。所以相位差φ由兩部分組成，互感器系統的相位偏移φ0和由信號延時引起的位移φd：

相位偏移φ0主要由互感器的測量原理決定，如Rogowski線圈原理電子式電流互感器中含有積分器和低通濾波器等信號處理電路引起的相位偏移，可由系統的參數計算得到；而主要由電子式互感器系統的硬件和軟件對信號處理延時決定，包括對模擬量的采樣延時，系統的傳輸延時，MU的對數字量接收、轉換、處理的延時等。

在相位差φ中由信號處理中的絕對延時造成的φd占主要部分，也是測量的主要對象，同時因φd受到系統的硬件性能，周圍環境，軟件處理時間不確定，模擬量輸入、數字量輸出等多方面復雜因素的影響，無法簡單通過施加穩態額定電流的方法進行傳變延時測量，而傳變延時測量的偏差，將導致合并單元不能準確的對因延時引起的相位偏差進行補償，引起輸出信號相位偏移。國家電網公司在《Q/GDW 441—2010智能變電站繼電保護技術規范》中規范了電子式互感器的傳輸延時時間不大于2 ms[5]。因此電子式電流互感器系統傳變延時的準確測量對變電站保護和測量系統都極為重要，一直以來都受到電力科研工作者的廣為關注。

2　電子式電流互感器傳變延時的測量方法

本文設計了基于動態模擬系統的電子式電流互感器延時測量方法，并可通過同一測試方法，實現對電子式電流互感器穩態延時及暫態延時的測定，無需更換和另行設計。這種電子式電流互感器傳變延時的測量方法，利用動態模擬系統中發生故障后產生的實際穩態及暫態電流對電子式電流互感器的傳變延時進行測量，模擬電子式電流互感器的現場應用環境，能夠修正各環節的測量誤差，為準確測量電子式電流互感器傳變延時提供了科學的方法，減少電網系統的安全隱患，并為智能變電站繼電保護裝置動作時間的研究提供了數據基礎。

如圖2所示，電子式電流互感器傳變延時的測量系統包括以下3個部分：

1）生成一次穩態及暫態電流的動態模擬系統；

2）測量部分；

3）用于記錄穩態及暫態電流的數模混合式故障錄波裝置。

圖2　電子式電流互感器傳變延時測量系統的連接示意圖

測量部分包括被測量、修正量及標準量3個部分，且3個量通過串接入同一個一次暫態電流的不同電流互感器獲得。標準量采用電磁式電流互感器1將一次暫態電流轉化為二次模擬量，并通過電纜直聯傳輸至故障錄波器。修正量采用電磁式互感器2將一次暫態電流轉化為二次模擬量，然后經額定延時為△t2的標準模擬量合并單元轉換為數字量信號后，通過光纖傳輸至故障錄波器。被測量采用電子式電流互感器將一次暫態電流轉化為二次數字量，然后經額定延時為△t1的標準光信號合并單元合并后，通過光纖傳輸至故障錄波器。修正量用以修正合并單元至數模混合式故障錄波器的傳輸及信號處理環節所產生的測量誤差。

測量部分通過外部標準時鐘源對標準光信號合并單元、標準模擬量合并單元及數模混合故障錄波器進行同步對時，消除不同設備間的對時誤差。

在電纜及光纖直聯方式下，數模混合式故障錄波器采用點對點同步方式，即將修正量及被測量減去各自合并單元上送的額定延時后，再與標準量進行對齊。

具體實施步驟如下：

1）建立動態模擬系統，在系統中模擬系統正常輸送負荷及系統故障，分別產生一次穩態及故障暫態電流；

2）在動態模擬系統中依次串入電磁式互感器1、電磁式互感器2及電子式電流互感器，用于將同一個一次電流分別傳變到二次側；

3）通過額定延時為△t1的標準光信號合并單元將電子式電流互感器輸出的二次信號合并為數字信號，通過光纖傳輸至數模混合故障錄波器，作為被測量；

4）通過額定延時為△t2的標準模擬量合并單元將電磁式互感器輸出的二次電流模擬量轉換為數字量，通過光纖傳輸至數模混合故障錄波器，作為修正量；

5）通過電磁式互感器將一次暫態電流轉化為二次模擬量，通過電纜直聯傳輸至數模混合故障錄波器，作為標準量；

6）通過外部標準時鐘源GPS對標準光信號合并單元、標準模擬量合并單元及數模混合故障錄波器進行同步對時；

7）在系統正常輸送負荷情況下，為最大限度地避免錄波器零漂帶來的影響，分別記錄被測量電子式電流互感器穩態電流峰值時刻ts1，修正量電磁式互感器經標準模擬量合并單元故障電流突變的時刻ts2，標準量電磁式互感器故障電流突變的時刻ts0。

合并單元至數模混合式錄波器的光纖輸送及處理時延為：

電子式電流互感器穩態絕對傳變延時為：8）在系統發生故障的情況下，為最大限度地避免錄波器零漂帶來的影響，分別記錄故障錄波器顯示的被測量電子式電流互感器故障電流第一個峰值的時刻tf1，修正量電磁式互感器經標準模擬量合并單元故障電流第一個峰值的時刻tf2，標準量電磁式互感器故障電流第一個峰值的時刻tf0，同理，電子式電流互感器暫態絕對傳變延時為：

3　誤差因素分析及消除

本系統屬于時間值測量，涉及到標準量和被測量的時標信息、波形信息（包括頻率、幅值和相位信息）的提取，對時鐘信號、時序控制的要求很高，這需要基于一個穩定精確的基礎時鐘信號。采樣時鐘信號抖動造成的孔徑延時和孔徑抖動，會帶來標準量信號信息精度降低。對被測量標定時標時，基準時間不準確、MAC層時序不穩定、程序中斷或任務響應時間不確定，都會造成數字量時標精度降低。為此，采用高精度的GPS時鐘信號，提高對時環節和數字量接收環節在時域上的時間精度。

采用數模混合式故障錄波器接收測試系統中的被測量、標準量及修正量，能夠最大限度的減少不同故障錄波器之間信號處理方式及對時差異所帶來的測量誤差。同時，即使是同一臺故障錄波器，數字量及模擬量輸入信號也會采用不同的處理路徑，因此，利用修正量來測定合并單元輸出的數字量信號與模擬量信號之間的采樣值傳輸延時，并對電子式電流互感器的傳變延時進行修正。

由于存在采樣及讀數誤差，應重復測試四次以上，取各次測量結果的平均值。

4　測試結果

4.1　穩態傳變延時測試結果

分別在電子式電流互感器流過額定電流及輕載情況下，測量電子式電流互感器穩態傳變延時。測試中使用的光信號合并單元的額定延時△t1=1 000 us，模擬量合并單元的額定延時△t2=558 us。

1）輕載情況下的穩態傳變延時。

由于故障錄波器會對異步采樣的不同通道使用插值算法處理后，在波形上進行對齊，因此為了得到更準確的傳變延時，我們還需要對兩路合并單元所送的數據報文時刻進行分析。輕載情況下，極大值點和極小值點的采樣時刻分析如表1、2所示。其中原始時標為錄波器收到信號的時刻，采樣時刻為原始時標減去額定延時后的時刻ts，也即為用于描繪錄波圖的時刻。

表1　輕載情況下極大值點采樣時刻

表2　輕載情況下極小值點采樣時刻

由表1及式（3）可得到電子式電流互感器的穩態傳變延時為：

由表2及式（3）可得到電子式電流互感器的穩態傳變延時為：

2）額定電流情況下的穩態傳變延時。

額定情況下，極大值點和極小值點的采樣時刻分析如表3及表4所示。

表3　額定情況下極大值點采樣時刻

表4　額定情況下極小值點采樣時刻

由表3及式（3）可得到電子式電流互感器的穩態傳變延時為：

由表4及式（3）可得到電子式電流互感器的穩態傳變延時為：

對上述4個測定值取平均，可得到電子式電流互感器的穩態絕對傳變延時：

由上述穩態傳變延時的測量結果可知，不論是電子式電流互感器流過額定電流還是輕載電流，其穩態傳變延時均較為穩定且滿足標準要求。

4.2　暫態傳變延時測試結果

分別模擬線路上發生單相接地、兩相短路、兩相接地及三相短路故障，分別記錄被測量、修正量及標準量的故障電流達到第一個峰值的時刻。

1）單相接地故障下的暫態傳變延時。

單相接地故障（AN）下，故障電流達到第一個峰值的采樣時刻分析如表5所示。

表5　單相接地故障下故障電流達到第一個峰值的采樣時刻

由表5及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態傳變延時為：

2）兩相短路故障下的暫態傳變延時。

兩相短路故障（AB）下，A相故障電流達到第一個峰值的采樣時刻分析如表6所示。

表6　兩相短路故障下故障電流達到第一個峰值的采樣時刻

由表6及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態傳變延時為：

3）兩相短路接地故障下的暫態傳變延時。

兩相短路接地故障（ABN）下，故障電流達到第一個峰值的采樣時刻分析如表7所示。

表7　兩相接地故障下故障電流達到第一個峰值的采樣時刻

由表7及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態傳變延時為：

4）三相短路故障下的暫態傳變延時。

三相短路故障（ABC）下，故障電流達到第一個峰值的采樣時刻分析如表8所示。

表8　三相短路故障下故障電流達到第一個峰值的采樣時刻

由表8及式（4）可得到電子式電流互感器的暫態傳變延時為：

對上述4個測定值取平均，可得到電子式電流互感器的穩態絕對傳變延時：

由上述測量結果可知，在故障發生的初始時刻，本次被測羅氏線圈電子式互感器模型的暫態傳變延時與穩態傳變延時并無明顯的數值差別，傳變延時較為穩定且滿足標準要求。測試結果有較好的穩定性與一致性。

5　結束語

本文研究了電子式電流互感器的傳變延時產生的原因，提出了能夠兼顧穩態延時及暫態延時測量的電子式電流互感器傳變延時測試方案。

通過搭建的電子式電流互感器傳變延時測試平臺可較準確地實現對電子式電流互感器穩態及暫態傳變延時的測量。僅在暫態延時的測量結果與穩態延時測量結果大致相等時，才可考慮用穩態延時替代暫態延時。