基于北斗同步的特高壓直流電流互感器現場校準裝置的設計

程昱舒 韓海安

（國網山西省電力公司計量中心，太原 030032）

為了滿足經濟社會發展對電力資源的需求，同時促進能源的優化配置，我國在“十一五”期間大力開展了特高壓直流輸電技術的研究[1]。該技術在電能傳輸過程中使用交流-直流轉換技術，能夠有效降低遠距離輸電線路的造價，減小電能輸送過程中的損失。目前，我國已建成18項直流輸電工程，輸送容量達4638萬kW，全長為15008km。

在特高壓直流輸電系統中直流電流互感器對線路的控制和保護至關重要，但由于早期重視程度低、研究起步晚，目前直流電流互感器技術尚不成熟[2]。實際工程中一般購買國外產品，且只在出廠時進行校準，為系統穩定運行埋下了隱患。鑒于此，本文設計了一套基于北斗同步技術的特高壓直流電流互感器現場校準裝置。該裝置能夠在現場校準直流電流互感器[3-5]，保證直流輸電系統安全、穩定、經濟的運行。

1 特高壓直流輸電系統概述

特高壓直流輸電系統是以直流電的方式傳輸電能的系統，該系統的始端和末端都為交流電流，中間輸電部分為直流電流。其中，交、直流電流的轉換通過整流站和逆變站來實現。特高壓直流輸電系統整體結構如圖 1所示[6]。直流互感器作為保護和監視輸電系統運行狀態的主要傳感器，對輸電系統的安全、穩定運行提供重要保障。因此，保證特高壓直流電流互感器的準確度對特高壓直流輸電系統的正常運行具有重要意義。本文設計的現場校準裝置能夠滿足直流互感器的現場校準需求。

圖1 特高壓直流輸電系統結構示意圖

2 北斗同步校時系統

鑒于復雜的經濟、政治原因，我國自1992年起才開始研究北斗衛星導航系統[7]，投入了大量的人力與財力，相關技術進步很快，到2013年已正式實現商用，可為亞洲國家提供服務。預計到2020年可具有全球服務能力，授時精度優于20ns[8-10]。

現場校準直流電流互感器時，由于不能確定被校直流電流互感器和標準電流互感器二次輸出位置的距離，所以本設計將直流電流互感器現場校準裝置分為主機和分機兩部分，并用北斗二代-校時系統同步主/分機采樣時間。

3 現場校準方案

被檢直流電流互感器二次輸出為模擬量時，模擬量電壓輸出額定值為4V，數字量輸出時額定值為2D41H。主、分機各至少需要一個模擬量輸入接口和一個數字量輸入接口，現場校準時使用直接校準法進行校準。將標準互感器與被檢互感器連接到同一個回路中，現場校準裝置的分機連接被檢互感器的二次輸出，現場校準裝置的主機連接標準互感器的二次輸出，主、分機間使用北斗/GPS時鐘同步系統對采樣進行同步[11-12]，使用射頻無線通信技術傳輸測量數據。現場校準方案如圖2所示。

圖2 現場校準方案示意圖

4 現場校準裝置溯源方案

4.1 特高壓直流電流互感器二次側輸出為模擬量時溯源方案

特高壓直流電流互感器二次側輸出為模擬量溯源時，溯源方案如圖3所示。用高穩定度標準源輸出模擬標準量，同時使用帶同步采樣觸發的高精度儀表作為標準表，與特高壓直流電流互感器現場校準裝置同步采樣計算誤差，進而對現場校準裝置溯源。標準表使用Agilkent 3458A，其24h精度達到了0.6×10-6[13]，完全滿足標準表的要求。

圖3 模擬量二次輸出溯源方案示意圖

4.2 特高壓直流電流互感器二次側輸出為數字量時溯源方案

圖4 數字量二次輸出溯源方案示意圖

針對二次輸出為數字量的電流互感器，溯源方案如圖4所示。高穩定度標準源輸出數字量，使用兩臺帶同步采樣觸發的高精度儀表作為標準表進行采樣后，一臺將測量值直接參與誤差計算，另一臺將測量值轉換成數字信息后發送給特高壓直流電流互感器現場校準裝置，由其解析后輸出測量值參與誤差計算，進而對現場校準裝置溯源。標準表同樣使用 Agilkent 3458A，其可通過同步時鐘源進行同步采樣觸發。

5 現場校準裝置主/分機設計方案

現場校準裝置主機由模擬量輸入接口、數字量輸入接口、射頻通信模塊、AD采樣電路、協議庫模塊、北斗/GPS衛星同步模塊、DSP、TFT液晶顯示模塊、人機交互模塊等組成。分機同樣設計模擬量輸入接口、數字量輸入接口、射頻通信模塊、AD采樣電路、協議庫模塊、北斗/GPS衛星同步模塊、DSP組成。原理結構如圖5所示。

圖5 現場校準裝置主分機設計方案示意圖

1）射頻通信模塊采用 TI公司最新的 CC110L芯片，該芯片工作在433MHz免費ISM頻段，現場校準裝置分機通過該模塊將編碼處理后的被檢電流互感器二次信號發送給現場校準裝置主機分析誤差。

2）主/分機都使用AD7608芯片，對二次模擬信號進行采樣，該芯片能以200K次/s的速度進行采樣。

3）本設計中需兼容IEC 61850協議和各個廠家的私有協議，因此將協議做成協議庫的方式方便擴展和調用。

4）北斗/GPS衛星同步模塊采用中科微第四代AT6558芯片，支持北斗衛星、GPS等6種衛星導航定位系統，采用 2.7～3.6V電源供電，授時精度小于30ns。現場校準裝置可通過該芯片同步主/分機采用時間。

5）DSP使用ASDP609雙核芯片，每核工作頻率最高可達500MHz，并內置148KB的L1SRAM存儲器，為裝置提供信息處理保障。

6）現場校準裝置主機使用 TFT液晶顯示，提供高分辨率的清晰彩色顯示界面，可進行觸摸輸入，操作便捷。

6 實驗結果

本文設計的現場校準裝置的準確度等級為 0.05級，為檢驗文中設計的現場校準裝置的現場使用性能，選取了北京博電的PDC4000A高精度直流試驗裝置作為高精度直流電流源，可輸出 0～4000A直流電流；選取RITZ Messwandler公司的OSKF-G- 72零磁通直流電流互感器作為被校互感器，準確度等級為0.2S級，額定電流為3000A；選取北京博電公司的標準直流電流互感器作為標準互感器，準確度等級為 0.001級，進行現場校準試驗。現場校準接線如圖 2所示，檢測結果見表 1，記錄了升流和降流過程中校驗點誤差情況。

表1 互感器誤差

計算誤差ε 時，用被校互感器二次側輸出電壓Us乘以其額定變比 Kra與標準互感器一次電流 Ip之差除以標準互感器一次電流值Ip[9]，計算公式為

0.2 S級互感器誤差允許范圍見表2。

表2 誤差允許范圍

升降變差允許范圍：升降變差不超過其誤差限制的1/5[10-11]，文中被校互感器為準確度等級為0.2S級，所以變差不得超過0.04%。

綜上所述，被校電流互感器準確度符合0.2S級標準。

7 結論

針對特高壓直流電流互感器投運期間無法進行校準試驗的問題，本文設計了一套基于北斗同步技術的現場校準裝置。該裝置的設計能夠有效解決直流電流互感器的現場校準問題，為直流輸電系統的安全、穩定、經濟運行提供保障。