一種直流電流互感器階躍響應校驗系統*

聶琪，胡浩亮，李登云，劉博陽，李鶴，熊前柱

(1.中國電力科學研究院，武漢 430074；2.北京世維通光智能科技有限公司，北京065201)

0 引 言

在我國“西電東送、南北互供、全國聯網”的能源和電力工業建設基本戰略的實施中，高壓直流輸電具有更加廣闊的應用前景。高壓直流輸電技術因具有遠距離、大容量、無同步問題等優點而廣泛使用[1-4]。尤其是柔性直流輸電技術的大力發展，控制保護系統對直流互感器的寬頻測量準確度、階躍動態響應提出了更高的要求，特別是對故障情況下暫態電壓電流進行快速響應[5-6]。

直流互感器作為直流輸電系統控制保護的關鍵設備，直流互感器的暫態特性直接影響電網的安全穩定運行，開展直流互感器的暫態特性試驗，能有效提高對直流互感器性能的甄別能力，確保直流輸電系統的安全穩定運行[7-8]。

國家標準GB/T 26216-2010對直流電流互感器暫態特性的階躍響應特性和頻率響應特性提出了明確要求，但由于缺乏相關檢測試驗的方法和設備，國內很少進行直流電流互感器的暫態特性試驗，直流電流互感器階躍響應校驗方面研究現狀更是不容樂觀。國內學者針對交流電子式互感器暫態特性校驗進行了大量研究[9-12]，但針對直流互感器暫態特性校驗方面的研究相對較少，文獻[13]在現場試驗中利用暫態可控電流源和示波器方式對直流互感器暫態階躍響應時間進行校驗。文獻[14]通過建立直流比較儀的傳遞函數模型對直流比較儀的傳變特性進行了試驗驗證。

本文基于重采樣技術和LabVIEW儀器測量技術，研究了一種直流電流互感器階躍響應校驗系統，針對某廠家的全光纖電子式直流電流互感器的階躍響應特性進行校驗，結果表明該校驗方法能夠準確測量直流電子式電流互感器階躍響應延遲時間和上升/下降時間等參數。

1 直流電流互感器階躍響應校驗方法研究

直流電流互感器階躍響應校驗中主要測量的參數為階躍響應延遲時間和階躍響應上升/下降時間。直流互感器作為一種特殊的電子式互感器[15]，在階躍特性試驗方法方面值得借鑒。有學者針對電子式互感器的延遲時間和測量方法進行相關研究[16-17]，目前直流互感器穩態校驗技術相對成熟一些，積累了諸多成果[18-20]，而階躍響應校驗的研究相對較少。直流電流互感器階躍響應校驗與穩態校驗的不同點在于： 1)階躍響應校驗需要用到階躍電流源，其技術門檻要比穩態直流源高；2)采樣率要求更高，以保證階躍響應校驗的準確性和可靠性；3)同步性要求更嚴格，時鐘同步精度更高。

根據國標要求，直流電流互感器階躍試驗時需要進行0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.的階躍試驗，即額定電流的0%到10%階躍試驗。因此本文采用信號發生器和跨導放大器組合的方式，提供連續的方波電流源用于階躍響應校驗。

針對模擬量輸出或是數字量輸出直流電流互感器，在階躍響應校驗時均是針對離散的數字量進行處理，校驗結果與試品或者校驗系統的采樣率有很大關系。針對模擬量輸出直流電流互感器，可以采用傳統的示波器錄波方式測量其階躍響應特性，而對于數字量輸出的電子式直流電流互感器，傳統的校驗方法已經不再適用，其二次輸出數據為離散的數字量，當試品采樣率不足的情況下，在計算階躍響應延遲時間和上升/下降時間時引入的不確定性因素較大，計算結果復現性差。解決方法有兩種：一是提高試品的采樣率，這顯然不現實；二是在試品采樣率固定的情況下，采取重采樣技術，等效于提高試品采樣率，減小采樣點時間間隔引入的不確定度，從而提高測量精度和穩定性。重采樣實現原理如圖1所示。

圖1(a)中為重采樣前單個上升沿采樣數據，圖1(b)中將多個上升沿采樣數據映射到同一時間段，圖1(c)中為重采樣后的上升沿數據，通過重采樣后，等效提高了試品采樣率，在校驗階躍響應特性參數時可以降低采樣率不足引入的不確定性因素影響，使校驗結果更準確可靠。標準側采樣可使用高精度高采樣率的采集模塊對標準側電流信號進行采集，以保證標準側測量數據的準確性和穩定性。本文采用的高速采集卡采樣率最高達12 MHz，采樣分辨率為16位到24位，以保證滿足高采樣率要求。

圖1 重采樣技術原理

在時鐘同步方面，考慮到階躍響應校驗中時鐘同步的高精度要求，采用基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)的SOPC (System-On-a-Programmable-Chip)技術，利用Nios軟核處理器為核心，可以實現高精度時鐘同步、分頻和授時功能，滿足嚴格的時鐘同步要求。

2 直流電流互感器階躍響應校驗方案

2.1 階躍響應校驗系統設計

直流電流互感器階躍響應校驗方案如圖2所示，可對模擬量輸出和數字量輸出直流互感器進行階躍響應校驗。采用信號發生器和跨導放大器組合作為階躍電流源，用于給被測直流互感器和標準直流電流互感器提供一次方波階躍電流，頻率設置為50 Hz，通過線圈配件可達到6 000 A大電流輸出，跨導放大器的頻率范圍達10 kHz，輸出相位準確度為0.006°，能夠滿足直流互感器校驗需求。

模擬量校驗時，被測直流互感器和標準直流互感器輸出的模擬信號輸入到高速采集卡進行采樣，然后通過數字校驗系統進行校驗。數字量校驗時，被測直流互感器輸出FT3協議報文，報文解析裝置將試品輸出的FT3數字報文解析得到試品測量信號，并通過以太網輸入數字校驗系統進行處理，標準側直流互感器輸出的模擬量經過高速采集卡采樣后輸入到數字校驗系統進行校驗。

高速采集卡采用國外某公司的PXI-5922采集卡，采樣率設置為2 MHz，采樣分辨率為16位，柔性直流互感器采樣頻率50 kHz～100 kHz，能夠滿足直流互感器高速采樣需求。

圖2 直流電流互感器階躍響應校驗方案

標準直流互感器采用國外某公司生產的A40B系列分流器，具體型號為A40B-100A，該分流器的直流電流測量不確定度為15×10-6，相位偏移為0.001°。

信號發生器設置方波信號源的上升/下降時間為20 μs，占空比為50%，利用傳統的示波器錄波方式測得信號發生器和標準器的輸出如圖3所示，跨導放大器和標準器帶來的階躍延遲誤差約為1 μs，上升/下降時間約為1.5 μs左右，滿足直流互感器階躍響應校驗需求。

圖3 標準器階躍響應特性

時鐘同步裝置用于試品側和標準側數據采集的同步，同步信號的頻率和占空比可調，輸出信號的上升沿和下降沿時間均小于300 ns，正反向輸出信號相位誤差小于10 ns。

校驗方案中數字校驗系統基于LabVIEW平臺開發，用于階躍響應校驗數據處理及校驗算法實現，該數字校驗系統上位機界面如圖4所示。

圖4 階躍響應校驗系統

2.2 階躍響應特性測量

階躍響應延遲時間的計算，首先必須實現試品與標準側數據采集的完全同步，其次是采集的數據需要有時標信號，最后根據時標和數據計算試品階躍響應時間。

使用高速采集卡測量標準電流波形，以標準電流上升到實際最大電流50%的時間作為起始時間，為提高精度，可以通過插值算法計算50%點的準確時間。使用校驗系統監測試品輸出報文，按照收到報文包頭的時間作為采樣時間，對試品輸出數據進行插值，求出上升到實際最大電流50%點的準確時間，作為結束時間。使用插值法有以下注意事項：

1)使用插值法計算試品上升到50%時間有個前提條件是電流源上升時間不小于2倍采樣周期，否則無法保證插值正確性。

2)當高速采集卡與報文解析裝置不是嚴格的同步采樣時，兩個秒脈沖之間的采樣點的偏移累計誤差會逐漸增大，直到下一個秒脈沖到來為止，因此測量延遲最好只用第一個跳變沿，避免累計誤差的影響。

在高速采集卡與報文解析裝置嚴格同步的前提下，可以通過重采樣技術等效提高試品采樣率，回避電流源上升時間不小于2倍采樣周期的限制。

重采樣的方法是指：在高速采集卡與校驗儀時鐘嚴格同步的條件下，以標準通道經過50%的時刻為參考點，將多次跳變的試品采樣點按照與參考點的時間差，重疊在一起(繪制到同一張波形圖上)，相當于等效提高試品的采樣率，解決試品采樣率過低導致的測量精度不高，測量結果重現性不好的問題。

圖5為階躍響應延遲時間測量原理，圖6為階躍響應延遲時間的LabVIEW算法實現。

圖5中紅線和藍色曲線分別為標準采樣序列和試品采樣序列的擬合曲線，實際由多個離散采樣點組成。標準采樣序列和試品采樣序列平均值分別為y0、，對應的時間假設分別為t0、。通過LabVIEW軟件可求取出采樣序列均值前后兩個采樣點的幅值和時間，標準采樣序列均值前后兩個采樣點分別為(y1，t1)和(y2，t2)，試品采樣序列均值前后兩個采樣點分別為(y1′，t1′)和(y2′，t2′)，標準和試品采樣間隔分別為和。假設標準采樣序列和試品采樣序列曲線在上升沿50%位置處近

似為直線，即斜率不變。根據公式(1)和(2)可計算出標準和試品采樣序列在上升沿50%處的時間。

圖5 延遲時間測量原理

圖6 階躍響應延遲時間LabVIEW程序

圖7 階躍響應上升/下降時間LabVIEW程序

(1)

(2)

其中Δt=1/f0，Δt′=1/f0′，f0和f0′分別為標準和試品采樣頻率。

根據上述公式即可求出試品的階躍響應延遲時間tD為：

tD=t0′-t0

(3)

圖7為階躍響應上升/下降時間的LabVIEW算法實現。

在計算階躍響應上升/下降時間時，首先采用重采樣技術對試品采樣序列進行處理，然后根據式(2)計算出試品采樣序列在上升沿10%和90%處的時間，然后計算兩者的時間差即可得到試品階躍響應上升/下降時間。

3 階躍響應校驗試驗

本文利用直流電流互感器階躍響應校驗系統，針對某廠家的全光纖電子式直流電流互感器的階躍響應特性進行校驗，試品由光纖傳感單元和采集單元組成，其額定電流為3 000 A，采樣率為100 kHz。階躍響應校驗試驗時，施加幅值為300 A的一次方波階躍電流，測量試品在0 p.u.～0.1 p.u.和0.1 p.u～0 p.u.下的階躍延遲時間和上升下降沿時間。標準和試品電流波形如圖8所示(外圍紅色曲線為試品電流小型，中間白色曲線為標準電流波形)。利用重采樣技術對圖8中試品采樣波形進行處理，處理結果如圖9所示。

圖8 標準和試品階躍響應采樣波形

圖9 試品重采樣波形

圖9(a)中將試品多個上升沿采樣數據映射到同一時間段，圖9(b)中為重采樣處理后的上升沿波形，等效提高試品采樣率。

圖10和圖11分別為試品上升和下降沿的階躍延遲時間。由測量結果可知，試品階躍延遲時間基本在15 μs～20 μs范圍內波動，最大的階躍延遲時間不超過20 μs，試驗結果與實際情況基本相符。

圖10 上升階躍延遲時間

圖11 下降階躍延遲時間

圖12和圖13為試品階躍響應上升和下降時間。試驗結果顯示，試品階躍響應上升時間在17 μs ～26 μs范圍，階躍響應下降時間在17 μs ～29 μs范圍，最大的上升下降時間不超過30us。試驗結果中部分測量結果小于20 μs，因為本試驗在額定電流10%的階躍電流下進行，電流信號中噪聲相對比較大，在計算上升或下降沿10%和90%的時間時容易引入較大的不確定性因素，因此該試驗結果中的上升和下降時間實際是在15%～85%區間測量得到。此外，使用插值算法計算上升或下降沿15%和85%時間也會引入一定的誤差。

圖12 試品上升時間

圖13 試品下降時間

4 結束語

本文在分析直流互感器穩態校驗技術和暫態階躍響應校驗特征的基礎上，提出一種基于重采樣技術和LabVIEW測量技術直流互感器階躍響應校驗方案，設計了直流互感器階躍響應校驗系統，并通過試驗進行驗證，得到以下結論：

1)階躍電流源采用信號發生器和跨導放大器組合的方案，提供階躍響應校驗的一次連續方波電流，方波源的頻率、占空比和上升下降時間可調，試驗結果表明，該階躍電源方案可用于直流互感器階躍響應校驗；

2)針對階躍響應校驗中試品采樣率低的問題，利用重采樣技術，等效提高試品采樣率，降低階躍響應校驗中處理離散數字信號時引入的不確定性誤差；

3)對全光纖電子式直流電流互感器進行階躍響應試驗，試驗結果表明該校驗系統能夠對直流互感器的階躍延遲時間和上升/下降時間進行校驗，具備直流互感器階躍響應校驗能力。