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(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室（中國電力科學(xué)研究院有限公司），北京市海淀區(qū) 100192；2.國網(wǎng)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(shè)備之一，負(fù)責(zé)將一次側(cè)的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號給二次側(cè)的保護(hù)控制和測量設(shè)備，其對信息采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到變電站的安全與穩(wěn)定，電子式互感器對信號的測量準(zhǔn)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(xiàn)和處理，而相位的精度不僅與電子式互感器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還與系統(tǒng)內(nèi)軟件處理相關(guān)，較為復(fù)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(yīng)就是傳變延時。

傳變延時測量的準(zhǔn)確性直接影響到合并單元對信號相位的補(bǔ)償和傳輸?shù)奖Ｗo(hù)測量裝置的信號的相位精度，不準(zhǔn)確的傳變延時極易引起保護(hù)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(zhǔn)確性。因此對電子式互感器傳變延時的測量至關(guān)重要。目前國內(nèi)針對電子式互感器的延時時間測試只是穩(wěn)態(tài)下的測試，以穩(wěn)態(tài)延時指標(biāo)代替暫態(tài)指標(biāo)，沒有一套完善的針對電子式互感器暫態(tài)傳變延時的測試系統(tǒng)[2-3]，為工程應(yīng)用帶來一定的安全隱患。

1　電子式電流互感器傳變延時產(chǎn)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(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，電子式互感器的延時為一次端子某一模擬量出現(xiàn)瞬間時刻與所對應(yīng)的二次轉(zhuǎn)化器輸出數(shù)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(tǒng)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(tǒng)的參數(shù)計算得到；而主要由電子式互感器系統(tǒng)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(tǒng)的傳輸延時，MU的對數(shù)字量接收、轉(zhuǎn)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(tǒng)的硬件性能，周圍環(huán)境，軟件處理時間不確定，模擬量輸入、數(shù)字量輸出等多方面復(fù)雜因素的影響，無法簡單通過施加穩(wěn)態(tài)額定電流的方法進(jìn)行傳變延時測量，而傳變延時測量的偏差，將導(dǎo)致合并單元不能準(zhǔn)確的對因延時引起的相位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，引起輸出信號相位偏移。國家電網(wǎng)公司在《Q/GDW 441—2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)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(tǒng)傳變延時的準(zhǔn)確測量對變電站保護(hù)和測量系統(tǒng)都極為重要，一直以來都受到電力科研工作者的廣為關(guān)注。

2　電子式電流互感器傳變延時的測量方法

本文設(shè)計了基于動態(tài)模擬系統(tǒng)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(xiàn)對電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)延時及暫態(tài)延時的測定，無需更換和另行設(shè)計。這種電子式電流互感器傳變延時的測量方法，利用動態(tài)模擬系統(tǒng)中發(fā)生故障后產(chǎn)生的實際穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流對電子式電流互感器的傳變延時進(jìn)行測量，模擬電子式電流互感器的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境，能夠修正各環(huán)節(jié)的測量誤差，為準(zhǔn)確測量電子式電流互感器傳變延時提供了科學(xué)的方法，減少電網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患，并為智能變電站繼電保護(hù)裝置動作時間的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

如圖2所示，電子式電流互感器傳變延時的測量系統(tǒng)包括以下3個部分：

1）生成一次穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流的動態(tài)模擬系統(tǒng)；

2）測量部分；

3）用于記錄穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流的數(shù)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(tǒng)的連接示意圖

測量部分包括被測量、修正量及標(biāo)準(zhǔn)量3個部分，且3個量通過串接入同一個一次暫態(tài)電流的不同電流互感器獲得。標(biāo)準(zhǔn)量采用電磁式電流互感器1將一次暫態(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，并通過電纜直聯(lián)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(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，然后經(jīng)額定延時為△t2的標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元轉(zhuǎn)換為數(shù)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(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次數(shù)字量，然后經(jīng)額定延時為△t1的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)模混合式故障錄波器的傳輸及信號處理環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的測量誤差。

測量部分通過外部標(biāo)準(zhǔn)時鐘源對標(biāo)準(zhǔn)光信號合并單元、標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元及數(shù)模混合故障錄波器進(jìn)行同步對時，消除不同設(shè)備間的對時誤差。

在電纜及光纖直聯(lián)方式下，數(shù)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(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行對齊。

具體實施步驟如下：

1）建立動態(tài)模擬系統(tǒng)，在系統(tǒng)中模擬系統(tǒng)正常輸送負(fù)荷及系統(tǒng)故障，分別產(chǎn)生一次穩(wěn)態(tài)及故障暫態(tài)電流；

2）在動態(tài)模擬系統(tǒng)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(cè)；

3）通過額定延時為△t1的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字信號，通過光纖傳輸至數(shù)模混合故障錄波器，作為被測量；

4）通過額定延時為△t2的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過光纖傳輸至數(shù)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(tài)電流轉(zhuǎn)化為二次模擬量，通過電纜直聯(lián)傳輸至數(shù)模混合故障錄波器，作為標(biāo)準(zhǔn)量；

6）通過外部標(biāo)準(zhǔn)時鐘源GPS對標(biāo)準(zhǔn)光信號合并單元、標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元及數(shù)模混合故障錄波器進(jìn)行同步對時；

7）在系統(tǒng)正常輸送負(fù)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(wěn)態(tài)電流峰值時刻ts1，修正量電磁式互感器經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元故障電流突變的時刻ts2，標(biāo)準(zhǔn)量電磁式互感器故障電流突變的時刻ts0。

合并單元至數(shù)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(wěn)態(tài)絕對傳變延時為：8）在系統(tǒng)發(fā)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(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模擬量合并單元故障電流第一個峰值的時刻tf2，標(biāo)準(zhǔn)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(tài)絕對傳變延時為：

3　誤差因素分析及消除

本系統(tǒng)屬于時間值測量，涉及到標(biāo)準(zhǔn)量和被測量的時標(biāo)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(wěn)定精確的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)量信號信息精度降低。對被測量標(biāo)定時標(biāo)時，基準(zhǔn)時間不準(zhǔn)確、MAC層時序不穩(wěn)定、程序中斷或任務(wù)響應(yīng)時間不確定，都會造成數(shù)字量時標(biāo)精度降低。為此，采用高精度的GPS時鐘信號，提高對時環(huán)節(jié)和數(shù)字量接收環(huán)節(jié)在時域上的時間精度。

采用數(shù)模混合式故障錄波器接收測試系統(tǒng)中的被測量、標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)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(jìn)行修正。

由于存在采樣及讀數(shù)誤差，應(yīng)重復(fù)測試四次以上，取各次測量結(jié)果的平均值。

4　測試結(jié)果

4.1　穩(wěn)態(tài)傳變延時測試結(jié)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(jìn)行對齊，因此為了得到更準(zhǔn)確的傳變延時，我們還需要對兩路合并單元所送的數(shù)據(jù)報文時刻進(jìn)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(biāo)為錄波器收到信號的時刻，采樣時刻為原始時標(biāo)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(wěn)態(tài)傳變延時為：

由表2及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)傳變延時為：

2）額定電流情況下的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)傳變延時為：

由表4及式（3）可得到電子式電流互感器的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)絕對傳變延時：

由上述穩(wěn)態(tài)傳變延時的測量結(jié)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(wěn)態(tài)傳變延時均較為穩(wěn)定且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2　暫態(tài)傳變延時測試結(jié)果

分別模擬線路上發(fā)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(biāo)準(zhǔn)量的故障電流達(dá)到第一個峰值的時刻。

1）單相接地故障下的暫態(tài)傳變延時。

單相接地故障（AN）下，故障電流達(dá)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(dá)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(tài)傳變延時為：

2）兩相短路故障下的暫態(tài)傳變延時。

兩相短路故障（AB）下，A相故障電流達(dá)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(dá)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(tài)傳變延時為：

3）兩相短路接地故障下的暫態(tài)傳變延時。

兩相短路接地故障（ABN）下，故障電流達(dá)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(dá)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(tài)傳變延時為：

4）三相短路故障下的暫態(tài)傳變延時。

三相短路故障（ABC）下，故障電流達(dá)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(dá)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(tài)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(wěn)態(tài)絕對傳變延時：

由上述測量結(jié)果可知，在故障發(fā)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(tài)傳變延時與穩(wěn)態(tài)傳變延時并無明顯的數(shù)值差別，傳變延時較為穩(wěn)定且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。測試結(jié)果有較好的穩(wěn)定性與一致性。

5　結(jié)束語

本文研究了電子式電流互感器的傳變延時產(chǎn)生的原因，提出了能夠兼顧穩(wěn)態(tài)延時及暫態(tài)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(zhǔn)確地實現(xiàn)對電子式電流互感器穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)傳變延時的測量。僅在暫態(tài)延時的測量結(jié)果與穩(wěn)態(tài)延時測量結(jié)果大致相等時，才可考慮用穩(wěn)態(tài)延時替代暫態(tài)延時。