基于EMD濾波改進的直流電流互感器現場測試研究

楊朋威，萬全，劉春暉，陳更，許才

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010000）

近年來，高壓直流輸電系統已廣泛投入使用，直流電流互感器作為直流輸電系統測量、保護和控制的核心設備，其在暫穩態工作時的準確性和可靠性在直流輸電系統的安全穩定運行中起到至關重要的作用，因此有必要對直流電流互感器進行現場測試。目前直流電流測量裝置根據其測量原理分為3類：光電式、零磁通式和全光纖式。為了保證直流電流互感器傳變的準確性，需要對其直流測量準確度、頻率響應、階躍響應最大過沖、上升和趨穩時間等關鍵指標進行測試。

針對直流電流互感器現場測試問題，國內外學者進行了相關研究，文獻[1]設計了磁調制式直流電流比較儀，采用光纖同步，有一定的抗現場干擾能力。文獻[2]系統對比了測差法、異地測量等多種現場測試方法的優缺點，但目前直流電流互感器現場測試系統發展尚不完善，存在延時、諧波等造成誤差的情況。文獻[3]采用GPS 實現直流電流互感器的同步測試，但不能測試絕對延時時間。文獻[4]采用小波變換對A/D 采樣后的數據進行處理，提高了電流直流分量的測量精度，但存在小波基的選取困難的問題，還需進行深入研究。

針對當前直流電流互感器現場測試系統存在誤差的問題，本文提出了改進的直流電流互感器現場閉環測試方法，通過加裝高精度同步模塊解決延時同步問題，采用工程應用性較強的經驗模態分解（empirical mode decomposition，EMD）濾除諧波分量，提高了直流電流互感器現場測試系統的測量精度。

1 基本理論

1.1 直流電流互感器延時同步問題

直流電流互感器從一次傳感器獲得模擬信號到通過以太網或FT3輸出數字信號的過程中包括多段延時：一次傳感器存在一次傳變延時；一次傳感器獲得的模擬電壓發送到遠端模塊需要進行數模轉換；遠端模塊通過光纖將數字量電流信號傳遞給合并單元需要進行數據處理幀壓縮，并且數據傳送也存在延時；合并單元接受數據同時進行數據處理多路同步程序調度，然后進行數據發送，通過以太網或FT3輸出，絕對延時時間構成如圖1所示。絕對延時問題是所有設備特別是保護控制系統這種對實時性要求很高的系統設備的關鍵問題之一，因此本文從互感器應用的角度提出了確切的延時時間定義。

圖1 直流電流互感器絕對延時時間構成Fig.1 The absolute delay time composition of DC current transformer

1.2 直流電流互感器閉環測試裝置設計

直流電流互感器閉環測試裝置結構如圖2所示，圖中測試儀的電壓輸入為一次電流的標準輸出，是模擬信號；通過FT3/光ETH 輸入測試儀的信號為被測直流電流互感器傳輸過來的數字量電流信號。標準的模擬信號通過信號調理輸入A/D 模塊將模擬信號轉換成數字信號。標準數字信號和被測數字信號都通過FPGA 進行報文解析，然后將處理后的標準信號和被測信號一同輸入PowerPC 進行數據分析處理，計算被測互感器的直流和諧波準確度。

該測試儀通過高精度同步模塊實現標準源模擬量和被測數字量的同步采集。如圖2 所示，標準的模擬信號在進行模數轉換時就被打上精確的時標，之后標準數字信號和被測數字信號在進行FPGA 報文解析和數據分析處理時也通過同步模塊進行精確的時間標識，即實現了直流電流互感器的實時同步閉環測試。由于在數據接收和處理過程中均對數據進行了精確的時間標識，故在因互感器不同產生傳輸延時和數據處理延時不同的情況下，測試儀均可正確工作。

圖2 直流電流互感器閉環測試裝置系統結構圖Fig.2 Structure of DC current transformer closed-loop test device system

1.3 現場閉環測試系統誤差分析

圖3為現場測試系統簡化模型。

如圖3 所示，一次電流為Is，測試儀的電壓輸入為電流標準器獲得的二次電流Ib經高準確度電流互感器和標準電阻器后獲得的電壓，經FT3/光ETH 輸入測試儀的為被測電流互感器傳來的被測電流Ic，測試儀的輸出為實際誤差εr。實際誤差的表達式為[5]

圖3 現場測試系統簡化模型Fig.3 Simplified model of field test system

式中：εc為被測通道的輸出誤差；εb為標準通道的誤差。

結合圖2、圖3 和式（1）可知，測試系統誤差的組成有3個方面：

1）被測通道引起的誤差εc。由于直流電流源產生的一次電流存在波動性，且電流中含有一定的諧波，尤其在直流系統發生故障時，會產生電流階躍現象，此時電流中會包含大量的諧波分量，導致直流互感器測量時會產生誤差；電流互感器測得的信號通過光纖遠距離傳輸存在延時誤差。

2）標準通道引起的誤差εb。首先，電流標準器的測量精度影響二次電流Ib的準確性，電流標準器的測量精度受工程現場磁場環境、電磁屏蔽等因素的影響；此外，高精確度電流互感器的測量精度和標準電阻器的精確性也是引起標準通道誤差的重要原因；同被測通道一樣，電流階躍產生的諧波分量也會引起標準通道的測量誤差。

3）互感器測試儀內部引起的誤差。該誤差包括A/D 轉換模塊的轉換精度誤差，FPGA 的報文解析誤差，PowerPC進行數據分析處理的誤差。

針對延時產生的誤差，所設計測試系統采用高精度同步模塊，將標準的模擬信號、標準的數字信號及被測數字信號在做相應處理時均進行了精確的時間標識，因此可減小或忽略該誤差的影響。

通過上述誤差分析可以發現，忽略延時產生的誤差后，測試儀內A/D 模塊的轉換精度以及系統發生故障產生電流階躍時的測量精度對直流互感器測試系統的準確度十分重要。對于測試儀內的A/D 模塊，采用高精度A/D 采集和EMD 濾波結合的方法來提高轉換精度，設計相應的階躍源對直流電流互感器進行暫態階躍響應測試，下面對此進行詳細介紹。

1.4 基于高精度A/D采集和EMD的直流分量提取

針對現場測試環境產生的噪聲干擾、電磁干擾使A/D 采樣模塊誤差加大的問題，采用18 位高精度A/D 實現信號采集，并對采樣后的數據進行EMD濾波，提高采樣信號的準確度。

EMD濾波的具體步驟如下：

1）先根據信號的極大值點和極小值點求出其上包絡線和下包絡線的平均值為

式中：v1（t），v2（t）分別為上包絡線和下包絡線。

2）將時域采樣數據s(t)和m的差值記為h，即

3）把h看做新的s(t)，重復步驟1）和2），直到h滿足固有模態函數（intrinsic mode function，IMF）的兩個條件為止，記作：

并將r看做新的s(t)，重復步驟1），2），3），將以后得到的IMF 依次記為c2,c3,…，直到r呈現單調趨勢時停止，于是有：

即把原信號分解為n個IMFc1,c2,…,cn和一個剩余分量r，用流程圖表示如圖4所示。

圖4 EMD分解流程圖Fig.4 The process of EMD decomposition

由于EMD 分解結果中每個固有模態函數的特征時間尺度不是在分解前事先給定的，而是算法根據信號的特征提取的，因此計算的冗余度小、計算效率高。而且由上述的分解計算過程可見，整個經驗模式分解不需要復雜的數學計算，算法容易實現，適用于工程應用[6]。

1.5 階躍源設計

在直流系統遭受擾動或者發生故障時，直流電流會發生階躍現象，產生大量的諧波分量，較穩態運行時更多。因此當直流輸電系統處于此類暫態過程時，要對直流電流互感器的測量精度進行單獨測試。此時測試系統的直流電源要能夠模擬系統暫態過程中產生的階躍電流。本文采用的階躍源系統結構圖如圖5所示。

圖5 直流電流互感器階躍特性仿真階躍源系統結構Fig.5 Step source system structure of DC Current transformer step characteristic simulation

階躍源系統的輸入是由PowerPC生成的階躍電流數字信號。該信號通過D/A模塊轉換成模擬小信號，經大功率線性電源轉換成大的模擬電流。D/A 模塊由平衡轉換模塊和信號處理及檢測模塊組成，信號處理及檢測模塊為具有超低零漂、溫漂的運算放大器。面對電力系統較強的電磁干擾，平衡模塊可以減小運算放大器因干擾產生的共模噪聲。大功率線性電源由功率轉換模塊和箔電阻組成。功率轉換模塊采用MOS 功率器件，箔電阻為低溫漂高精度并且電感特性很弱的檢流電阻。整個階躍源系統還配有過熱過載保護以保證系統安全。

2 實例分析

2.1 工程概況

以某特高壓直流輸電線路上的直流電流互感器為研究對象，該系統的額定電壓為±800 kV，額定電流為6.25 kA，雙極額定輸送功率為10 000 MW，線路全長為1 234 km。送端工作在整流狀態，受端為分層結構，高壓閥接500 kV 交流系統，低壓閥接1 000 kV 交流系統，工作在逆變狀態，系統結構如圖6所示。

圖6 特高壓直流輸電系統結構圖Fig.6 Structure diagram of UHVDC transmission system

所研究直流電流互感器位于直流輸電工程中直流線路上靠近換流閥處，為光電式，它主要由一次傳感器（分流器和羅氏線圈）、遠端模塊、光纖絕緣子以及合并單元組成，如圖7所示[7]。

圖7 光電式直流電流互感器結構圖Fig.7 Structure diagram of photoelectric DC current transformer

2.2 穩態測試

以該特高壓直流輸電線路電流為閉環測試系統的一次電流。被測直流電流互感器的采樣頻率為50 kHz。采用EMD 對A/D 模塊轉換后的數字信號進行分解，得到如圖8所示波形。

圖8 中，i為未經EMD 分解的原始數字信號，IMF1～IMF5為諧波信號分量，其中IMF1分量的頻率最高，后面隨之遞減，即隨著分解層數的增加頻率逐漸下降，ires為經EMD 分解后提取的直流分量，同i相比，提取后直流電流諧波含量大大減少。

圖8 利用EMD提取直流分量Fig.8 Extraction of DC components by EMD

對標準值為6 250 A 的一次電流進行測試。首先用普通的互感器測試系統進行10 次數據測試，得到改進前的電流測量值；再用選取18 位高精度A/D 轉換模塊和EMD 分解改進的互感器測試系統進行10次數據測試，得到改進后的電流測量值。測試結果如表1所示。

表1 直流電流互感器測試系統量測值Tab.1 Measurement of DC current transformer test system

從表1中可以看出，直流電流互感器測試系統改進前出現了6 292.079 A或者6 230.487 A這樣誤差較大的不良數據，采用EMD分解后濾除了大量的諧波分量，雖然不能完全達到標準值，但量測值都趨近于標準數據，避免了誤差較大數據的出現。

2.3 暫態階躍響應測試

以該特高壓直流輸電系統為例，當直流線路發生過渡電阻為0 Ω 的接地短路故障時，實際故障波形如圖9所示。

從圖9 中可以看出，當直流輸電系統發生短路故障時，電流階躍變化量最大可以控制在5 000 A 以內，本文所設計的階躍源通過線圈配件可以輸出最大達6 000 A的電流，滿足幅值要求。

圖9 直流輸電線路故障電流波形Fig.9 Fault current curve of DC transmission line

直流電流互感器階躍特性測試系統仍采用圖3所示閉環測試系統。與穩態測試不同的是此時的直流電流源采用圖5結構的階躍源。在進行階躍響應測試時，為方便操作，采用幅值為200 A的階躍電流信號。未經EMD 改進和經過EMD 改進的的直流電流互感器閉環測試結果如圖10 和圖11所示。

根據圖10 和圖11 波形數據可以得到標準互感器和被測直流電流互感器暫態階躍特性對比分析如表2所示。

圖10 EMD改進前直流電流互感器暫態階躍響應曲線Fig.10 Transient step response curve of DC current transformer without EMD improvement

圖11 EMD改進后直流電流互感器暫態階躍響應曲線Fig.11 Transient step response curves of DC current transformer improved by EMD

表2 標準互感器和被測互感器階躍響應特性對比Tab.2 Comparison of step response characteristics between standard transformer and measured transformer

從表2 中可以看出，被測互感器的上升時間略長于標準互感器，最大過沖低于10%，滿足標準要求。相對于標準互感器，被測互感器由于需要進行數據處理、傳輸距離遠等原因存在近100 μs 的延時，通過與標準源對比，經過EMD 改進后的測試方法，并未增加測試暫態延時，因此具有一定的工程實用性。

3 結論

設計了直流電流互感器現場閉環測試系統，通過在測試系統內加裝高精度同步模塊解決了延時傳遞問題。采用EMD 方法對電流直流分量進行提取，提高了測量數據的準確性，并且由于該方法計算過程簡單高效，適應于工程應用。設計了針對暫態階躍響應測試的階躍源系統，試驗表明可以滿足階躍響應測試要求。