基于實時仿真技術的小量程電流互感器的等效模擬

張守磊，王小凱，張彥兵

（1.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；3.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

由電力系統實時仿真器和功率放大器搭建的半實物仿真平臺，適用于大多數的電力系統控制與保護裝置的功能驗證需求[1-3]。電力系統實時仿真器對一次系統進行建模并實時運算，關鍵節點處的一次電壓、電流數值經電壓互感器、電流互感器元件，轉化成二次值并以小信號模擬量的形式輸出，驅動電壓、電流功率放大器，再現電流互感器二次側故障電流特征。電網系統中特殊場合存在較小量程的電流互感器（如：串聯電容器補償裝置中的電容器不平衡電流互感器二次側額定值為0.05 A）[4-6]，其額定電流值低于常規電流功率放大器的正常工作范圍（輸出電流0.2 A-30 A區間內，輸入信號與輸出電流的非線性誤差小于0.2%），不作處理將會大大降低半實物仿真的試驗效果，因此有必要開發一種有效、經濟的解決方案。

在分析實時仿真器模擬量輸出板卡驅動能力、電壓輸出范圍等約束條件的基礎上，采樣I/V轉換技術，實現了小量程電流互感器的等效模擬，以一種有效、經濟、靈活的方式，確保含有小量程電流互感器的半實物實時仿真的順利進行。

1 系統原理

小量程電流互感器等效發生器原理框圖如圖1所示，實時仿真系統與控制保護裝置形成閉環試驗環境。控保裝置通過精密采樣電阻實現小電流的測量，那么通過向控制保護裝置的精密采樣電阻施加與待測量電流呈線性關系的電壓信號，可以實現待測量電流的等效轉換。二次側電流模擬和I/V轉換器的仿真建模均可以在實時仿真系統中進行，模擬量輸出板卡也屬于實時仿真系統的配套外設，以上三部分共同實現了小量程電流互感器的等效模擬。

圖1 小量程電流互感器等效發生器原理框圖

I/V轉換的關鍵約束條件有3條：1）精確測量采集卡的采樣電阻，將待測小電流信號乘以采樣電阻，轉化為待施加電壓信號并經模擬輸出。2）輸出電壓峰值不超過模擬輸出板卡的最大輸出電壓范圍。3）模擬輸出板卡輸出最大施加電壓時，輸出電流不超過模擬輸出板卡的最大電流驅動能力。二次側電流模擬有兩種實現方式：1）虛擬電流源發生器定量的模擬一次系統的一次電流值，經數字化變比折算，輸出二次電流數值。2）搭建一次系統的系統仿真模型，模擬系統發生故障，產生一次故障電流，經CT仿真模型產生二次電流數值。

2 試驗驗證

在電力實時仿真系統中完成小量程電流互感器等效發生器的仿真建模，通過常規仿真功率放大器和GTAO模擬量輸出板卡、GTDI開關量采集板卡等外設與電力系統控制與保護裝置組成半實物仿真試驗系統。仿真結構圖如圖2所示。基于半實物仿真系統設計典型仿真算例，并對系統中的關鍵參量進行錄波，驗證小量程電流互感器等效發生器設計方案的有效性。表1為小量程電流互感器等效發生器設計的關鍵參數列表，圖3為仿真試驗錄波。此次試驗，小量程電流互感器對應實際系統中的電容器不平衡電流互感器，仿真模擬電容器發生不平衡擊穿故障，不平衡電流互感器一次側產生故障電流，當不平衡故障電流值滿足保護裝置的動作邏輯后，不平衡保護應正確動作。

圖2 仿真驗證系統

表1 關鍵參數列表

圖3 仿真試驗錄波

I3A_1、I3B_1、I3C_1為系統一次側三相電流值，I3A_2、I3B_2、I3C_2為系統 二 次 側三相電流值，I3A_U、I3B_U、I3C_U為系統二次側三相電流經I/V轉換后的三相電壓信號，Trip為保護與控制裝置的跳閘信號。

0 s時刻，施加系統一次電流值0.955 8 A，CT變比為10 A/0.05 A，因此二次電流值為0.004 8 A，保護與控制裝置的采樣電阻為100Ω，因此I/V變換后的電壓信號有效值為0.477 9 V。不平衡故障電流滿足保護定值，經預定延遲，保護與控制裝置的不平衡保護正確動作，動作時間約為130 ms。

3 結語

采用I/V轉換原理，在電力系統實時仿真系統中進行小量程電流互感器的等效建模，可以解決常規仿真電流功率放大器小量程工作狀態線性輸出能力差的問題。為半實物仿真環境輸出小量程電流信號提供了一種解決方案。仿真試驗表明，基于實時仿真系統進行I/V轉換建模，完成小量程電流互感器的等效建模是有效可行的，對相關技術應用的保護與控制生產廠家的設備調試、開發環節具有一定的參考價值。