朱夢(mèng)夢(mèng)，王 登，廖耀華，曹璞璘，束洪春，楊 博，段銳敏

直流電子式電壓互感器延時(shí)特性分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

朱夢(mèng)夢(mèng)1,2,3，王 登3，廖耀華1，2，曹璞璘3，束洪春3，楊 博3，段銳敏1

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.云南省綠色能源與數(shù)字電力量測(cè)及控保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650051)

直流電子式電壓互感器因受到分壓器、遠(yuǎn)端模塊參數(shù)改變及合并單元等數(shù)字鏈路因素影響會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)試標(biāo)定該延時(shí)特性不易實(shí)現(xiàn)。首先，建立了直流電壓互感器等效電路模型，分析了直流分壓器、低通濾波器等被動(dòng)元件對(duì)直流電子式電壓互感器延時(shí)時(shí)間的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的延時(shí)等效測(cè)試方法，并研制出直流電壓互感器延時(shí)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)與被測(cè)直流電壓互感器的反饋時(shí)差精確測(cè)量延時(shí)時(shí)間。最后，采用所提出的試驗(yàn)方案在某直流工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直流電壓互感器延時(shí)測(cè)試，驗(yàn)證了該方法有效性。

延時(shí)特性；暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)；低通濾波器；測(cè)試系統(tǒng)；等效；絕對(duì)延時(shí)

0 引言

直流電壓互感器作為直流輸電系統(tǒng)換流站最為重要的高壓設(shè)備之一，負(fù)責(zé)將整個(gè)站的一次電壓量傳遞到測(cè)控、保護(hù)與計(jì)量等單元，是所有二次系統(tǒng)的“眼睛”[1-8]。尤其是直流電壓互感器測(cè)量性能的好壞，直接關(guān)乎直流控保系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性和可靠性。一旦測(cè)量不夠精準(zhǔn)或出現(xiàn)測(cè)量裝置異常情況，輕則導(dǎo)致控保誤判誤告警、二次系統(tǒng)失效，重則導(dǎo)致直流閉鎖等重大安全事故或隱患[9-15]。

文獻(xiàn)[16-17]提出了異地同步檢測(cè)方法，開展了常規(guī)直流和柔性直流工程的直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究。文獻(xiàn)[18]研究了適用于直流電壓測(cè)量裝置的暫態(tài)階躍響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19]開展了數(shù)字量輸出型的電子式電壓互感器暫態(tài)特性測(cè)試技術(shù)研究。但是對(duì)于阻容分壓型的直流電壓互感器而言，一次低壓分壓臂的額定輸出一般為幾十伏，需要通過(guò)二次分壓和驅(qū)動(dòng)，將其變換成多路可以進(jìn)行采集的多個(gè)遠(yuǎn)端模塊。二次分壓可以設(shè)計(jì)為多個(gè)并接的阻容分壓回路，各阻容分壓回路的高壓臂與低壓臂具有相同的時(shí)間常數(shù)。每個(gè)輸出信號(hào)連接一個(gè)遠(yuǎn)端模塊，從而使得多個(gè)遠(yuǎn)端模塊的采樣信號(hào)相互獨(dú)立，每一支路不受其他支路遠(yuǎn)端模塊阻抗變化的影響。因整體遠(yuǎn)端模塊在戶外運(yùn)行，其可靠性和穩(wěn)定性是工程中最為關(guān)注的，在國(guó)內(nèi)投運(yùn)直流工程中，也出現(xiàn)過(guò)因遠(yuǎn)端模塊分壓設(shè)計(jì)不合理、器件性能在運(yùn)行條件下發(fā)生改變等原因引起的直流測(cè)量異常及導(dǎo)致的事故事件。同時(shí)，若系統(tǒng)中保護(hù)裝置所用互感器的延時(shí)不一致，易造成保護(hù)不能正確動(dòng)作。另外，直流系統(tǒng)在諧振時(shí)，延時(shí)時(shí)間是控制系統(tǒng)抑制寬頻振蕩、進(jìn)行快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制的重要參數(shù)。

由于現(xiàn)場(chǎng)直流電子式電壓互感器離地高，與之聯(lián)結(jié)的管母不易拆除，且缺乏檢測(cè)方法和工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，固有延時(shí)檢測(cè)標(biāo)定方面的研究一直未能有效開展。針對(duì)以上問題，本文建立直流電子式電壓互感器等效電路模型，分析了直流分壓器和低通濾波器對(duì)延時(shí)的影響。提出了基于暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的延時(shí)等效測(cè)定方法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用，驗(yàn)證了方法有效性。

1 直流電子式電壓互感器延時(shí)特性分析

1.1 傳輸鏈路及延時(shí)影響環(huán)節(jié)

直流電子式電壓互感器的數(shù)字化傳輸鏈路及延時(shí)環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 直流電子式電壓互感器的傳輸鏈路及延時(shí)環(huán)節(jié)

其一次傳感器帶來(lái)的相移和模擬電壓信號(hào)調(diào)理回路、抗混疊濾波器回路等帶來(lái)的相移共同構(gòu)成了直流電子式互感器的額定相位偏移，數(shù)據(jù)處理延時(shí)時(shí)間和構(gòu)成了時(shí)域上的絕對(duì)延時(shí)。

絕對(duì)延時(shí)是指直流電子式電壓互感器一次側(cè)模擬量出現(xiàn)某一量值的時(shí)刻，到互感器合并單元輸出口將該模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字采樣值送出的時(shí)刻，這兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔時(shí)間。該時(shí)間是電子式互感器將一次側(cè)電量信息傳變到間隔層控保設(shè)備消耗的客觀時(shí)間。直流電子式互感器絕對(duì)延時(shí)時(shí)間關(guān)系到控保系統(tǒng)感受到一次側(cè)信息的早晚，進(jìn)而影響反應(yīng)速度和動(dòng)作快慢[20-22]。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26217-2019中規(guī)定直流電子式電壓互感器的傳輸延時(shí)時(shí)間不大于500 μs，這一指標(biāo)一般由互感器制造方給出，但值得注意的是，直流電子式互感器從廠家運(yùn)輸?shù)綋Q流站現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，其所處環(huán)境與出廠前大不相同，有必要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行絕對(duì)延時(shí)的測(cè)試標(biāo)定和確認(rèn)把關(guān)，以確定延時(shí)特性是否依然和出廠前一致。

1.2 延時(shí)特性等效模型及分析

圖2 直流分壓器等效電路

則直流分壓器的電壓傳遞函數(shù)為

圖3 相頻特性曲線

圖4 改變低壓臂電阻參數(shù)時(shí)直流分壓器延時(shí)特性

圖5 直流電子式電壓互感器等效結(jié)構(gòu)圖

其中低通濾波器的傳遞函數(shù)可寫為

基于式(5)—式(7)可以推導(dǎo)出直流電子式電壓互感器整體的傳遞函數(shù)為

綜上分析，圖6展示了在考慮一次直流分壓器和低通濾波情況下整體的相頻特性曲線。

由圖6可見，不同頻率下延時(shí)特性不一致，但仍然在高頻段相位發(fā)現(xiàn)明顯滯后或超前。而圖1中的數(shù)字信號(hào)發(fā)送及合并單元處理經(jīng)歷的時(shí)間是不受電路參數(shù)影響的，因此直流電子式電壓互感器的延時(shí)主要受直流分壓器參數(shù)和遠(yuǎn)端模塊信號(hào)調(diào)理回路、抗混疊濾波參數(shù)影響，其存在約100 μs的時(shí)延。經(jīng)與設(shè)備生產(chǎn)廠家確認(rèn)，該類直流電壓電子式互感器數(shù)據(jù)處理延時(shí)時(shí)間約為300 μs，兩者共同作用下的絕對(duì)時(shí)間約為400 μs。

圖6 考慮直流分壓器和低通濾波器的相頻特性曲線

2 延時(shí)特性現(xiàn)場(chǎng)等效測(cè)試方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 直流電子式電壓互感器延時(shí)等效測(cè)試方法

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全性和復(fù)工難度，不可能大規(guī)模拆除管母等一次設(shè)備。若現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中無(wú)需拆解一次管母，僅拆除一次引線，且不必施加額定電壓開展直流電子式電壓互感器延時(shí)測(cè)試不失為一種工程實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)上文分析，一次電壓大小不影響直流電子式電壓互感器延時(shí)特性。此外，直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)是以直流分量為主并疊加相應(yīng)的諧波分量，而發(fā)生故障時(shí)是電壓跌落引起的暫態(tài)響應(yīng)特性。鑒于以上實(shí)際工況，本文提出一種基于暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的直流電子式電壓互感器延時(shí)等效測(cè)試方法。

圖7 基于暫態(tài)信號(hào)的延時(shí)測(cè)試示意圖

綜合以上穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法測(cè)試延時(shí)的分析，可以得出計(jì)算直流電子式電壓互感器的延時(shí)統(tǒng)一表達(dá)式為

2.2 暫穩(wěn)態(tài)延時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，換流站直流電壓互感器本體與保護(hù)控制室中合并單元相距較遠(yuǎn)，且合并單元采用FT3數(shù)字通信協(xié)議，加之合并單元也無(wú)法提供接收和輸入的同步信號(hào)端口。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中標(biāo)準(zhǔn)器二次小電壓信號(hào)傳輸易受干擾，且現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)一次和二次難以隔離。鑒于以上考慮，提出如圖8所示的基于暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的延時(shí)等效測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由暫穩(wěn)態(tài)電壓源、標(biāo)準(zhǔn)器和直流互感器暫穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)儀等構(gòu)成。

為了解決標(biāo)準(zhǔn)器信號(hào)就地高精度采集以及一次與二次設(shè)備之間的隔離，本文將互感器校驗(yàn)儀的高精度AD采集單元進(jìn)行前置，使得AD采集單元輸出的數(shù)據(jù)序列通過(guò)光纖傳輸至互感器校驗(yàn)儀前置單元輸入接口。現(xiàn)場(chǎng)具體測(cè)試過(guò)程：暫穩(wěn)態(tài)電壓源產(chǎn)生所需的試驗(yàn)電壓信號(hào)同時(shí)施加給被測(cè)直流電壓互感器和標(biāo)準(zhǔn)器。前置單元就地將標(biāo)準(zhǔn)器的二次信號(hào)進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換并通過(guò)光纖傳輸給互感器校驗(yàn)儀，在同步模塊的驅(qū)動(dòng)下互感器校驗(yàn)儀同時(shí)接收被測(cè)互感器合并單元輸出的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)與被測(cè)直流電壓互感器的反饋時(shí)差精確測(cè)量延時(shí)時(shí)間。

圖8 直流互感器暫穩(wěn)態(tài)延時(shí)特性測(cè)試原理

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果分析

課題組在某500 kV直流輸電工程中開展了極1中性母線的直流電子式電壓互感器的絕對(duì)延時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中額定一次電壓為75 kV，合并單元采樣頻率為10 kHz。本文建立了直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)延時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，其中直流互感器暫態(tài)校驗(yàn)儀的采樣頻率為500 kHz，階躍響應(yīng)特性測(cè)量誤差不超過(guò)4 μs。標(biāo)準(zhǔn)器采用阻容分壓器，方波響應(yīng)小于10 μs。

首先，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直流電壓互感器暫態(tài)延時(shí)試驗(yàn)時(shí)，將高壓一次引線與管母進(jìn)行斷開，在現(xiàn)場(chǎng)施加-20 kV暫態(tài)信號(hào)。圖9展示了現(xiàn)場(chǎng)基于暫態(tài)信號(hào)的延時(shí)特性測(cè)試波形，延時(shí)時(shí)間計(jì)算采用被試品和標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值90%所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，其延時(shí)時(shí)間結(jié)果為468ms，若按照達(dá)到穩(wěn)態(tài)值10%所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻計(jì)算，延時(shí)時(shí)間為390ms。

圖9 暫態(tài)延時(shí)測(cè)試波形

圖10 延時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試接線

現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)延時(shí)試驗(yàn)波形如圖11所示，其中絕對(duì)延時(shí)的最小值為449.2ms，最大值為450.6ms，平均值為450.1 μs。若從直流電壓互感器50 Hz時(shí)的頻率響應(yīng)規(guī)定要求來(lái)看，絕對(duì)延時(shí)是滿足規(guī)程小于500ms要求。對(duì)換流站的4臺(tái)直流電壓互感器的進(jìn)行了測(cè)試標(biāo)定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 絕對(duì)延時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出，4臺(tái)直流電子式電壓互感器延時(shí)均在410~450 μs。為了驗(yàn)證施加一次電壓對(duì)直流電子式電壓互感器延時(shí)的影響，對(duì)極2中性母線直流電子式電壓互感器分別在一次施加7.5 kV、15 kV、50 kV穩(wěn)態(tài)電壓，其延時(shí)分別為408 μs、407 μs、410 μs，穩(wěn)態(tài)情況下，電壓大小對(duì)互感器延時(shí)并無(wú)明顯的影響。實(shí)質(zhì)上，穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法對(duì)延時(shí)時(shí)間的測(cè)試相互補(bǔ)充，從不同視角檢測(cè)直流電子式互感器的延時(shí)。但是，直流電子式電壓互感器設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中參數(shù)發(fā)生改變則會(huì)影響延時(shí)特性，運(yùn)維人員應(yīng)結(jié)合換流站預(yù)試定檢計(jì)劃進(jìn)行周期檢測(cè)，而年度預(yù)試定檢時(shí)間短、工作任務(wù)緊湊，試驗(yàn)人員不需大規(guī)模拆除一次管母，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施加10%以下的額定電壓信號(hào)即可完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)直流電子式電壓互感器傳輸鏈路及延時(shí)環(huán)節(jié)，建立了延時(shí)特性等效電路分析模型，分析了直流分壓器元件參數(shù)變化和低通濾波器對(duì)直流電子式電壓互感器延時(shí)時(shí)間的影響。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全性和效率，提出了一種基于暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的延時(shí)等效測(cè)試方法，通過(guò)被校直流電壓互感器和標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)的反饋時(shí)差，實(shí)現(xiàn)了在不拆解管母工況下進(jìn)行直流電壓互感器絕對(duì)延時(shí)的精確測(cè)量。在某±500 kV直流工程換流站年度預(yù)試定檢中，通過(guò)施加10%以下的額定電壓信號(hào)，進(jìn)行了直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)延時(shí)測(cè)試，比較分析了施加暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)兩種不同方法下的延時(shí)差異，其延時(shí)時(shí)間小于500 μs。

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Field test and analysis of delay characteristics of a DC electronic voltage transformer

ZHU Mengmeng1, 2, 3, WANG Deng3, LIAO Yaohua1, 2, CAO Pulin3, SHU Hongchun3,YANG Bo3,DUAN Ruimin1

(1. Yunnan Power Grid Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Green Energy, Electric Power Measurement Digitalization, Control and Protection, Kunming 650217, China; 3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China)

Because of the influence of digital link factors such as the voltage divider, remote module parameter change and merging units, a DC electronic voltage transformer will have time delay. Thus it is difficult to accurately test and calibrate this time delay characteristic on site. First, the equivalent circuit model of a DC voltage transformer is established. Then the influence of passive components such as the DC voltage divider and low-pass filter on the delay time of the transformer is analyzed. Then a delay equivalent test method based on a transient steady state signal is proposed, and a field test system for the transient delay characteristics of the DC voltage transformer is developed. The delay time is accurately measured by the feedback time difference between the standard transient step signal and the measured DC voltage transformer. Finally, using the test scheme proposed, the time delay test is carried out on a DC project site to verify the effectiveness of the method.

delay characteristic; transient steady state signal; low-pass filter; test system; equivalent; absolute time delay

10.19783/j.cnki.pspc.220479

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52037003)；云南省技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)對(duì)象項(xiàng)目資助(202205AD160005)；云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(202001AT070096)；云南省“青年人才托舉工程”項(xiàng)目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52037003).

2022-04-06；

2022-05-10

朱夢(mèng)夢(mèng)(1986—)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻?、直流互感器檢測(cè)與故障診斷技術(shù)；E-mail: 396923800@qq.com

王 登(1996—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾滦屠^電保護(hù)與故障測(cè)距；

廖耀華(1992—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。

(編輯 魏小麗)