电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究.pdf

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电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究1 电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究2 电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究3 电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究4 电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究5 电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究6
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第42卷第17期2014年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.42N0.17Sep.1,2014电子式电流互感器暂态传变延B,-t ̄ll试技术研究赵勇,孔圣立,罗强,石光,周鹏。,杨海晶,李雷(1.国网河南省电力公司电力科学研究院,河南郑-tt450052;2.江苏凌创电气自动化股份有限公司,江苏镇江212009;3.国网河南省电力公司,河南郑州450052)摘要:从继电保护应用的角度关注了电子式电流互感器暂态下的传变延时问题,阐述了暂态延时与稳态延时的差异性以及在工程中测试的必要性。提出了一种基于高精度高带宽模拟采样和数字量接收精确时标标定的测试方案,采用数字相位锁定器(DPLL)消除数字量时序抖动,利用突变量检测确定初始时刻,再结合相位提取进行时差补偿修正,很好地消除了测试中的各个误差因素。通过开发的测试系统在工程中的应用,证明了所提方案的可行性。关键词:电子式电流互感器;暂态传变延时;突变量检测;相位补偿修.if-;DPLLResearchontestingtechnologyofECTtransmissiondelaytimeintransientstateZHAOYong,KONGSheng...1i,LUOQiang,SHIGuang,ZHOUPeng,YANGHai-jing,LILei(1.StateGridHenanElectricPowerCompanyResearchInstitute,Zhengzhou450052,China;2.JiangsuLingchuangElectricAutomationCo.,Ltd.,Zhenjiang212009,China;3.StateGridHenanElectricPowerCompany,Zhengzhou450052,China)Abstract:Thispaperstudiestheelectroniccurrenttransformertransienttransmissiondelaytimefromthepointviewofrelayprotection,explainsthedifferencebetweentransientstatedelaytimeandsteadystatedelaytime,aswellasthenecessitytestinengineering.Itproposesatestschemebasedonsimulationsamplingwithhighaccuracyandhighbandwidth,andtheprecisetimescaledigitalcalibrationreceiver.Digitalphaselockedloop(DPLL)isusedtoeliminatethedigitaltimingjiRer.Mutationdetectingisappliedtodeterminetheinitialtime,combinedwiththephaseextractionfortimedelaycompensation.Thevariouserrorfactorsareeliminatedinthetestsystem.Thedevelopedtestsystemisappliedinthepracticalengineering,whichprovesthetestschemeisfeasible.Keywords:electroniccurrenttransformer;transienttransmissiondelay;mutationdetection;phasecompensation;DPLL中图分类号:TM452文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2014)170125-060引言电子式电流互感器(ECT)已经在智能电网中广泛应用,其稳态特性和暂态特性直接关系到后端间隔层设备的性能好坏,继电保护设备在故障出现时必须以尽可能快的速度准确判断并决定是否动作,此时电子式电流互感器能否快速且准确地将系统一次侧的暂态电流传变到继电保护设备,就直接影响到故障切除的总耗时时间,可见,暂态过程中电子式电流互感器的传变延时时间测试具有极为重要的意义[1_2]。电子式互感器的绝对延时时间,是指电子式互感器一次侧工频模拟量出现某一量值的时刻,到电子式互感器合并单元(MU)输出口将该模拟量对应的数字采样值送出的时刻,这两个时刻之间的间—隔时间IjJ。国家电网公司在《Q.GDW4412010智能变电站继电保护技术规范》中规范了电子式互感器的传输延时时间不大于2msL4J。目前国内针对电子式互感器的延时时间测试只是稳态下的测试,以稳态延时指标代替暂态指标,没有一套完善的针对电子式互感器暂态传变延时的测试系统L5J,为工程应用带来一定的安全隐患。本文就此展开了讨论和研究,提出了一套测试ECT暂态传变延时的技术方案,并进行了实际测试应用。1暂态传变延时与稳态传变延时差异性稳态绝对延时时间测试,是在ECT一次侧施加额定电流一定比率(一般不大于1.2倍)的稳定电电力系统保护与控制流,『-i=J步检测合并单元(MU)输出的基波相位和‘次侧IU流拭波相位,结合时实测频率,由相位换算出绝埘延时时间为At=(一)/2兀,。而暂态时,一次侧电流幅值远大于稳态时电流,Ji"F1除波外往包含了衰减卣流分量(含最火小和合闸角相关)和谐波分量,ECT在暂态下的幅值差,相位误眷,噪声和零漂抑制,抗电磁十扰等条件都和稳念/1旧,造成ECT暂态传变特性和稳态午fI比存笸异性,而稳态的指标在暂态下并不完全适用】。另外,基J:相位差测试延时无法分辨延时大于周波(360。)的极端异常情况,如图1,频率为额定50Hz时,当试品延时增加20ms后,试品相化将保持/1变,(r)=(r+20),得到的延时时问也将保持不变。、卜‘。0.Iiii ̄.//:图1相位差不能反映大于20ms的延时Fig.1Phasedifferencedoesnotreflectgreaterthan20ms国内某座运行的500kV智能变电站中,在区外进行人接地试验时,造成本站的500kV土变差次暂态电流,动、220kV母差、220kV部分线路纵联差动保护均误动,原因就是部分问隔的MU绝对延时时f叫大r了20ms,造成跨间隔保护装置的采样同步,钳误地产生了持续1周波的差流,投运前凋试仪对‘MU进行了稳态下的市}{关测试。2足其中套220kV线路光差保护装误动的录波,可以看出由于本侧的c相电流采样延时过大,造成线路两侧采样不同步,出现筮流后C相误动。稳态卜,侧采样延时相差20ms_ji=/f能存差流f,得剑体现。遐虢满麟藏礞蝴辩蠛嘏豁媾i辩姆ll{§摁觏嬲锵“碰撩}}瓤0{惹嚣萼鲞辩璐秘3,鞠q舔黼静《誊鼙耱隆一—一l嘲翻暇疆鞠醢嘲籀黼鳓一~il黼瞒蕊黧藏藤瑟爵睡瓣{l‘‘‘’’‘‘’’’’’’’’’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一—————————————————————————————————————————————————+。一il鄹豳霹嘲图2线路纵联光纤差动保护录波图Fig.2Recorddiagramoflineopticalfiberdifferentiaprotection2暂态传变延时的测试方案2.1系统方案暂态传变延时测试系统借助~I前传统互感器暂态试验系引,系统方案示意如3所永。图3暂态传变延时测试原理示意图Fig.3Schematicdiagramoftransienttransmissiondelaytest将电子式电流互感器串接到暂态试验系统的一次电流系统中,由现有的暂态试验系统来控制暂态电流的发和切除时刻、暂态电流幅值、衰减“流分的含最和时间常数等指标,可以进行单’—次通电(C.1'-O)或双次通电(C.,一Dffr.C一O)聿厅态试验¨“J。一次暂态电流经过分流器的变换,输}{=}可供采集的低幅值模拟电压信号,该信号经过抗混叠调理,进入模数转换环节,得到测试所需的标准源信号。卡f{对于传统电磁式互感器的传变,分流器传变一次侧电流具有更好的带宽和线性度。ECT的采样值f}{MU通过FT3或光纤以太输出,属于被测信号量l12-141,赵勇,等电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究一127.采用FPGA来实现MAC子层,完成以太网采样值和FT3采样值的接收,并精确标定采样值时标,通过数字相位锁定器(DPLL)处理消除MU数字量的时序抖动,得到最终的被测信号。高精度的恒温晶振产生测试系统的时钟信号,作为模数转换模块和FPGA运行的基础时序。对接收到的标准源信号和被测量信号,均进行突变量的实时判别,突变量的计算算法为Ai=l[f(0一i(t一]一[f(f一一f(f一2]I式中:i为电流瞬时值;为当前时刻;为一个工频周波。该算法可以有效地避免试验过程中频率的波△动带来的突变量的影响,当发现突变量f大于定值并持续1ms即认为突变量发生引。记录标准源突变时刻f,经过加Hanning窗的傅氏滤波L1圳,获取信号时刻的基波相位】,同时计算系统当前频率厂。同样的算法检测出被测量的突变时刻t2,并提取此时的基波相位2,得到时间的补偿量:At=-(妒2一1)/2nf,最终电子式电流互感器的暂态传输△延时为Td=t2一f1一f。2.2误差因素分析及消除本系统属于时间值测量,涉及到标准源和试品信号的时标信息、波形信息(包括频率、幅值和相位信息)的提取,对时钟信号、时序控制的要求很高,这需要基于一个稳定精确的基础时钟信号。ADC采样速率偏离设计值,采样时钟信号抖动造成的孔径延时和孔径抖动,会带来标准源信号信息精度降低。对试品数字量标定时标时,基准时间不准确、MAC层时序不稳定、程序中断或任务响应时间不确定,都会造成数字量时标精度降低。为此,采用低温漂系数低相位噪声的恒温晶振作为整个系统的基础时钟信号,提高ADC环节和数字量接收环节在时域上的时间精度。采用FPGA来完成数字量的接收,FPGA实现MAC层,通过MII接口与PHY芯片通信,如果接收到以太网帧的帧定界符,并且与前一数据帧的时间问隔大于最小帧间隙,则进入数据接收状态,并标定以太网数据帧头的到达时刻。相对于以太网收发控制器,FPGA优良的时序控制能力,能够避免数据接收环节的时间误差,并能从物理层精确确定时标,精度等级从微秒级提高到纳秒级。MU由于同步处理,数据打包,程序任务调度,光纤收发接口等环节的影响,数据帧输出时存在一定的随机时问抖动,即采样值报文的输出时刻01(0是带有随机抖动的,尤其是经过网络以后该抖动值可达到30 ̄40ps。为此,采用DPLL原理对时标Ol(t)进行消抖,得到最终时标02(0,原理示意图如图4所示。鉴相器环路滤波压控振荡器图4DPLL进行时间的消抖Fig.4DPLLeliminatingthetimejitter原始采样值报文的到达节拍构成DPLL的初始输入量0】(,在DPLL启动初始时,o2(0=o1(D。不论是累计误差或是时间抖动造成的1(与(的失步,均由鉴相器完成两者时间差值计算。该差值作为环路滤波器的输入量(,设计一个IIR型低通滤波器来保证良好的跟踪速度和稳定性,滤波输出为(。(作为压控振荡器的输入量,按其幅值的大小来确定跟踪调节步长,在不超过1S的时间内完成02(0的整个跟踪过程,以上环节在DPLL的运行中连续循环进行Il,最终(的抖动幅度能降低到原有值的1/10以内。突变时刻和t2的时间差并不是暂态传变延时时间,因为这中间也包含有误差因素。首先被测数字信号的采集是基于MU的晶振,在无同步信号联系的情况下,两者之间的采集时间必定是异步的,而寻找突变时刻是基于同一个固定定值的不等式算法,因而f时刻和t2时刻必定包含了采样异步时间。其次,由于存在采样误差,标准源突变时刻的电流瞬时值和MU突变时刻的电流瞬时值必定有差异,这种瞬时值的差异也同时带入到了。和t2的时间差上,特别是对ECT的暂态最大峰值瞬时误差限值要求是10%,这种差异更是不可忽略。为了消除以上误差因素,采用相位差进行时间修正。对于交流信号而言,时域上的时间信息必定反映到相位上,即从相位信息中可以提取出相应的时间信息。一定长度时间窗内的个别点的采样误差、所有点的偏移误差和增益误差、采样中的随机噪声等等,都对基波相位的影响有限,因而通过滤波提取出基波相位l和2,大大消除了采样误差影响,同时从Afa= ̄o2-rp1中得到采样异步的信息,时差补偿量即为:At=-(fa2- ̄1)/2nf。电力系统保护与控制2.3系统的研制开发衍态I乜流Jr经过分流器转换成峰值l0V以内的l乜信号供采集,如图5所示,采集回路经过信号凋后,采样频带范围外信号大幅衰减。考虑到暂念IU流分的主要谐波范阳,ADC的采样率采用∑△40kHz,选』【=}j24位.架构高性能模数转换器ADSl27l,以保证足够的带宽和精度获取真实的一次l乜流波形。ADC的采样时序基于不低于5ppb的高精度恒温品振控制,标准源信号的每个采样值均标定时标。图5暂态传变延时测试系统结构图Fig.5Structurediagramoftransienttransmissiondelaytest光纤收发器采用AFBR5803,保证有足够的带宽和响应速度。FPGA采HjSpartan3系列产品XC3S1500,米实现MU的以太网采样值和FT3采样值接收,FPGA对每个采样值进行精确时间标定,接收环节的时间抖动控制在纳秒级别【18-191。采用MPC8247嵌入式微处理器,该处理器属于PowerQUICCII系列,包含一个基于PowerPCMPC603e的内核和一个通信处理内核CPM,测试装的应HJ软件以vxworks嵌入式实时操作系统为平台,c语言编写。卜位机的程序基于Labview平台开发,该平台在虚拟仪器、测控制和仿真领域具有独到的优势,延时测试的上位机程序充分利用其数据和图形处理能/fJ,以及方便的形化G语言开发能力,完成标准源1试^的数据接收,误差分析,波形绘制,数据存储和事后分析功能J。3测试系统应用‘‘该系统在实验室对国内某厂家的只110kv、—Ⅲ额定1000A、5TPE的IEC6185092LE输的单市HⅡ‘电了式电流感器进行了实测,次侧施加4倍额定的暂态电流。测试结果见6,,,和t2时刻相差‘1.102ms,经过补偿修正后暂态的延tt,trtq间为1.121ms。试验进行5次的结果如农l,测试结果具有较好的稳定性0一敛性。图6IE061850-9-2LE输出式ECT延时测试——Fig.6IEC6I85092LEtypeECTdelaytimetest表1IE061850-9-2LE输出式ECT测试数据——TablelIEC6185092LEtypeECTtestdata延时1.1211.126I.Il7j"fli]/ms将互感器换成另一厂家的1l0kV、额定电流600A、5TPE的IEC60044.8FT3输l{J的ECT进行实测,一次侧施加5倍额定的暂态电流,测试结果见图7,r】和,2时刻相差1.902ms,经过补偿修正后暂态的延时时问为1.765ms。试验进行5次的结果如表2,f司样具彳丁较好的稳定性。棚格t图7IE060044-8FT3输出式ECT延时测试—Fig.7IEC600448FT3typeECTdelaytimetest表2IEC60044-8FT3输出式ECT测试数据—Table2IEC600448FT3typeECTtestdata赵勇,等电子式电流互感器暂态传变延时测试技术研究..129..4结论电子式电流互感器的暂态传变延时关系到继电保护的动作快速性,关系到跨间隔设备采样的同步性,该时间不能用稳态下的绝对延时时间指标来代替,在工程应用中不能忽略对暂态延时时间的测试,以免留下安全隐患。通过现有的暂态试验系统,在ECT一次施加暂态电流,对一次电流进行高精度实时采集,FPGA同步进行Mu数据的接收和精确标定时标,由DPLL环节消除MU采样值的时间抖动,在高精度恒温晶振的统一时钟信号控制下,在同一个时间轴上得到标准源波形和试品波形。通过突变量检测算法来确定标准源和试品的突变时刻差,再由滤波算法提取基波相位,由相位差来弥补突变时刻中所包含的误差,得到最终的暂态传变延时时间。通过已经研制出的测试系统在实验室的测试验证,证明本方案切实可行。参考文献[1]冯军.智能变电站原理及测试技术[M].北京:中国电力出版社,2011.[2]黄益庄.智能变电站自动化系统原理与应用技术[M】.北京:中国电力出版社,2012.[3]Q/GDW690.2011电子式互感器现场校验规范[S】.201O.[4]Q/GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范(s].2O10.[5]童悦,李红斌,张明明,等.一种全数字化高压电流互感器在线校验系统[J].电:技术学报,2010,24(8):—5964.TONGYue,LIHong-bin,ZHANGMing・ming,eta1.Afulldigitalhighvoltagecurrenttransformeronlinecalibrationsystem[J].TransactionsofChina—ElectrotechnicalSociety,2010,24(8):5964.[6]马永跃,黄梅.数字量输出型电子式互感器校验系统的研制[J】.电力系统保护与控制,2010,38(1):83.86.—/VIAYongyue,HUANGMei.Thedevelopmentofdigitaloutputofelectronictransformercalibrationsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(1):83.86.[7]陈辉,陈卫,李伟.基于Rogowski线圈的数字积分器仿真及研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(2):43.47CHENHui,CHENWei,LIWei.DigitalintegratorsimulationandresearchbasedonRogowskicoil[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(2):43.47.[8]张冈,王程远,陈幼平.PCB空心线圈电流传感器的暂态特性[J].电工技术学报,2010,24(11):8.89.——ZHANGGang,WANGChengyuan,CHENYouping.TransientcharacteristicsofPCBaircorecoilcurrentsensor[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,—2010,24(11):8589.[9]李长云,李庆民,李贞,等.直流偏磁和剩磁同时作用下保护用电流互感器的暂态特性研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(23):107111.——LIChangyun,LIQingmin,LIZhen,eta1.DCmagneticbiasandremanencewhileundertheeffectofprotectionoftransientcharacteristicofcu 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