數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的誤差特性分析

李登云+雷民+熊前柱+聶琪+沈曙明+章江銘

摘 要： 針對(duì)數(shù)字量輸出型直流電壓互感器實(shí)際誤差情況及誤差特性研究不足的現(xiàn)狀，建立數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的誤差分析模型，完成現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到實(shí)際誤差情況，并詳細(xì)分析誤差特性。結(jié)果表明，數(shù)字量輸出型直流電壓互感器存在超差現(xiàn)象，但可以通過(guò)誤差修正達(dá)到0.2級(jí)要求；基本誤差的線性度為0.1%～0.2%；升降變差和短時(shí)穩(wěn)定性均在10-4數(shù)量級(jí)；存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)修正，線性度優(yōu)化了0.08%，10%額定電壓下的測(cè)量準(zhǔn)確度提高了0.1%。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字量輸出； 直流電壓互感器； 誤差特性； 誤差分析模型； 線性度； 零點(diǎn)漂移

中圖分類號(hào)： TN722.7+4?34； TN721； TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）04?0119?05

Abstract： In view of the lack of research on the actual error condition and error characteristics of the digital output type DC voltage transformer， an error analysis model of the digital output type DC voltage transformer was established. The field calibration test was completed， the actual error condition was obtained， and the error characteristics were analyzed in detail. The results show that： There exists the phenomenon of over tolerance in the digital output type DC voltage transformer， but it can meet the 0.2 level requirements by means of error correction； The linearity of basic errors is about 0.1% to 0.2%； Both the rise and fall variation and the short time stability are 10?4 orders of magnitude； The phenomenon of zero drift exists， and the zero correction improves the linearity by 0.08%， as well as enhances the measurement accuracy by 0.1% at 10% rated voltage.

Keywords： digital output； DC voltage transformer； error characteristic； error analysis model； linearity； zero drift

0 引 言

直流電壓互感器是測(cè)量直流輸電系統(tǒng)一次電壓信號(hào)的重要設(shè)備，根據(jù)輸出給直流控制保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)類型不同，直流電壓互感器分為模擬量輸出型和數(shù)字量輸出型兩種。

針對(duì)模擬量輸出型直流電壓互感器，文獻(xiàn)[1?3]提出了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被校信號(hào)同步采集、被校信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)男ｒ?yàn)方法。研制了現(xiàn)場(chǎng)用直流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器，完成了500 kV德陽(yáng)換流站、800 kV復(fù)龍換流站模擬量輸出型直流互感器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)模擬量輸出型直流電壓互感器的誤差特性進(jìn)行了分析。

隨著智能電網(wǎng)、柔性直流輸電等新技術(shù)的不斷推動(dòng)[4?6]，新建直流工程大多采用數(shù)字量輸出型直流電壓互感器。與模擬量輸出型相比，數(shù)字量輸出型直流電壓互感器不僅輸出信號(hào)的型式不同，且結(jié)構(gòu)也存在差異。因此，需要采用不同的校準(zhǔn)方法，誤差特性也不盡相同。

目前，針對(duì)數(shù)字量輸出型直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究較少，但針對(duì)數(shù)字量輸出型直流電流互感器的相關(guān)研究則較多，有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)[7]調(diào)研了直流電流互感器的運(yùn)行狀況和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)現(xiàn)狀，并提出了新的直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法；文獻(xiàn)[8]針對(duì)直流電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和設(shè)備缺乏嚴(yán)密論證的問(wèn)題，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備的抗干擾研究；文獻(xiàn)[9]提出了一種基于模塊交錯(cuò)并聯(lián)的暫穩(wěn)態(tài)控制和變壓器一體化設(shè)計(jì)，開(kāi)展了外置式高穩(wěn)定度直流標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電源以及直流互感器數(shù)字校驗(yàn)儀的研制。

以上研究的側(cè)重點(diǎn)在校準(zhǔn)方法研究和校驗(yàn)設(shè)備研制上，并未開(kāi)展數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，缺少現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)誤差特性分析。因此，對(duì)數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的實(shí)際誤差情況及其誤差特性缺乏了解，亟待開(kāi)展相關(guān)方面的研究工作為后續(xù)的工程實(shí)踐等提供參考。

本文根據(jù)數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的典型結(jié)構(gòu)，建立了誤差分析模型，介紹了適用于數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)方法。同時(shí)建立了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)，從而完成了舟衢站直流側(cè)負(fù)極線上數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，獲得了掛網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的實(shí)際誤差情況，并根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了誤差特性。

1 典型結(jié)構(gòu)與誤差分析模型

1.1 數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的典型結(jié)構(gòu)

數(shù)字量輸出型直流電壓互感器主要由分壓器、電阻盒、遠(yuǎn)端模塊、光纜及合并單元組成[10]，典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

分壓器采用一次阻容分壓器，主要作用是將直流高電壓轉(zhuǎn)換為直流低電壓。電阻盒內(nèi)是多個(gè)阻容分壓電路的并聯(lián)，主要作用是對(duì)分壓器輸出的信號(hào)進(jìn)行二次分壓，并實(shí)現(xiàn)多路獨(dú)立信號(hào)輸出。電阻盒的每個(gè)獨(dú)立輸出信號(hào)連接一個(gè)遠(yuǎn)端模塊，從而使多個(gè)遠(yuǎn)端模塊的采樣信號(hào)相對(duì)獨(dú)立、互不影響。遠(yuǎn)端模塊的主要作用是，將電阻盒輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字光信號(hào)。合并單元置于控制室內(nèi)，主要作用是接收并處理遠(yuǎn)端模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議輸出給直流控制保護(hù)系統(tǒng)使用。endprint

1.2 誤差分析模型

為了滿足備用冗余的要求，直流電壓互感器輸出為多路獨(dú)立測(cè)量信號(hào)。

一次阻容分壓器的誤差主要包括電阻阻值不準(zhǔn)引起的誤差、工作在高電壓時(shí)電阻自熱導(dǎo)致阻值變化引起的誤差、高電壓下的電暈電流和泄露電流引起的誤差以及環(huán)境溫濕度變化所引起的誤差等。

二次阻容分壓?jiǎn)卧话愎ぷ髟诘碗妷旱燃?jí)，誤差主要包括電阻阻值不準(zhǔn)引起的誤差、環(huán)境溫濕度變化引起的誤差、遠(yuǎn)端模塊輸入阻抗引入的誤差等。

遠(yuǎn)端模塊的誤差主要包括A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的量化誤差。

2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)方法

數(shù)字量輸出型直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)原理如圖2所示。圖中，直流電壓源、直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器、直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)與被校直流電壓互感器中的阻容分壓器位于直流場(chǎng)中，被校直流電壓互感器中的合并單元位于控制室內(nèi)。

直流電壓源在直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器和被校直流電壓互感器的阻容分壓器上施加直流高電壓。直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器的二次輸出電壓，解析被校直流電壓互感器的一次電壓測(cè)量值，并計(jì)算校準(zhǔn)結(jié)果。

式中：ε為被校直流電壓互感器的基本誤差；[Ux]為被校直流電壓互感器的一次電壓測(cè)量值；[K0]為直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)稱分壓比；[u0]為直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器的二次輸出電壓。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)

數(shù)字量輸出型直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)包括：直流電壓源、直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器、直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)。本文所用的直流電壓源，額定電壓為300 kV，穩(wěn)定度為每小時(shí)0.05%。采用同步方式校準(zhǔn)0.2級(jí)直流電壓互感器時(shí)，可忽略電源穩(wěn)定度對(duì)校驗(yàn)結(jié)果的影響。目前，直流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)已達(dá)到1 000 kV。本文所用直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器的額定電壓為300 kV，標(biāo)稱分壓比為[1051]，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。采用該標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)0.2級(jí)直流電壓互感器時(shí)，可以忽略標(biāo)準(zhǔn)器誤差的影響。直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、同步時(shí)鐘裝置和上位機(jī)組成，工作原理如圖3所示。

直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，取決于標(biāo)準(zhǔn)采集模塊的準(zhǔn)確度。本文采用6位半數(shù)字萬(wàn)用表作為標(biāo)準(zhǔn)采集模塊，在0.2～2 V直流電壓范圍內(nèi)，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01%；在校準(zhǔn)0.2級(jí)直流電壓互感器時(shí)，可以忽略直流誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量誤差。

3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果與分析

3.1 基本誤差

舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)中各換流站的直流側(cè)，均采用數(shù)字量輸出型直流電壓互感器，額定電壓為200 kV，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，輸出信號(hào)為滿足FT3協(xié)議的數(shù)字光信號(hào)。這些數(shù)字量輸出型直流電壓互感器，均為同一廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)產(chǎn)品，誤差特性基本相同。同時(shí)考慮到系統(tǒng)停電檢修時(shí)間短、任務(wù)重。因此，本文僅對(duì)舟衢站直流側(cè)負(fù)極線上的數(shù)字量輸出型直流電壓互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

被校直流電壓互感器包括兩個(gè)合并單元，分別位于控制柜A和控制柜B中，每個(gè)合并單元輸出的FT3數(shù)據(jù)中，均包含兩組一次直流電壓測(cè)量值，分別記為1通道和2通道。因此，被校直流電壓互感器的一次直流電壓測(cè)量值共有4組，分別記為A柜1通道、A柜2通道、B柜1通道、B柜2通道。

在10%，20%，50%，80%和100%額定電壓下，分別對(duì)直流電壓互感器的四組測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，基本誤差曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，同一臺(tái)直流電壓互感器輸出的4組測(cè)量值，基本誤差并不相同。這是因?yàn)橹绷麟妷夯ジ衅鞯臏?zhǔn)確度，不僅受一次阻容分壓器的準(zhǔn)確度影響，且還受二次阻容分壓?jiǎn)卧c遠(yuǎn)端模塊的準(zhǔn)確度影響；除A柜2通道外，其余三組測(cè)量值的基本誤差在10%～100%額定電壓范圍內(nèi)，均滿足0.2級(jí)要求；A柜2通道的測(cè)量值，在10%～50%額定電壓范圍內(nèi)，誤差超過(guò)了0.2級(jí)的限值要求，超差最嚴(yán)重的出現(xiàn)在20 kV時(shí)，基本誤差為-0.29%；相同合并單元不同通道的測(cè)量值，雖基本誤差的大小不同，但曲線形狀基本相同；不同合并單元的測(cè)量值，不僅基本誤差的大小不同，且曲線形狀也不同。在10%～100%額定電壓范圍內(nèi)，4組測(cè)量值基本誤差的線性度如表1所示。

從表1可以看出，4組測(cè)量值基本誤差的線性度在0.1%～0.2%范圍；基本誤差的極值一般出現(xiàn)在最高或最低電壓附近；A柜2通道的測(cè)量值雖超差，但線性度為0.15%。因此，可通過(guò)誤差修正的方式，使A柜2通道的測(cè)量值滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度的要求。

值得注意的是，相對(duì)于0.2級(jí)準(zhǔn)確度而言，被校直流電壓互感器的線性度偏大，且直流互感器由于包含大量電子器件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。為了保證直流電壓互感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，仍滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度的要求，建議對(duì)直流電壓互感器開(kāi)展周期性校準(zhǔn)。

3.2 升降變差和短時(shí)穩(wěn)定性

一次阻容分壓器工作在直流高電壓下，是直流電壓互感器的一次傳感部分，其溫度特性決定了直流電壓互感器的測(cè)量性能。

試驗(yàn)電壓從20 kV升至200 kV再降至20 kV過(guò)程中，測(cè)量被校直流電壓互感器4組測(cè)量值為20 kV，40 kV，100 kV和160 kV。電壓下降時(shí)相對(duì)于電壓上升時(shí)的誤差變化量如表2所示。試驗(yàn)電壓的升高過(guò)程就是分壓器內(nèi)部的加熱過(guò)程，試驗(yàn)電壓的下降過(guò)程則是分壓器內(nèi)部的散熱過(guò)程。因此，直流電壓互感器的升降變差，能夠反映一次阻容分壓器的溫度特性。

從表2可以看出，被校直流電壓互感器四組測(cè)量值的升降變差，在40 kV，100 kV，160 kV時(shí)不超過(guò)0.02%，在20 kV時(shí)略高。這是因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量中，升降變差不僅由上升、下降過(guò)程中一次阻容分壓器的分壓比變化引起，且由兩次測(cè)量結(jié)果的分散性引起。在20 kV時(shí)，由于測(cè)量信號(hào)較低，易受噪聲、零點(diǎn)漂移等影響，導(dǎo)致測(cè)量分散性增大。從40 kV，100 kV，160 kV的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，被校直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。在200 kV額定電壓下，測(cè)量A柜1通道和A柜2通道的基本誤差，共測(cè)量120個(gè)點(diǎn)，測(cè)量間隔時(shí)間為1 s，短時(shí)穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果如圖5所示。持續(xù)施加額定電壓時(shí)，分壓器內(nèi)部溫度將逐漸升高，直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)。因此，被校直流電壓互感器的短時(shí)穩(wěn)定性，也能反映一次阻容分壓器的溫度特性。endprint

從圖5中的測(cè)量點(diǎn)分布可以看出，A柜1通道的分散性優(yōu)于A柜2通道。從圖5中的趨勢(shì)線還可看出，在分壓器內(nèi)部溫度逐漸升高的過(guò)程中，A柜1通道和A柜2通道的基本誤差在10?4數(shù)量級(jí)上無(wú)明顯增大或減小的趨勢(shì)。這進(jìn)一步說(shuō)明，被校直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。

3.3 零點(diǎn)修正

當(dāng)試驗(yàn)電源的輸出電壓為零時(shí)，直流電壓標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得一次直流電壓小于0.1 V，被校直流電壓互感器的4組測(cè)量值均有明顯零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。其中，B柜1通道測(cè)得一次直流電壓約為-18 V，對(duì)B柜1通道進(jìn)行零點(diǎn)修正，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)修正后，B柜1通道的線性度從0.15%變?yōu)?.07%，線性度優(yōu)化了0.08%。

不同電壓時(shí)，零點(diǎn)修正對(duì)被校直流電壓互感器準(zhǔn)確度的影響量如表3所示。其中，表中的影響量等于修正后的基本誤差減去修正前的基本誤差。

從表3可以看出，電壓越低零點(diǎn)修正對(duì)被校直流電壓互感器測(cè)量結(jié)果的影響越大，20 kV下的影響量達(dá)到了-0.1%，200 kV下的影響量?jī)H-0.01%。

4 結(jié) 語(yǔ)

同一臺(tái)數(shù)字量輸出型直流電壓互感器輸出的四路測(cè)量信號(hào)，基本誤差并不相同。其中，A柜2通道超差，誤差最差為-0.29%，但通過(guò)誤差修正可以滿足0.2級(jí)要求。被校數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的線性度為0.1%～0.2%。相對(duì)于0.2級(jí)準(zhǔn)確度而言，線性度偏大，且直流互感器由于包含大量電子器件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。因此，為了在長(zhǎng)期運(yùn)行后仍滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度的要求，需要開(kāi)展周期性校準(zhǔn)。被校數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的升降變差和短時(shí)穩(wěn)定性均在10-4數(shù)量級(jí)，說(shuō)明被校數(shù)字量輸出型直流電壓互感器的一次阻容分壓器具有較好的溫度特性。被校數(shù)字量輸出型直流電壓互感器存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行零點(diǎn)修正后，線性度優(yōu)化了0.08%，10%額定電壓下的測(cè)量準(zhǔn)確度提高了0.1%。可見(jiàn)，零點(diǎn)漂移是影響數(shù)字量輸出型直流電壓互感器線性度和低電壓下測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)瓊，王歡，杜研，等.電力電壓互感器在線群校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].電測(cè)與儀表，2016，53（3）：32?37.

XIANG Qiong， WANG Huan， DU Yan， et al. Research on group online error calibration for power voltage transformer [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2016， 53（3）： 32?37.

[2] 章述漢，周一飛，李登云，等.±800 kV換流站直流電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2011，37（9）：2119?2125.

ZHANG Shuhan， ZHOU Yifei， LI Dengyun， et al. On?site calibration test of ±800 kV convertor station DC potential transformer [J]. High voltage engineering， 2011， 37（9）： 2119?2125.

[3] 李前，李鶴，周一飛，等.±800 kV直流輸電系統(tǒng)換流站直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2011，37（12）：3053?3058.

LI Qian， LI He， ZHOU Yifei， et al. On?site calibration technology of DC current measurement device in converter station of ±800 kV UHVDC transmission project [J]. High voltage engineering， 2011， 37（12）： 3053?3058.

[4] QIN Xiaohui， ZENG Pingliang， ZHOU Qinyong， et al. Study on the development and reliability of HVDC transmission systems in China [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Power System Technology. Wollongong： IEEE， 2016： 1?6.

[5] 易榮，岳偉，張海濤，等.多端柔性直流輸電系統(tǒng)中混合運(yùn)行方式分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（12）：21?26.

YI Rong， YUE Wei， ZHANG Haitao， et al. Analysis on mixture operation mode of VSC?MTDC transmission system [J]. Power system and clean energy， 2014， 30（12）： 21?26.

[6] 查鯤鵬，劉遠(yuǎn)，王高勇，等.±1 100 kV特高壓換流閥直流耐壓試驗(yàn)方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（1）：87?93.

ZHA Kunpeng， LIU Yuan， WANG Gaoyong， et al. Study of DC test method of 1 100 kV UHVDC valve [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（1）： 87?93.

[7] 張健康，粟小華，胡勇，等.智能變電站保護(hù)用電流互感器配置問(wèn)題及解決措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（7）：140?145.endprint

ZHANG Jiankang， SU Xiaohua， HU Yong， et al. Problems and solutions of configuration scheme of current transformer used by protection in smart substation [J]. Power system protection and control， 2014， 42（7）： 140?145.

[8] 柏航，徐雁，肖霞，等.HVDC電子式電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法及關(guān)鍵問(wèn)題[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（19）：5227?5235.

BAI Hang， XU Yan， XIAO Xia， et al. Research on field calibration methods and key problems for HVDC electronic current transformers [J]. Proceedings of the CSEE， 2016， 36（19）： 5227?5235.

[9] 張杰，胡媛媛，劉飛，等.高壓直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2016，42（9）：3003?3010.

ZHANG Jie， HU Yuanyuan， LIU Fei， et al. Critical technology of on?site calibration system for DC electronic instrument transformer [J]. High voltage engineering， 2016， 42（9）： 3003?3010.

[10] 郭吉偉，梁魁，董凌凱.有源電子式電流互感器高壓側(cè)電源的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（18）：20?22.

GUO Jiwei， LIANG Kui， DONG Lingkai. Research of the high potential circuit power supply for active electronic current transformer [J]. Modern electronics technique， 2008， 31（18）： 20?22.endprint