CN104931913B - 检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，所述罗氏线圈电子式电流互感器包括罗氏线圈、采集器和合并单元；还包括数字/模拟转换器和宽频放大器，包括构造罗氏线圈模型和采集器等效负载模型的步骤；构建电网仿真模型的步骤；连接自动扫描试验装置的步骤；在GPS秒脉冲发出时刻，进行自动扫描试验的步骤；以及延时后重复进行自动扫描试验的步骤。利用本发明提出的方法，可以模拟输电线路电流的各种暂态现象，检测罗氏线圈电子式电流互感器的动态响应行为，为检验罗氏线圈电子式电流互感器适应变电站运行需求的能力、改善技术性能提供帮助。

Description

检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法

技术领域

本发明涉及智能变电站试验技术领域，是一种检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法。

背景技术

智能变电站利用电子式电流互感器将高压输电线路电流转换为数字化信号，供变电站继电保护装置使用。基于罗氏线圈原理的电子式电流互感器在我国智能变电站中已经应用。

图1给出罗氏线圈电子式电流互感器典型原理框图。图中，穿过罗氏线圈的一次电流i在罗氏线圈上感应出与一次电流的微分成正比的电压信号u，采集器对罗氏线圈输出的电压信号进行滤波处理和模拟/数字转换后用光纤将数字信号传送到合并单元，合并单元对数字信号做数值积分，获得测量电流i'。理想情况下，电子式电流互感器的测量值i'与i的实际值相等。

运行实践证明，输电线路带电操作过程中，罗氏线圈电子式电流互感器测量信号i'中可能出现输电线路电流i原本没有的附加动态分量，该附加动态分量可能导致继电保护装置误动作。

目前国内外主要针对电子式电流互感器测量工频信号时的延时特性和精度特性进行检测方法研究和仪器开发，未见对电子式电流互感器附加动态分量产生原因和检测方法开展研究的报道。

基于电子式互感器在变电站中的重要地位和应用前景，以及因电子式电流互感器附加动态分量使继电保护装置误动作造成的严重后果，研究罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量产生原因和检测附加动态分量的方法，具有重要技术价值。

本发明使用的技术术语：

电子式电流互感器：一类装置，采用电流传感器和信号处理电路将电网一次电流转换成数字信号，通过光纤将数字信号传送到继电保护装置。

罗氏线圈：一种由均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈构成的电流传感器，是罗氏线圈电子式电流互感器的一个组成部分。输电线路电流垂直穿过线圈圆心，线圈输出电压信号是输电线路电流对时间的微分。

采集器：电子式电流互感器的组成部分，用于将罗氏线圈输出的模拟量电压信号转换为数字信号。

合并单元：电子式电流互感器的组成部分，将多台电子式互感器采集器采集的信号进行合并处理，并将处理后的信号传送给继电保护装置使用。

附加动态分量：一种动态响应行为，指电子式电流互感器在数据采集处理过程中产生的不属于被测电流原有信息的附加信号分量。

智能变电站：变电站的一种型式，利用电子式互感器将变电站高压侧电压、电流信号转换成数字信号，供变电站继电保护装置使用。

电流行波：以一定速度沿着输电线路行进的电磁波。

发明内容

罗氏线圈电子式电流互感器是一种具有动态响应行为的设备。由于电网结构和变电站结构的复杂性以及电网操作和故障形态的多样性，检测罗氏线圈电子式电流互感器动态响应行为的最大困难是难以获取激发电子式电流互感器动态响应过程的大电流试验条件，以及没有可控、可测的检测电子式电流互感器动态响应行为的手段。

为解决罗氏线圈电子式电流互感器动态响应行为和宽频域稳态测量特性检测方法问题，本发明提出一种利用仿真方法计算输电线路电流i₁和罗氏线圈输出电压u₂、用模拟量再现方法将数字表达的罗氏线圈电压u₂转换为模拟量电压u₂'，将模拟量电压u₂'输入到被检测电子式电流互感器采集器，分析电子式电流互感器合并单元测量的i₁'与被测电流i₁的差别，实现检测罗氏线圈电子式电流互感器动态响应行为的目的。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，所述罗氏线圈电子式电流互感器包括罗氏线圈、采集器和合并单元；检测试验装置还包括数字/模拟转换器和宽频放大器；包括以下步骤：

构造罗氏线圈模型和采集器等效负载模型的步骤；

构建电网仿真模型的步骤：将罗氏线圈模型和采集器等效负载模型输入PSCAD电网电磁暂态仿真软件，构建包含罗氏线圈和输电线路的电网仿真模型并以200ns的步长完成电磁暂态仿真，得到包含输电线路电流值序列i₁(t)和罗氏线圈电压值序列u₂(t)的数据文件File；

确定自动扫描试验次数的步骤：自动扫描试验的试验次数其中，F_s是采集器采样频率；

连接自动扫描试验装置的步骤：将数字/模拟转换器、宽频放大器、采集器和合并单元依次连接；

在GPS秒脉冲发出时刻，进行自动扫描试验的步骤：将数据文件File中仿真的罗氏线圈电压值序列u₂(t)写入数字/模拟转换器，通过宽频放大器向采集器输出模拟量电压u₂'(t)，接收合并单元测量的输电线路电流值序列i₁'(t)；计算得到附加动态分量的数值序列Δi₁(t)＝i₁'(t)-i₁(t-Δt)，其中，Δt是所述罗氏线圈电子式电流互感器延迟时间；

重复进行自动扫描试验的步骤：在GPS秒脉冲发出时刻延时nμs，重复进行自动扫描试验的步骤，其中，n＝1,2,...,M-1。

进一步地，还包括以下步骤：计算每次自动扫描试验中罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的最大值Max|Δi₁(t)|≥k*I_e，其中，I_e为所述罗氏线圈电子式电流互感器额定电流，k为允许的附加动态分量最大值占额定电流的比例；统计M次自动扫描试验中附加动态分量超过允许值的次数。

其中，所述允许的附加动态分量最大值占额定电流的比例k＝0.05。

上述技术方案中，所述罗氏线圈模型由感应电势罗氏线圈电阻R_r、罗氏线圈电感L_r及罗氏线圈互感M_r串联后，再与罗氏线圈对屏蔽层电容C_r并联，其中i是罗氏线圈的输入电流，t是时间；所述采集器等效负载模型为串联的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i；

获取罗氏线圈模型参数的方法是：

利用PH02行波测距测试仪输出幅值为5A、频率为50Hz的方波信号作为被试罗氏线圈输入电流，利用fluck198示波器记录被试罗氏线圈输出电压，并测取罗氏线圈输出电压中自由振荡信号的频率f_z；

利用升流器将取自220V交流电源的试验电流升高至被试罗氏线圈电子式电流互感器额定电流I作为标准电流互感器和罗氏线圈的输入电流，利用NORMA 5000功率测量仪测量得到标准电流互感器输出电流I*和罗氏线圈输出电压U，计算罗氏线圈互感其中N为变流比，

将被试罗氏线圈两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V的试验信号，测量得到罗氏线圈电感L_r；

将被试罗氏线圈两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为f_z、幅值为1.0V的试验信号，测量得到罗氏线圈电阻R_r；

将被试罗氏线圈两端并联后连接到安捷伦E4980A，将被试罗氏线圈屏蔽层也连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V试验信号，测量得到罗氏线圈对屏蔽层电容C_r。

获取采集器等效负载模型参数的方法是：

将被试采集器两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V试验信号，测量得到采集器的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i。

本发明的技术效果在于，利用本发明提出的方法，可以模拟输电线路电流的各种暂态现象，检测罗氏线圈电子式电流互感器的动态响应行为。该方法可用于检验罗氏线圈电子式电流互感器适应变电站运行需求的能力，为改善罗氏线圈电子式电流互感器性能提供帮助。

附图说明

图1是罗氏线圈电子式电流互感器的原理框图；

图2是罗氏线圈模型图；

图3是测取罗氏线圈自由振荡频率的试验接线图；

图4是测量罗氏线圈互感的试验接线图；

图5是测量罗氏线圈电阻、电感的试验接线图；

图6是测量罗氏线圈对屏蔽层电容的试验接线图；

图7是采集器等效负载模型图；

图8是测量采集器输入电阻和输入电容的试验接线图。

具体实施方式

高压输电线路进行空载合闸操作时，输电线路会出现电流行波。电流行波在波阻抗发生变化的输电线路边界会形成波的折射和反射，电流行波的波长与电子式电流互感器采集器的采样频率呈一定关系时，由于电子式电流互感器积分环节的作用，会使罗氏线圈电子式电流互感器产生动态附加分量。

为解决罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量检测问题，本发明提出利用包含罗氏线圈模型、采集器等效负载模型和输电线路模型的小步长电磁暂态仿真方法模拟输电线路电流行波i₁和罗氏线圈输出电压u₂，用模拟量再现方法将仿真的数值结果u₂还原成罗氏线圈的模拟量电压信号u₂'，将u₂'接到被测电子式电流互感器采集器的信号输入端，分析被测电子式电流互感器合并单元测量电流i₁'与仿真电流i₁的差别，判断罗氏线圈电子式电流互感器测量结果中是否含有附加动态分量。

本发明采用的罗氏线圈模型见图2。

用下述方法获取罗氏线圈模型参数：

1)按照图3接线，利用PH02行波测距测试仪输出幅值为5A、频率为50Hz的方波信号作为罗氏线圈的输入电流，利用fluck198示波器记录罗氏线圈输出电压，并测取罗氏线圈输出电压中自由振荡信号的频率f_z。

2)按照图4接线，利用升流器将取自220V交流电源的试验电流升高至被试罗氏线圈电子式电流互感器额定电流I作为标准电流互感器和罗氏线圈的输入电流，利用NORMA5000功率测量仪测量标准电流互感器电流I*和罗氏线圈电压U，利用下式计算罗氏线圈互感M_r：

式中：

π：常数，π＝3.14159；

N：变流比，

3)按照图5接线，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V的试验信号，测量罗氏线圈电感L_r。再利用安捷伦E4980A输出频率为f_z、幅值为1.0V的试验信号，测量罗氏线圈电感电阻R_r；

4)按照图6接线，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V的试验信号，测量罗氏线圈对屏蔽层电容C_r；

按照上述方法测取罗氏线圈M_r、R_r、L_r、C_r参数后，按图2构建罗氏线圈模型：罗氏线圈模型由感应电势罗氏线圈电阻R_r、罗氏线圈电感L_r及罗氏线圈互感M_r串联后，再与罗氏线圈对屏蔽层电容C_r并联，其中i是罗氏线圈的输入电流，t是时间。

本发明采用的采集器等效负载模型见图7，为串联的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i。

按照图8接线，利用安捷伦E4980A输出1.0kHz、1.0V的试验信号，测量被试电子式电流互感器采集器的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i。

做电子式电流互感器动态响应行为测试时，完成下述试验步骤：

(1)将罗氏线圈模型和采集器等效负载模型输入PSCAD电网电磁暂态仿真软件，利用PSCAD电磁暂态仿真软件构建包含输电线路和罗氏线圈模型的电网仿真模型，以200ns的步长完成电磁暂态仿真，获取包含输电线路电流i₁(t)和罗氏线圈电压u₂(t)的数据文件File。

(2)按照下式确定自动扫描试验次数M：

式中：

M：自动扫描试验的试验次数；

F_s：采集器采样频率。

(3)将数字/模拟转换器、宽频放大器、采集器和合并单元依次连接。

(4)在GPS秒脉冲发出时刻做下述试验；

在GPS秒脉冲控制下，将仿真的u₂(t)数值写入数字/模拟转换器，由宽频放大器向被试电子式电流互感器采集器输出模拟量电压u₂'(t)；接收被试电子式电流互感器合并单元测量的线路电流i₁'(t)，利用下式计算附加动态分量数值，

Δi₁(t)＝i₁'(t)-i₁(t-Δt)

式中：

Δi₁(t)：罗氏线圈电子式电流互感器产生的附加动态分量的数值序列；

Δt：罗氏线圈电子式电流互感器延迟时间，由制造厂提供的设备参数；

i₁(t-Δt)：将电磁暂态程序仿真的输电线路电流i₁(t)延时Δt后的数值序列；

i₁'(t)：合并单元测量的输电线路电流值序列。

(5)在GPS秒脉冲出现时刻延时nμs时间，重复步骤(4)的试验，其中，n＝1,2,...,M-1。

(6)利用下式判断每次试验中得到的附加动态分量的最大值是否超出允许值：

Max|Δi₁(t)|≥k*I_e

式中：

Max|Δi₁(t)|：电子式电流互感器附加动态分量的最大值；

I_e：电子式电流互感器额定电流，设备参数；

k：允许的附加动态分量最大值占额定电流的比例，一般情况下，可以取k＝0.05。

(7)统计M次试验中附加动态分量超出允许值的次数。

本发明与现有技术的差别：

现有技术是利用工频电源获取试验需要的大电流，检测罗氏线圈电子式电流互感器对工频信号的测量性能，可以检测的内容有：

1)工频电流测量延迟时间；

2)工频电流测量精度；

本发明提出的方法与已有方法的差别是：

1)本发明提出建立包含罗氏线圈模型、采集器等效负载模型和输电线路的电磁暂态仿真模型，用小步长仿真方法模拟输电线路电流行波和罗氏线圈电压，用模拟量再现方法将仿真结果转换为模拟量信号并输出到被检测电子式电流互感器的采集器，解决了激发罗氏线圈电子式电流互感器动态响应过程的试验信号源问题；

2)本发明以GPS时间为基准，用改变输电线路电流行波发生时刻与电子式电流互感器采集器采样时刻相对时间差的方法，以扫描试验的方法检测电子式电流互感器的动态响应行为，快速检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的最大值和出现条件。

本发明的技术进步:

在智能变电站中，罗氏线圈型电子式电流互感器已获得应用。目前各种专业检测机构和现场检验均只检测电子式电流互感器测量工频电流时的延时特性和精度特性，未对罗氏线圈电子式电流互感器的动态响应特性进行检测。

与传统电磁式电流互感器不同，罗氏线圈电子式电流互感器是一个具有复杂动态响应行为的设备，仅对罗氏线圈电子式电流互感器的工频延时特性和精度特性进行检测，无法全面评估罗氏线圈型电子式电流互感器对继电保护装置技术性能的影响，也无法评估其对电网谐波的测量能力。

在高压电网中，电流互感器的额定电流可能超过3000A，电网故障时的电流可能达到50kA。检测罗氏线圈电子式电流互感器动态响应行为的最大困难是无法获得激发罗氏线圈电子式电流互感器动态响应过程的大电流。

本发明提出的方法解决了激发罗氏线圈电子式电流互感器动态响应过程的方法问题。利用本发明提出的方法，可以快速检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量，可以更加全面地评价罗氏线圈电子式电流互感器技术性能，为改进电子式电流互感器技术性能提供帮助。

Claims (4)

1.一种检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，所述罗氏线圈电子式电流互感器包括罗氏线圈、采集器和合并单元；检测试验装置还包括数字/模拟转换器和宽频放大器；其特征在于，包括

构造罗氏线圈模型和采集器等效负载模型的步骤；

构建电网仿真模型的步骤：将罗氏线圈模型和采集器等效负载模型输入PSCAD电网电磁暂态仿真软件，构建包含罗氏线圈和输电线路的电网仿真模型并以200ns的步长完成电磁暂态仿真，得到包含输电线路电流值序列i₁(t)和罗氏线圈电压值序列u₂(t)的数据文件File；

确定自动扫描试验次数的步骤：自动扫描试验的试验次数其中，F_s是采集器采样频率；

连接自动扫描试验装置的步骤：将数字/模拟转换器、宽频放大器、采集器和合并单元依次连接；

在GPS秒脉冲发出时刻，进行自动扫描试验的步骤：将数据文件File中仿真的罗氏线圈电压值序列u₂(t)写入数字/模拟转换器，通过宽频放大器向采集器输出模拟量电压u₂'(t)，接收合并单元测量的输电线路电流值序列i₁'(t)；计算得到附加动态分量的数值序列Δi₁(t)＝i₁'(t)-i₁(t-Δt)，其中，Δt是所述罗氏线圈电子式电流互感器延迟时间；

重复进行自动扫描试验的步骤：在GPS秒脉冲发出时刻延时nμs，重复进行自动扫描试验的步骤，其中，n＝1,2,...,M-1。

2.如权利要求1所述的检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，其特征在于，还包括：

计算每次自动扫描试验中罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的最大值是否大于或等于允许值，即Max|Δi₁(t)|≥k*I_e，其中，I_e为所述罗氏线圈电子式电流互感器额定电流，k为允许的附加动态分量最大值占额定电流的比例；

统计M次自动扫描试验中附加动态分量大于或等于允许值的次数。

3.如权利要求2所述的检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，其特征在于，所述允许的附加动态分量最大值占额定电流的比例k＝0.05。

4.如权利要求1或2或3所述的检测罗氏线圈电子式电流互感器附加动态分量的方法，其特征在于，

所述罗氏线圈模型由感应电势罗氏线圈电阻R_r、罗氏线圈电感L_r及罗氏线圈互感M_r串联后，再与罗氏线圈对屏蔽层电容C_r并联，其中i是罗氏线圈的输入电流，t是时间；

所述采集器等效负载模型为串联的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i；

获取罗氏线圈模型参数的方法是：

利用PH02行波测距测试仪输出幅值为5A、频率为50Hz的方波信号作为被试罗氏线圈输入电流，利用fluck198示波器记录被试罗氏线圈输出电压，并测取罗氏线圈输出电压中自由振荡信号的频率f_z；

利用升流器将取自220V交流电源的试验电流升高至被试罗氏线圈电子式电流互感器额定电流I_e作为标准电流互感器和罗氏线圈的输入电流，利用NORMA 5000功率测量仪测量得到标准电流互感器输出电流I*和罗氏线圈输出电压U，计算罗氏线圈互感其中N为变流比；

将被试罗氏线圈两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V的试验信号，测量得到罗氏线圈电感L_r；

将被试罗氏线圈两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为f_z、幅值为1.0V的试验信号，测量得到罗氏线圈电阻R_r；

将被试罗氏线圈两端并联后连接到安捷伦E4980A，将被试罗氏线圈屏蔽层也连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V试验信号，测量得到罗氏线圈对屏蔽层电容C_r；

获取采集器等效负载模型参数的方法是：

将被试采集器两端连接到安捷伦E4980A，利用安捷伦E4980A输出频率为1.0kHz、幅值为1.0V试验信号，测量得到采集器的等效输入电阻r_i和等效输入电容C_i。