CN108508399B - 基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法 - Google Patents

基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有输变电线路和变电站中电容分压型电子式电压互感器电压的暂态过程不易模拟，开关拉合过程并不能反应其真正的暂态阶跃过程，直接一次暂态过程的测试还不现实的问题，提供一种基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法。该方法，包括：通过仿真软件建立系统的仿真模型，并将仿真的一次电压数据发送至测试主机；建立待测试的电子式电压互感器的仿真物理模型，将仿真物理模型的电容值和仿真的一次电压数据缩小；测试主机对软件积分结果和仿真物理模型积分环节结果的误差值进行分析。本发明通用性强可以兼容电子式电压互感器的硬件积分与软件积分两种模式。

Description

基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法
技术领域
本发明涉及电子式电压互感器暂态特性仿真测试相关技术领域，具体地说，针对电容分压的电子式电压互感器暂态特性测试，涉及一种基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法。
背景技术
在输变电线路和变电站中，电容分压型电子式电压互感器(ECVT)作为电力系统一次侧输入电压的传感设备已得到了广泛的使用，ECVT性能的好坏直接影响到继电保护、故障测距、监控等二次侧设备的正常工作。
ECVT的传感头具体结构组成如图1所示，主要包括电容分压器，一、二次电容分压器是ECVT实现电压测量功能的核心环节。电容分压器通过两个电容器C1和C2对一次侧的高压进行分压，从而得到二次侧低压。为了改善暂态性能，提高测量精度，通常在低压电容的两端并联一个精密的取样电阻R。如图2所示，电容分压器二次电压U2为一次电压U1的微分，因此在电容分压器输出侧加上积分环节即可实现对一次电压的测量。
国内电子式电压互感器的暂态测试基本都是在西安高压电器研究院进行测试，电子式电压互感器没有暂态测试项目，但电容分压原理的电子式电压互感器由于受其微分到积分的影响，而电压在故障时的还原过程会伴随着一个比较大的直流分量，这个直流分量对一些快速距离保护会产生比较大的影响。过去几年内已经发生了若干起由于电子式电压互感器暂态过程的直流分量导致距离保护的暂态超越故障的发生，这种情况不得不引起足够的重视。由于常规电压互感器并没有这个特性所以暂态特性测试工作一直没有开展，没有测试手段可以借用，所以目前必须开展电子式电压互感器的暂态性能研究以提高变电站的运行可靠性。
由于电压的暂态过程不易模拟，开关拉合过程并不能反应其真正的暂态阶跃过程，直接一次暂态过程的测试还不现实，只能采用一二次结合仿真的方法来实现电子电压互感器的暂态测试，目前关于电子式电压互感器的系统仿真暂态测试还是一片空白。
发明内容
本发明针对现有输变电线路和变电站中电容分压型电子式电压互感器，电压的暂态过程不易模拟，开关拉合过程并不能反应其真正的暂态阶跃过程，直接一次暂态过程的测试还不现实的问题，提供一种基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
一种基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，所述电子式电压互感器为电容分压的电子式电压互感器，其特征在于，包括：
通过仿真软件建立待测试的电子式电压互感器所在系统的仿真模型，按照真实系统故障仿真其电压在故障时的变化过程，并将仿真的一次电压数据发送至测试主机；
建立待测试的电子式电压互感器的仿真物理模型，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行缩小，测试主机将仿真的一次电压数据等比缩小后输出至仿真物理模型的一次侧；
测试主机采集仿真物理模型二次侧微分电压信号作为测试标准信号源，并对测试标准信号源进行软件积分，通过对软件积分结果和仿真物理模型积分环节结果的误差值进行分析，完成电子式电压互感器电压暂态测试。
本发明中，所述仿真软件通过上位机搭载，仿真的一次电压数据通过上位机发送至测试主机。
本发明中，采用MATLAB仿真软件，通过Simulink仿真一次电压数据，并按照2us至50us步长进行仿真离散点输出。
本发明中，所述测试主机包括PowerPC和FPGA，测试主机的数据传输通过FPGA实现。
本发明中，仿真物理模型的电容值为待测试的电子式电压互感器电容值的1/n，测试主机将仿真的一次电压数据缩小到1/n后输出至仿真物理模型的一次侧。
本发明中，测试主机输出至仿真物理模型的一次侧的电压数据为固定值，通过仿真的一次电压数据与固定值得到缩小比例，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行等比缩小。
本发明中，所述固定值为100。
本发明中，测试主机与仿真物理模型的一次侧之间设有电压型功率放大器，测试主机通过所述电压型功率放大器将仿真的一次电压数据缩小后输出至仿真物理模型的一次侧。
本发明中，所述仿真物理模型的取样电阻的阻值与待测试的电子式电压互感器的取样电阻的值相同。
本发明中，所述软件积分采用有损积分，积分公式为：
Figure GDA0002706069890000031
其传递函数为：
Figure GDA0002706069890000041
其中，Ω为输入信号的角频率，Ω＝2πf，H(0)＝R2/R1，Ω0＝1/(R2C)，R1为输入端电阻，R2为有损衰减电阻，C为积分电容，f为系统频率。
本发明中，暂态测试时暂态试验的起始时刻，通过突变量检测来捕捉，突变电压△u＝|u(t)–u(t-2T)|，t为当前时刻，T为一个工频周波时间，当△u>Uset时，判定为暂态起始，Uset为门槛电压，取0.4Up，其中，Up为系统一次电压基波分量的有效值。
本发明基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，有如下有益效果：
1、整个测试过程以simulink仿真作为数据源输出确保其暂态测试数据源的可信度。
2.搭建阻容仿真物理模型仿真电子式电压互感器的本体特性，使得微分过程是一个连续且真实的过程。
3.采用上位机进行软件积分还原，事后积分整个积分过程不受实时零漂的影响，不会产生积分震荡过程。
4.采用高精度宽频A/D进行采样，采样速率可达500kHz，使标准源的微分积分过程不受频率混叠的影响。
5.实时性，采用FPGA统一控制标准源A/D的采样、采集器的信号接收以及合并单元信号接收使得模拟量与数字量之间天然同步。
6.通用性强，同时采集采集器信号与合并单元信号，可以兼容电子式电压互感器的硬件积分与软件积分两种模式。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为现有技术中电容分压的电子式电压互感器传感头的结构示意图。
图2为现有技术中积分环节的结构示意图。
图3为本发明测试主机原理结构图。
图4为本发明基于simulink数字、模拟混合仿真的电子式电压互感器暂态测试原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的主旨在于，通过对现有输变电线路和变电站中电容分压型电子式电压互感器在电压的暂态过程分析中实际情况的分析，发现电容分压型电子式电压互感器，电压的暂态过程不太容易模拟，开关拉合过程并不能反应其真正的暂态阶跃过程，存在直接一次暂态过程的测试还不现实的问题，通过本发明提供一种基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法以解决上述问题。
参见图3和图4，本发明基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其中电子式电压互感器为电容分压的电子式电压互感器，其基本结构和工作原理，在背景技术中已经进行了阐述，对于本领域技术人员来说也是熟知的，此处不再进行累述。
本发明的基本原理是，通过仿真软件建立待测试的电子式电压互感器所在系统的仿真模型，按照真实系统故障仿真其电压在故障时的变化过程，并将仿真的一次电压数据发送至测试主机；
建立待测试的电子式电压互感器的仿真物理模型，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行缩小，测试主机将仿真的一次电压数据等比缩小后输出至仿真物理模型的一次侧；
测试主机采集仿真物理模型二次侧微分电压信号作为测试标准信号源，并对测试标准信号源进行软件积分，通过对软件积分结果和仿真物理模型积分环节结果的误差值进行分析，完成电子式电压互感器电压暂态测试。
这里，误差值是指测量过程中待测试的电子式互感器的输出信号与标准信号之间的差值，电力系统电网中发生各种类型的故障，故障会导致电压存在跌落过程，电压暂态测试误差就是指这个过程中待测试的电子式电压互感器的输出信号与标准信号的差值。
具体而言，整个测试系统以数字、模拟混合仿真作为测试源，通过上位机搭载MATLAB仿真测试软件利用其仿真模型建立待测试的电子式电压互感器所在系统的仿真模型，按照真实系统故障仿真其电压在故障时变化过程，将一次电压数据发送至测试主机。
本发明中，建立待测试的电子式电压互感器的仿真物理模型是一个重要的步骤，具体而言，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值是要进行缩小的。可以将仿真物理模型的电容值设置为待测试的电子式电压互感器电容值的1/n，测试主机将仿真的一次电压数据缩小到1/n后输出至仿真物理模型的一次侧。
除此之外，也可以采用另外的方式，例如本实施例中，测试主机输出至仿真物理模型的一次侧的电压数据为固定值，通过仿真的一次电压数据与固定值得到缩小比例，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行等比缩小。具体而言，可以将固定值设置为100，那么，通过仿真的一次电压数据Un/100，即可得到仿真的一次电压数据与固定值的缩小比例，将仿真物理模型的电容值按照Un/100比例进行缩小。
仿真物理模型的取样电阻的阻值与待测试的电子式电压互感器的取样电阻的值可以保持相同。因为，取样电阻的取值已经属于二次采样的过程了，仿真是利用二次来对一次输出进行仿真，二次的电阻不再需要再进行缩小。
在本实施例中，测试主机并不是直接将仿真的一次电压数据等比缩小后输出至仿真物理模型的一次侧，而是将电压数据以更小的电压模拟量的方式发送给电压型功率放大器，经过电压型功率放大器放大后，再输出至仿真物理模型的一次侧，只要保证电压型功率放大器输出的电压数据符合前述等比缩小的要求即可。可以理解的是，也可以不设置电压型功率放大器，测试主机直接将仿真的一次电压数据等比缩小后输出至仿真物理模型的一次侧。
测试主机采集仿真物理模型二次侧微分电压信号作为测试标准信号源，并对测试标准信号源进行软件积分，以避免阻容回路带来误差对测试结果的影响，通过对软件积分结果和仿真物理模型积分环节结果的误差值进行分析，完成电子式电压互感器电压暂态测试。仿真物理模型积分环节结果可以通过采集器进行采集，具体而言，测试主机的光串行接口采集来自采集器的信号对其积分环节进行测试。当然，本发明中还可以再设置合并单元，合并单元可以采集多个待测试的电子式电压互感器，其仿真物理模型积分环节输出的结果，测试主机接收来自合并单元的光纤以太网数据对电子式互感器的整体进行测试。在本实施方式中，测试主机以PowerPC和FPGA构成硬件核心，主CPU采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPCMPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。仿真模型的建立、仿真计算、人机交互的响应、FPGA数据的接口处理、暂态试验的录波等软件任务均在PowerPC上运行。
FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，DAC的控制，罗氏线圈二次电压仿真数据的发送等所有对时间有要求严格的工作。
数模转换电路采用AD9117数模转换器。AD9117具有14位分辨率、125MSPS转换速率、低功耗等特点。AD9117数模转换器为差分电流型输出，需通过DAC缓冲器将AD9117的输出转换成电压信号输出。
高速AD转换器采用TI公司的ADS5263模数转换器对信号进行采样。ADS5263具有16位的分辨率，4通道同步采样，差分输入，最高100M的采样速率等特性。由于其输入接口为差分输入，所以需要采用高精度低噪声的单端转差分驱动器进行前置调理。
以太网控制器为Intel公司LXT971。LXT971是单端口10/100M双速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT,100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质，选用Agilent AFBR5803作为光纤网络收发器。
电压型功率放大器采用LPA线性电压型功率放大器，确保其暂态过程输出电压信号不失真。
在进行测试时，上位机进行Simulink仿真，出于优选，可以采用上位机离线仿真待测试的电子式电压互感器所在系统，按照2us至50us步长进行仿真离散点输出。测试主机采用接收上位机离线仿真离散数据，通过FPGA控制D/A芯片输出小电压信号。电压型功率放大器将小电压信号放大至额定100V，作为一次测试的仿真电压源。按照被测电子式互感器的额定小电压信号的电压额定值搭建阻容分压回路，模拟电子式电压互感器的本体输出。采集微分后的小电压信号作为测试标准源信号，采样速率可以设置为500kHz，采用软件积分对信号进行还原。
为了使积分算法收敛采用有损积分，整个计算过程模拟硬件积分，其积分公式为：
Figure GDA0002706069890000091
其传递函数为
Figure GDA0002706069890000092
式中，Ω为输入信号的角频率，Ω＝2πf。H(0)＝R2/R1，Ω0＝1/(R2C)，f为系统频率，一般为50Hz。
分别采集采集器输出信号与合并单元输出信号作为试品，测试其最终输出信号以及过程信号测试其不同暂态传变精度。
暂态测试时暂态试验的起始时刻，通过突变量检测来捕捉，突变电压△u＝|u(t)–u(t-2T)|，t为当前时刻，T为一个工频周波时间，即20ms，当△u>Uset时，判定为暂态起始，Uset为门槛电压，取0.4Up，Up为系统一次电压基波分量的有效值。检测到暂态起始时刻后进行标准源和被测量的数据录波，突变前至少记录2周波数据，突变后根据试验时长进行记录，随后进行误差电压的提取并计算误差值。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，所述电子式电压互感器为电容分压的电子式电压互感器，其特征在于，包括：
通过仿真软件建立待测试的电子式电压互感器所在系统的仿真模型，按照真实系统故障仿真其电压在故障时的变化过程，并将仿真的一次电压数据发送至测试主机；
建立待测试的电子式电压互感器的仿真物理模型，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行缩小，测试主机将仿真的一次电压数据等比缩小后输出至仿真物理模型的一次侧；
测试主机采集仿真物理模型二次侧微分电压信号作为测试标准信号源，并对测试标准信号源进行软件积分，通过对软件积分结果和仿真物理模型积分环节结果的误差值进行分析，完成电子式电压互感器电压暂态测试。
2.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：所述仿真软件通过上位机搭载，仿真的一次电压数据通过上位机发送至测试主机。
3.根据权利要求1或2所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：采用MATLAB仿真软件，通过Simulink仿真一次电压数据，并按照2us至50us步长进行仿真离散点输出。
4.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：所述测试主机包括PowerPC和FPGA，测试主机的数据传输通过FPGA实现。
5.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：仿真物理模型的电容值为待测试的电子式电压互感器电容值的1/n，测试主机将仿真的一次电压数据缩小到1/n后输出至仿真物理模型的一次侧；
或者，测试主机输出至仿真物理模型的一次侧的电压数据为固定值，通过仿真的一次电压数据与固定值得到缩小比例，仿真物理模型的电容值相对待测试的电子式电压互感器电容值进行等比缩小。
6.根据权利要求5所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：所述固定值为100。
7.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：测试主机与仿真物理模型的一次侧之间设有电压型功率放大器，测试主机通过所述电压型功率放大器将仿真的一次电压数据缩小后输出至仿真物理模型的一次侧。
8.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：所述仿真物理模型的取样电阻的阻值与待测试的电子式电压互感器的取样电阻的值相同。
9.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：所述软件积分采用有损积分，积分公式为：
Figure FDA0002706069880000021
其传递函数为：
Figure FDA0002706069880000022
其中，Ω为输入信号的角频率，Ω＝2πf，H(0)＝R2/R1，Ω0＝1/(R2C)，f为系统频率，R1为输入端电阻，R2为有损衰减电阻，C为积分电容。
10.根据权利要求1所述的基于电子式电压互感器传递过程仿真的电压暂态测试方法，其特征在于：暂态测试时暂态试验的起始时刻，通过突变量检测来捕捉，突变电压△u＝|u(t)–u(t-2T)|，t为当前时刻，T为一个工频周波时间，当△u>Uset时，判定为暂态起始，Uset为门槛电压，取0.4Up，其中，Up为系统一次电压基波分量的有效值。
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