CN110749850A - 直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了特高压直流输电测试技术领域的一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法及系统，旨在解决现有技术中在对直流电子式电压互感器进行测试时，由于无法获取互感器的暂态阶跃响应时间，从而影响特高压直流输电系统控制可靠性的技术问题。所述方法包括如下步骤：产生直流阶跃电压信号；同步提取基于所述直流阶跃电压信号的标准源信号和试品信号，所述试品信号为直流电子式电压互感器接入所述直流阶跃电压信号时输出的电压信号；基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法及系统，属于特高压直流输电测试技术领域。
背景技术
随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，以及直流电网制造水平的不断提高，特高压直流输电技术在特高压输电领域受到越来越广泛的关注及应用。相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。电子式互感器作为特高压直流控制保护系统中的核心测量设备，面临着更高的可靠性要求，因而需在产品的设计、定型、出厂、维护过程中对其技术性能进行严格测试。
目前，特高压直流电子式电压互感器基本都是基于阻容分压原理的电子式电压互感器。直流电子式电压互感器利用精密电阻分压器传感直流电压，利用并联电容分压器均压并保证频率特性，利用复合绝缘子保证绝缘。直流电子式电压互感器绝缘结构简单可靠、线性度好、动态范围大，可实现对高压直流电压的可靠监测。直流电子式电压互感器的结构原理如图1所示，主要由直流分压器、电阻盒(低压分压板)、远端模块及合并单元组成，其中，合并单元放置于控制室内，通过光纤与远端模块相连接，直流电压互感器采样获得的信号，经合并单元送二次控制保护设备。
特高压直流电子式电压互感器的等效回路是一个阻容回路，其电压暂态阶跃时构成了一阶的阶跃响应回路，其阶跃响应函数如下：
其中，τ＝RC，
式中，U2(t)为阶跃响应函数，U2(∞)为阶跃电压初始值，e为自然对数的底数，t为时间，τ为电路的阶跃时间常数，ε(t)为单位阶跃响应函数，R为回路电阻，C为回路电容。
在对直流电子式电压互感器进行测试时，一般通过测试直流电子式电压互感器的直流稳态精度以及频响特性来验证其响应延时。但该测试方式并不能反映出其回路的阶跃时间常数，因而影响阶跃响应时间的计算精度，从而阶跃响应时间可能会影响整个柔直输电系统控制的可靠性。
目前，特高压直流电子式电压互感器的暂态阶跃试验都是在西高所进行雷电冲击试验。该试验是一种开环试验，其试验原理如图2所示，将由雷电电压发生器所产生的雷电电压施加于互感器的一次端，利用测试仪在直流电子式电压互感器的数字量输出端监视其数字量输出。该试验测试的是直流电子式互感器的阶跃上升时间，而无法对直流电子式电压互感器的暂态阶跃响应时间进行测试。为此，迫切需要一种特高压直流电子式电压互感器的暂态阶跃响应测试系统，实现对直流电子式电压互感器的暂态阶跃响应时间进行测试，以提高特高压直流输电系统控制的可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法及系统，以解决现有技术中在对直流电子式电压互感器进行测试时，由于无法获取互感器的暂态阶跃响应时间，从而影响特高压直流输电系统控制可靠性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，包括如下步骤：
产生直流阶跃电压信号；
同步提取基于所述直流阶跃电压信号的标准源信号和试品信号，所述试品信号为直流电子式电压互感器接入所述直流阶跃电压信号时输出的电压信号；
基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
优选地，所述直流阶跃电压信号的幅值不大于1000V，所述试品信号的提取方法，包括：
直流电子式电压互感器的直流分压器接入直流阶跃电压信号；
将所述直流分压器的输出信号放大至直流电子式电压互感器的电阻盒的输入电压范围以内；
提取直流电子式电压互感器的合并单元的输出信号。
优选地，所述标准源信号的提取方法，包括：
获取直流阶跃电压信号；
将获取的直流阶跃电压信号转化为数字信号；
提取所述数字信号。
优选地，基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间，包括：
获取标准源信号和试品信号由10％阶跃值达到90％阶跃值所需时长；
计算两个时长的差值，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
优选地，所述标准源信号和试品信号的同步提取方法，包括：按预设的直流电子式电压互感器暂态阶跃算法进行提取；
所述算法，包括：采用三次样条插值。
为达到上述目的，本发明还提供了一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，包括：直流阶跃电压发生器、标准源信号提取模块、直流电子式互感器校验仪，所述直流阶跃电压发生器分别通过标准源信号提取模块和直流电子式电压互感器与直流电子式互感器校验仪电性连接；
所述直流阶跃电压发生器用于产生直流阶跃电压信号；
所述直流电子式互感器校验仪通过标准源信号提取模块提取基于直流阶跃电压信号的标准源信号，通过直流电子式互感器校验仪同步提取基于直流阶跃电压信号的试品信号，基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
优选地，直流电子式电压互感器的直流分压器与直流阶跃电压发生器的直流分压器电性连接，用于接入直流阶跃电压信号；
所述直流阶跃电压信号的幅值不大于1000V，所述系统还包括电性连接于直流电子式电压互感器的直流分压器与电阻盒之间的信号放大模块，用于将所述直流分压器的输出信号放大至所述电阻盒的输入电压范围以内；
直流电子式互感器校验仪与直流电子式电压互感器的合并单元电性连接，用于提取合并单元的输出信号。
优选地，所述信号放大模块包括彼此电性连接的运算放大器和电压型线性功率放大器；
所述运算放大器的输入端与所述直流分压器电性连接，输出端与电压型线性功率放大器的输入端电性连接，用于将直流分压器的输出信号放大，并实现直流分压器与电压型线性功率放大器之间的阻抗匹配。
优选地，所述标准源信号提取模块包括电阻分压器和模数转换器；
所述电阻分压器与直流阶跃电压发生器电性连接，用于获取直流阶跃电压信号；
所述模数转换器与电阻分压器电性连接，用于将获取的直流阶跃电压信号转化为数字信号；
所述直流电子式互感器校验仪与模数转换器电性连接，用于提取所述数字信号。
优选地，所述电阻分压器为金属箔电阻分压器。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：利用精密电阻分压器分压获取暂态阶跃响应时间小的标准源信号，同步提取基于同一直流阶跃电压信号的标准源信号和直流电子式电压互感器输出的试品信号，计算标准源信号和试品信号由10％阶跃值达到90％阶跃值所需时长，再计算两个时长的差值，便可获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。本发明方法及系统中，采用输出电压不大于1000V的低电压直流阶跃电压发生器，使得阶跃源具有良好的暂态特性，降低了成本，减小了体积，在大多数场合均可进行测试工作；利用分散布置的金属箔电阻分压器分压，降低杂散电容的影响，使得标准源信号的暂态阶跃响应时间近似为0；信号放大模块采用二级放大，确保了试品信号在放大过程中的保真性；信号放大模块中的一级放大采用输入阻抗近似无穷大的运算放大器，因而可与直流分压器直接连接，降低了电路复杂程度。直流电子式互感器校验仪内置高精度恒温时钟源，用于给标准源信号和试品信号的采样提供稳定的时钟信号，以保证时标的准确性，确保了所提取标准源信号和试品信号的同步性；测试算法采用三次样条插值，以提高试品离散值在10％时的时标精度，从而确保了暂态阶跃响应时间的测试精度。
附图说明
图1是本发明背景技术中所述特高压直流电子式电压互感器的原理示意图；
图2是本发明背景技术中所述雷电冲击试验的原理示意图；
图3是本发明方法实施例中所述直流电子式电压互感器暂态阶跃算法框图；
图4是本发明系统实施例的连接结构示意图；
图5是本发明系统实施例中所述信号放大模块的内部连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本发明具体实施方式提供了一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，所述方法包括如下步骤：
(1)利用输出电压不大于1000V的低电压直流阶跃电压发生器产生直流阶跃电压信号，低电压直流阶跃电压发生器的输出电压通常为50V～1000V，将该直流阶跃电压信号作为一次电压信号，分别接入精密电阻分压器和直流电子式电压互感器的直流分压器，所述精密电阻分压器通常采用金属箔电阻分压器，以确保分压精度；
(2)精密电阻分压器将暂态直流阶跃电压信号分压为能够被模数转换器采样的小电压信号，再由模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)将该小电压信号转化为数字信号，以此数字信号作为标准源信号；
(3)利用信号放大模块按前述直流阶跃电压信号相对于直流电子式电压互感器额定输入电压的缩小倍数，将由所述直流分压器分压的小电压信号放大至直流电子式电压互感器的电阻盒的电压取值范围以内，放大后的小电压信号接入电阻盒，再通过直流电子式电压互感器的合并单元输出试样信号；
(4)利用直流电子式互感器校验仪分别读取来自模数转换器的标准源信号和来自合并单元的试品信号，先对标准源信号和试品信号进行同步处理，再基于同步后的标准源信号和试品信号，进行直流电子式电压互感器暂态阶跃响应测试。
所述直流电子式电压互感器暂态阶跃响应测试，其原理为：基于同步后的标准源信号和试品信号，先获取标准源信号和试品信号由10％阶跃值达到90％阶跃值的时间，再计算这两个时间的差值，即可获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间，其计算公式如下：
Td＝t2-t1，
式中，Td为直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间，t2为试品信号由10％阶跃值达到90％阶跃值的时间，t1为标准源由10％阶跃值达到90％阶跃值的时间。
前述对标准源信号和试品信号进行同步处理，是指对标准源信号和试品信号在10％阶跃值时的时标进行同步，从而精确计算标准源信号和试品信号达到90％阶跃值所需时间，进而提高测试精度。
对标准源信号和试品信号进行同步处理的方法，是采用预设的直流电子式电压互感器暂态阶跃算法，如图3所示，是本发明方法实施例中所述直流电子式电压互感器暂态阶跃算法框图，其中，
(1)关于广义多项式曲线拟合
其计算公式如下：
式中，fi为最佳多项式拟合的第i个元素，f为最佳多项式拟合的输出序列，m为多项式阶数，aj为多项式系数a的第j个元素，xi为输入数组x的第i个元素。选择最小二乘法，通过对上式最小化残差，查找多项式模型的多项式系数：
式中，wi为权重w的第i个元素，yi为插值y的第i个元素，n为y的长度。经曲线拟合后，基于拟合曲线求取阶跃高值与低值，进而可以求取阶跃10％和90％是所对应的幅值。
(2)关于三次样条插值
由于输入数组x与插值y的长度相同，均为n，即x0＜x1＜…＜xn-1，则有：
f(xi)＝yi，
插值函数g(x)为分段函数，即：
式中，函数Pi(x),i＝1,2,3……n-2，为满足下列条件的三阶多项式：
g(xi)＝yi＝pi(xi)，
在xi连续处的一阶和二阶导数连续，i＝1,2,3……n-2，则有：
g'(xi)＝p'i(xi)＝p'i-1(xi)，
g"(xi)＝p"i(xi)＝p"i–1(xi)，
式中，g"(xi)为三次样条插值后，插值函数g(x)的二阶导数；
在区间[xi，xi+1]中，通过下式输出插值y：
y＝Ayi+Byi+1+Cy"i+Dy"i+1，其中，
B＝1-A，
式中，A、B、C、D均为多项式系数。上述公式推导过程是为了对图3中的标准源与试品的非周期分量进行离散值的值域求取。
本发明具体实施方式提供了一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，该系统用于实现前述发明方法。如图4所示，是本发明系统实施例的连接结构示意图，所述系统包括直流阶跃电压发生器、精密电阻分压器、模数转换器、信号放大模块、直流电子式互感器校验仪，所述直流阶跃电压发生器分别与精密电阻分压器的输入端和直流电子式电压互感器的直流分压器电性连接，精密电阻分压器的输出端通过模数转换器与直流电子式互感器校验仪电性连接，所述信号放大模块电性连接于直流电子式电压互感器的直流分压器与电阻盒之间，直流电子式电压互感器的合并单元接入直流电子式互感器校验仪。
低电压直流阶跃电压发生器：其输出电压不大于1000V，通常为50V～1000V，用于产生直流阶跃电压信号，该直流阶跃电压信号分别接入精密电阻分压器和直流电子式电压互感器的直流分压器；
精密电阻分压器：采用金属箔精密电阻，用于将暂态直流阶跃电压信号分压为能够被模数转换器采样的小电压信号；
模数转换器：用于将该小电压信号转化输出为数字信号，该数字信号即前述标准源信号；
信号放大模块：用于将由所述直流分压器分压的小电压信号放大至直流电子式电压互感器的电阻盒的电压取值范围以内，放大后的小电压信号接入电阻盒，再通过直流电子式电压互感器的合并单元输出试样信号；
直流电子式互感器校验仪：用于提取前述标准源信号和试样信号，在对标准源信号和试品信号同步后，基于同步后的标准源信号和试品信号进行直流电子式电压互感器暂态阶跃响应测试。
下面，结合另一实施例对本发明系统进行详细描述。
(1)低电压直流阶跃电压发生器
利用大功率全控型电力电子器件进行直流电压暂态阶跃输出控制，包括：采用三相工频电源接入D/Y型换流变，经过三相6脉冲全控整流桥，给高压大容量电容矩阵储能，累积试验所需暂态阶跃电能；通过放电回路中的控制阀与整流桥的配合控制，进行高压电能的放电控制，在被测直流电子式电压互感器一次侧形成最高1000V的暂态测试阶跃信号，即前述直流阶跃电压信号；
(2)精密电阻分压器
该精密电阻分压器采用金属箔精密电阻，其电阻精度可达10-6，阻值温度系数可达±0.3×10-6/℃，分布电容可低于0.5pF，分布电感可低于0.1μH，电阻分压比为1000/5；
(3)模数转换器(ADC)
ADC的信号调理回路实现就地采样，采用电池供电，高精度ADC器件转化输出的数字信号，通过光纤输送至低压侧的直流电子式互感器校验仪，以实现信号隔离；
(4)信号放大模块
该信号放大模块采用二级放大，如图5所示，是本发明系统实施例中所述信号放大模块的内部连接结构示意图，信号放大模块由运算放大器和电压型线性功率放大器两部分组成，运算放大器负责将直流电子式电压互感器的直流分压器的输出信号进行适度放大，实现直流分压器与电压型线性功率放大器之间的阻抗匹配。对于对于正负800kV的直流电子式电压互感器来说，其直流分压器的分压比为800kV/50V，低电压直流阶跃电压发生器输出1000V的测试阶跃信号时，直流分压器分压输出的电压信号只有6.25mV。信号放大模块在对该6.25mV信号进行放大处理时，先由运算放大器将该6.25mV信号放大至2.5V，再由电压型线性功率放大器将该2.5V信号放大至电阻盒可以处理的50V信号。
(5)直流电子式互感器校验仪
采用双采样内同步的架构体系，同时对标准源和试品的数字信号进行分析，从而计算得出直流电子式电压互感器的暂态阶跃测试结果。
着眼于解决特高压直流输电系统中直流电子式电压互感器的暂态阶跃响应测试问题，针对现有直流电子式电压互感器的技术特点，同时为满足各个厂家数字量的数字化报文输出的差异性，本发明方法及系统具有以下技术特点：
1、电压阶跃时间短。采用输出电压不大于1000V的低电压直流阶跃电压发生器，使得阶跃源具有良好的暂态特性(不会受幅值的限制)，且极大地降低了成本，减小了体积，在大多数场合均可进行测试工作；
2、标准源响应时间快。采用纯精密电阻分压，分散布置，降低杂散电容的影响，暂态阶跃响应时间近似为0；
3、试品信号放大不失真。信号放大模块采用二级信号放大，可保证试品信号在放大过程中的保真性；
4、阻抗匹配。信号放大模块由运算放大器和电压型线性功率放大器两部分组成，运算放大器的输入阻抗近似无穷大，因而可与直流分压器直接连接；
5、同步性好。采用高精度恒温时钟源给试品以及标准采样提供稳定的时钟信号，以保证时标的准确性。
6、暂态响应测试时间精度高，采用三次样条插值，以提高试品离散值在10％的时标精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，其特征是，包括如下步骤：
产生直流阶跃电压信号；
同步提取基于所述直流阶跃电压信号的标准源信号和试品信号，所述试品信号为直流电子式电压互感器接入所述直流阶跃电压信号时输出的电压信号；
基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
2.根据权利要求1所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，其特征是，所述直流阶跃电压信号的幅值不大于1000V，所述试品信号的提取方法，包括：
直流电子式电压互感器的直流分压器接入直流阶跃电压信号；
将所述直流分压器的输出信号放大至直流电子式电压互感器的电阻盒的输入电压范围以内；
提取直流电子式电压互感器的合并单元的输出信号。
3.根据权利要求1所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，其特征是，所述标准源信号的提取方法，包括：
获取直流阶跃电压信号；
将获取的直流阶跃电压信号转化为数字信号；
提取所述数字信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，其特征是，基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间，包括：
获取标准源信号和试品信号由10%阶跃值达到90%阶跃值所需时长；
计算两个时长的差值，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
5.根据权利要求4所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试方法，其特征是，所述标准源信号和试品信号的同步提取方法，包括：按预设的直流电子式电压互感器暂态阶跃算法进行提取；
所述算法，包括：采用三次样条插值。
6.一种直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，其特征是，包括：直流阶跃电压发生器、标准源信号提取模块、直流电子式互感器校验仪，所述直流阶跃电压发生器分别通过标准源信号提取模块和直流电子式电压互感器与直流电子式互感器校验仪电性连接；
所述直流阶跃电压发生器用于产生直流阶跃电压信号；
所述直流电子式互感器校验仪通过标准源信号提取模块提取基于直流阶跃电压信号的标准源信号，通过直流电子式互感器校验仪同步提取基于直流阶跃电压信号的试品信号，基于同步提取的标准源信号和试品信号，获取直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间。
7.根据权利要求6所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，其特征是，直流电子式电压互感器的直流分压器与直流阶跃电压发生器的直流分压器电性连接，用于接入直流阶跃电压信号；
所述直流阶跃电压信号的幅值不大于1000V，所述系统还包括电性连接于直流电子式电压互感器的直流分压器与电阻盒之间的信号放大模块，用于将所述直流分压器的输出信号放大至所述电阻盒的输入电压范围以内；
直流电子式互感器校验仪与直流电子式电压互感器的合并单元电性连接，用于提取合并单元的输出信号。
8.根据权利要求7所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，其特征是，所述信号放大模块包括彼此电性连接的运算放大器和电压型线性功率放大器；
所述运算放大器的输入端与所述直流分压器电性连接，输出端与电压型线性功率放大器的输入端电性连接，用于将直流分压器的输出信号放大，并实现直流分压器与电压型线性功率放大器之间的阻抗匹配。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，其特征是，所述标准源信号提取模块包括电阻分压器和模数转换器；
所述电阻分压器与直流阶跃电压发生器电性连接，用于获取直流阶跃电压信号；
所述模数转换器与电阻分压器电性连接，用于将获取的直流阶跃电压信号转化为数字信号；
所述直流电子式互感器校验仪与模数转换器电性连接，用于提取所述数字信号。
10.根据权利要求9所述的直流电子式电压互感器暂态阶跃响应时间测试系统，其特征是，所述电阻分压器为金属箔电阻分压器。
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