CN111044965A

CN111044965A - 一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法

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Publication number: CN111044965A
Application number: CN201911292471.3A
Authority: CN
Inventors: 杨朋威; 张平; 刘春晖; 齐英伟; 万泉; 汤汉松
Original assignee: JIANGSU LINGCHUANG ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Eastern Inner Mongolia Power Co Ltd
Current assignee: JIANGSU LINGCHUANG ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Eastern Inner Mongolia Power Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN111044965B

Abstract

本发明公开一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，包括：接收配置参数，生成阶跃测试数据；对阶跃测试数据进行转换得到模拟小电压信号；对模拟小电压信号进行转换得到大电流阶跃信号；输出大电流阶跃信号，采集测试反馈信号；基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算；趋稳后，生成下一次的阶跃测试数据。本发明还公开一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统。本发明在趋稳的情况下进行基于第一次阶跃值的二次阶跃，其测试结果可靠且不容易对电流源系统造成伤害。

Description

一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法

技术领域

本发明涉及特高压直流输电测试领域，尤其涉及一种特高压直流电子式电流互感器暂态阶跃测试电流源的实现方法，具体为一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法。

背景技术

暂态阶跃特性是衡量在直流输电一次系统电气量发生变化时，直流互感器对原始信号反应及复原的重要参数指标，是直流控保系统正确可靠运行的重要保障，对直流输电系统的工程实施应用有极大影响。直流互感器在国内进行出厂和现场检测的试验条件十分匮乏，一般只进行过出厂检测试验，且主要是对直流的稳态准确度进行测试，缺乏对互感器的暂态阶跃特性研究及相应的大电流高性能测试功率源实现技术。工程应用中对直流互感器阶跃响应的上升时间、过冲、趋稳时间等指标已有明确要求，但由于缺乏可用的暂态阶跃信号源，该项测试一直没有真正开展，现有的测试方法均不够全面。因此，研究直流互感器的阶跃上升、过冲及稳定时间等阶跃性能指标，研制多次直流阶暂态跃测试功率源，建立完整可靠的直流互感器阶跃响应的仿真测试系统，是现阶段直流互感器测试领域迫切需要研究的重要关注点。

目前直流电流暂态测试源一般都是利用电力电子PWM的方波发生器来实现直流电流的暂态阶跃测试源，这种测试源只能进行单次由0到1的电流阶跃的测试，而直流输电的控制过程电流呈现的是一种快速多次阶跃信号，此时对于直流电流互感器的阶跃响应要求更加严格。图1所示为阶跃响应函数波形，图1中，c(t)为二阶阶跃响应函数，t_d为中值时间，t_r为上升时间，t_p为最大过冲时间，t_s为趋稳时间，σ_p为最大过冲值，σ_p‘为瞬时值最大误差。暂态阶跃过程受功率源内部回路电容、电阻以及负载电感等影响，暂态阶跃过程呈现二阶阶跃函数的响应过程，此阶跃特性并不完全由阶跃源本身决定，测试过程受负载电感的影响更大，所以无法提前预设趋稳时间，如在没有趋稳的情况下进行基于第一次阶跃值的二次阶跃对测试结果是不可信的且容易对电流源系统造成伤害。为了获得快速可靠的多次阶跃的电流测试信号，所以目前迫切需要一种实时趋稳实时反馈的直流暂态阶跃源来实现直流输电的控制过程电流的快速多次阶跃测试。

发明内容

本发明为了提高特高压直流输电系统的可靠性，并针对目前现有特高压直流电子式电流互感器的技术应用现状，提供一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，以满足特高压直流输电对于直流电子式电流互感器的多次阶跃的测试要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，包括

接收配置参数，生成阶跃测试数据；

对阶跃测试数据进行转换得到模拟小电压信号；

对模拟小电压信号进行转换得到大电流阶跃信号；

输出大电流阶跃信号，采集测试反馈信号；

基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算；

趋稳后，生成下一次的阶跃测试数据。

优选地，基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算进一步包括：

依据采集的测试反馈信号判断是否突变量启动；

在判断为突变量启动时，执行数据窗等待；

在数据窗内，求取稳态直流值；

依据稳态直流值，求取瞬时误差值；

依据瞬时误差值判断是否趋稳；

在判断为电流输出趋稳时，发送下一次的阶跃测试数据。

优选地，在判断为非突变量启动时，继续采集测试反馈信号。

优选地，当判断为电流输出不趋稳时，继续采集数据窗内的电流瞬时采样值，返回求取瞬时误差值。

优选地，所述配置参数包括阶跃次数和阶跃目标值。

优选地，所述配置参数由上位机设定，所述测试反馈信号经处理后回送至上位机进行显示。

一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统，包括：

主控模块，用于接收配置参数、生成阶跃测试数据，将生成的阶跃测试数据传送至数模转换模块，以及对模数转换模块发送的数据进行采样和趋稳计算；

数模转换模块，用于对主控模块发送的阶跃测试数据进行数模转换，得到模拟小电压信号；

高精度稳压电源模块，分别连接数模转换模块和大功率线性电源模块，用于阶跃测试过程的电源信号稳定；

大功率线性电源模块，分别连接高精度稳压电源模块和模数转换模块，用于将模拟小电压信号转换成大电流阶跃信号进行输出以及提供测试反馈信号；

模数转换模块，用于采集测试反馈信号并进行模数转换后发送给主控模块。

优选地，所述主控模块为集成了FPGA+ARM的双核CPU，其中，FPGA内核用于接收ARM内核发送的阶跃测试数据，进行处理后发送至数模转换模块，以及接收模数转换模块的数据，进行处理后发送至ARM内核；ARM内核用于接收配置参数，生成阶跃测试数据，进行趋稳计算，并在趋稳后再进行下一次阶跃测试数据的生成，以及将阶跃测试数据发送至FPGA内核。

优选地，所述主控模块与上位机连接，所述主控模块接收上位机设定的配置参数，所述上位机显示测试反馈信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明方法依据配置参数生成阶跃测试数据，对阶跃测试数据进行数模转换得到模拟小电压信号，对模拟小电压信号进行转换得到大电流阶跃信号，同时，采集测试反馈信号进行趋稳计算，并在趋稳后生成下一次的阶跃测试数据，该方法在趋稳的情况下进行基于第一次阶跃值的二次阶跃，其测试结果可靠且不容易对电流源系统造成伤害。

(2)本发明系统通过主控模块接收配置参数、生成阶跃测试数据并发送、进行趋稳计算，通过数模转换模块得到模拟小电压信号，通过高精度稳压电源模块稳定阶跃测试过程的电源信号，通过大功率线性电源模块得到大电流阶跃信号，通过模数转换模块得到测试反馈信号，主控模块对测试反馈信号进行趋稳计算，并在趋稳后生成下一次的阶跃测试数据；通过该系统可以获得快速可靠的多次阶跃的电流测试信号，实现直流输电的控制过程电流的快速多次阶跃测试。

附图说明

图1为阶跃响应函数波形。

图2为根据本发明实施例的实现系统的示意图。

图3为根据本发明实施例的实现方法的示意图。

图4为根据本发明实施例的趋稳计算流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一方面提供一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统，该系统包括：主控模块，用于接收配置参数、生成阶跃测试数据，将生成的阶跃测试数据传送至数模转换模块，以及对模数转换模块发送的数据进行采样和趋稳计算；数模转换模块，用于对主控模块发送的阶跃测试数据进行数模转换，得到模拟小电压信号；高精度稳压电源模块，分别连接数模转换模块和大功率线性电源模块，用于阶跃测试过程的电源信号稳定；大功率线性电源模块，分别连接高精度稳压电源模块和模数转换模块，用于将模拟小电压信号转换成大电流阶跃信号进行输出以及提供测试反馈信号；模数转换模块，用于采集测试反馈信号并进行模数转换后发送给主控模块。该系统可以获得快速可靠的多次阶跃的电流测试信号，实现直流输电的控制过程电流的快速多次阶跃测试。

如图2所示，所示主控模块采用集成了FPGA+ARM的双核CPU，其中，FPGA内核用于接收ARM内核发送的阶跃测试数据，进行处理后发送至数模转换模块，以及接收模数转换模块的数据，进行处理后发送至ARM内核；ARM内核用于接收配置参数，生成阶跃测试数据，进行趋稳计算，并在趋稳后再进行下一次阶跃测试数据的生成，以及将阶跃测试数据发送至FPGA内核。

具体地，主控CPU采用ZYNQ，ZYNQ芯片是基于XILINX公司的ZYNQ7000系列的XC7Z020-2CLG484I。ZYNQ芯片的PS系统集成了两个ARM Cortex-A9处理器以及Artix-7FPGA。ZYNQ芯片的FPGA内部含有丰富的可编程逻辑单元，DSP和内部RAM。

如图2所示，所示数模转换模块采用D/A转换芯片。D/A转换芯片采用ADI公司的AD5683R，这是一款16位单通道转换器，其相对精度为±2LSB INL，内置2ppm/℃ 2.5V基准电压源；采用节省空间的2mm×2mm 8引脚LFCSP和10引脚MSOP封装，可在更小的电路板空间中实现更多的功能；2mV总非调整误差，无需初始校准或调整；4kV HBM ESD额定值，实现了系统稳健性。

如图2所示，所示模数转换模块采用A/D转换芯片。A/D转换芯片采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片是具备1.5LSB INL、400k SPS指标的差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

如图2所示，所述大功率线性电源模块包括线性功率放大器。其中，线性功率放大器采用推挽式电路，最大输出电流可达600A，稳态输出精度优于0.2％。功率放大器以高精度功率模块配合大功率低干扰线性电源实现，输入端采用复杂平衡输入线路，减小功率放大器在电力系统强干扰环境下共模噪声影响，中间级使用超低零漂，超低温漂运放保证直流精度，输出级采用MOS功率器件配合高精度低温漂无感检流电阻完成大电流转换，并设计多级热保护、过载保护保证系统安全。所示检流电阻采用箔电阻。

如图2所示，所述主控模块与上位机连接，所述主控模块接收上位机设定的配置参数，所述上位机显示测试反馈信号。其中，上位机软件采用LABVIEW编程实现人机交互，实时显示测试反馈波形。

作为一种实施方式，如图2所示的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统中，上位机设定阶跃次数及阶跃目标值后将配置参数下发至主控CPU，主控CPU下发阶跃信号给D/A转换芯片，D/A转换芯片输出模拟小电压信号至高精度稳压电源，再通过大功率线性电源输出大电流阶跃信号。A/D转换芯片将箔电阻上的小电压信号转换成数字信号由主控CPU采集进行趋稳计算后再通过上述系统进行二次以及后续的多次阶跃输出。

另一方面，本发明还提供一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，如图3所示，包括：接收配置参数，生成阶跃测试数据；对阶跃测试数据进行转换得到模拟小电压信号；对模拟小电压信号进行转换得到大电流阶跃信号；输出大电流阶跃信号，采集测试反馈信号；基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算；趋稳后，生成下一次的阶跃测试数据。该方法在趋稳的情况下进行基于第一次阶跃值的二次阶跃，其测试结果可靠且不容易对电流源系统造成伤害。

作为一种实施方式，采用如图2所示的系统实现实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源，其方法包括以下步骤：

步骤1，上位机通过人机交互，配置下发所需测试电流源的阶跃次数以及每次阶跃的目标值；

步骤2，ARM内核接收配置的阶跃次数以及每次阶跃的目标值，生成阶跃测试数据发送给FPGA内核，FPGA内核将阶跃测试数据发送至D/A转换芯片；

步骤3，D/A转换芯片将阶跃测试数据转换成模拟小电压信号；

步骤4，模拟小电压信号经高精度稳压电源后达到大功率线性电源，通过大功率线性电源将模拟小电压信号转换成大电流阶跃信号；其中，高精度稳压电源负责整个测试过程的电源信号稳定，大功率线性电源负责将模拟小电压信号转换为大功率的阶跃电流信号输出；

步骤5，输出大电流阶跃信号，采集箔电阻上的模拟小电压信号作为测试反馈信号；

步骤6，反馈的模拟小电压信号经A/D转换芯片转换成数字信号后，发送至FPGA内核；

步骤7，FPGA内核对该数字信号进行采样后发送至ARM内核；

步骤8，ARM内核进行趋稳计算；并在趋稳后，生成下一次的阶跃测试数据，并将新的阶跃测试数据发送至FPGA内核；

步骤9，ARM内核将反馈采样数据回送至上位机，在上位机上显示测试电流波形。

作为一种实施方式，如图4所示，步骤8中的趋稳计算进一步包括：

步骤8.1，依据采集的测试反馈信号判断是否突变量启动；

Δi＝|[i(t)-i(t-T)]–[i(t-T)-i(t-2T)]|

其中，i为电流瞬时值，t为当前时刻，T为一个工频周波。当Δi大于启动定值时判为突变量启动。

步骤8.2，在判断为突变量启动时，执行数据窗等待；在判断为非突变量启动时，继续采集测试反馈信号。

步骤8.3，在数据窗内，求取稳态直流值；

直流分量的提取取10ms时间窗数据，采取广义多项式拟合用来计算直流分量幅值，消除掉谐波信号及噪声等影响。

广义多项式拟合使数据拟合为由下列等式表示的多项式函数：

f为最佳多项式拟合的输出序列，x是输入序列X，a是多项式系数，m是多项式阶数。选择最小二乘法，依据下列等式最小化残差，查找多项式模型的多项式系数：

N是Y的长度，w_i是权重的第i个元素，f_i是最佳多项式拟合的第i个元素，yi是Y的第i个元素。

对f_i进行FFT变换获得稳态直流分量值I₀，当稳态直流分量值I₀变化小于0.5％时则稳态直流分量求取成功。

步骤8.4，依据稳态直流值，求取瞬时误差值；

σ_p‘＝MAX(i_n-I₀)

其中，I_n为5ms数据窗内电流瞬时采样值。

步骤8.5，依据瞬时误差值判断是否趋稳；

具体为：σ_p‘<I₀*0.015时判断为电流输出趋稳。当判断为电流输出不趋稳时，继续采集数据窗内的电流瞬时采样值，返回求取瞬时误差值。

步骤8.6，在判断为电流输出趋稳时，发送下一次的阶跃测试数据。

本发明为了解决特高压直流输电直流电子式电流互感器的暂态阶跃响应测试问题，针对现有直流电子式电流互感器的技术应用特点，为了满足不同现场测试负载的差异性，具有以下技术特征：

1、一体化设计。将控制系统与功放系统作为一个整体进行设计，直接采集线性功放内部箔电阻的电压作为反馈值，不与外部测试系统发生关系，电流源系统可独立实现电流输出。

2、实时反馈。对采样数据进行实时计算并反馈结果，大大缩短了连续阶跃的间隔时间，10ms内可实现电流信号的连续阶跃。

3、系统延时短。采用FPGA+ARM的双核作为主控CPU，减少系统内部数据交互时间，缩短整个系统实时反馈的时间。

4、计算精度高。采用广义多项式拟合提取暂态阶跃过程直流分量，消除掉谐波信号及噪声等影响。

5、系统安全高。采用实时瞬时值进行误差计算，避免由于振荡频率的变化带来的计算误差，有效提高整个系统的测试安全性。

6、高速采样。反馈采集数据采样速率达到500kHz，消除由于离散采集采样速率不够带来的计算误差。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，包括：

接收配置参数，生成阶跃测试数据；

对阶跃测试数据进行转换得到模拟小电压信号；

对模拟小电压信号进行转换得到大电流阶跃信号；

输出大电流阶跃信号，采集测试反馈信号；

基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算；

趋稳后，生成下一次的阶跃测试数据。

2.根据权利要求1所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，基于采集的测试反馈信号进行趋稳计算进一步包括：

依据采集的测试反馈信号判断是否突变量启动；

在判断为突变量启动时，执行数据窗等待；

在数据窗内，求取稳态直流值；

依据稳态直流值，求取瞬时误差值；

依据瞬时误差值判断是否趋稳；

在判断为电流输出趋稳时，发送下一次的阶跃测试数据。

3.根据权利要求2所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，在判断为非突变量启动时，继续采集测试反馈信号。

4.根据权利要求2所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，当判断为电流输出不趋稳时，继续采集数据窗内的电流瞬时采样值，返回求取瞬时误差值。

5.根据权利要求1所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，所述配置参数包括阶跃次数和阶跃目标值。

6.根据权利要求1所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现方法，其特征在于，所述配置参数由上位机设定，所述测试反馈信号经处理后回送至上位机进行显示。

7.一种实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统，其特征在于，所述主控模块为集成了FPGA+ARM的双核CPU，其中，FPGA内核用于接收ARM内核发送的阶跃测试数据，进行处理后发送至数模转换模块，以及接收模数转换模块的数据，进行处理后发送至ARM内核；ARM内核用于接收配置参数，生成阶跃测试数据，进行趋稳计算，并在趋稳后再进行下一次阶跃测试数据的生成，以及将阶跃测试数据发送至FPGA内核。

9.根据权利要求7所述的实时趋稳反馈的直流暂态阶跃电流源的实现系统，其特征在于，所述主控模块与上位机连接，所述主控模块接收上位机设定的配置参数，所述上位机显示测试反馈信号。