用于行波保护测试的暂态信号发生器关键技术

董新洲，冯 腾，王 飞

（清华大学 电机系，北京 100084）

0 引言

作为电力系统继电保护领域重要的新兴研究方向之一，基于高频暂态行波信息的故障检测技术近年来已得到了迅速的发展。以行波原理为理论基础的保护、故障测距和故障选线装置不断被研制开发，这使得行波类继电保护装置的性能测试技术成为了受到广泛关注的研究领域。

传统的继电保护测试手段包括：电力系统动态模拟、实时数字仿真器（RTDS）和传统的微机型继电保护测试仪，它们由于所用模型或输出频率限制等原因无法真实再现故障行波信号，因此并不适用于基于暂态行波故障信息的继电保护装置的性能测试［1］。暂态行波保护测试仪［1-2］应用多路高精度高速数模转换和宽频率功率放大技术，有效地解决了上述问题，为行波类继电保护装置的研制、开发、试验、检测以及工程应用提供了有利的技术支持，并成功应用于输电线路行波故障测距装置［3-4］、配电线路单相接地行波保护装置［5］、配电线路单相接地行波选线装置［6-7］、输电线路行波方向比较式纵联保护装置［1］等的测试中。

暂态行波保护测试仪包括暂态信号发生器、行波大电流功率放大器和行波高电压功率放大器3个部分。暂态信号发生器可将故障数据（电力系统的现场录波数据或电力系统仿真软件所计算生成的仿真数据）不失真地转换成模拟电压小信号，并输出至电压、电流功率放大器，起到了“故障行波信号源”的作用。

作为暂态行波保护测试仪的重要组成部分，暂态信号发生器的概念最早出现于20世纪90年代［2］，后经不断改进，逐步形成了现在的多路同步输出的高频高精度任意波形信号发生器。本文对文献［1］中暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器部分的若干关键技术问题进行讨论与研究。针对故障数据的处理方法、高速高精度数模转换的实现方案以及多路模拟输出的同步性等问题进行了深入分析。最后，通过试验验证了暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器工作的可靠性和有效性。

1 暂态信号发生器的技术要求与工作原理

1.1 暂态信号发生器的技术要求

为了使暂态行波保护测试仪能够真实地再现暂态行波故障信息的特征，测试仪输出的最高频率应达到100 kHz以上［1］。因此，暂态信号发生器在进行数模转换时的数字量输入时间间隔应远小于5 μs，在此段时间内应保证多路数模转换全部完成，本文中选择1.5 μs的时间间隔。

暂态行波保护测试仪的输出信号幅值应尽量实现连续可调。若能保证暂态信号发生器数模转换输出的幅值分辨率（能够实现的最小幅值变化量）小于0.1 mV，则使用放大倍数为10的电压功率放大和电流功率放大时（即1 V放大为10 V或10 A），暂态行波保护测试仪最终输出的电压可实现分辨率达1 mV的连续可调，电流可实现分辨率达到1 mA的连续可调，满足测试需要。

同时，暂态行波保护测试仪需实现多路电压、电流信号的同步输出。测试中，常使用电力系统中的三相电压、三相电流、零序电压以及零序电流信号，这就要求暂态信号发生器可实现8路模拟信号同步输出。

此外，为方便测试，暂态信号发生器还应实现对故障发生前的系统正常运行时间和故障后稳态时间的自由控制。

1.2 暂态信号发生器的工作原理

暂态行波保护测试仪暂态信号发生器部分由嵌入式计算机（上位机）、数模转换模块和开关量检测回路3个模块组成，其工作原理如图1所示，具体说明如下。

图1 暂态信号发生器工作原理图Fig.1 Working principle diagram of transient signal generator

a.嵌入式计算机可以运行专用的上位机软件，将利用电磁暂态程序（EMTP）计算出的电力系统暂态故障仿真数据或者故障录波装置记录的故障录波数据经格式转换后传送到数模转换模块，并接收开关量检测回路反馈的被测装置动作情况，进行分析后形成测试报告。

b.数模转换模块由数字信号处理器（DSP）及其外围电路、高精度高速数模转换电路和前置功率放大部分组成。DSP接收到上位机传送的数据信息和开始试验的命令后，将电力系统故障数据输出至数模转换电路，通过逻辑器件控制实现多路同步，并通过前置功率放大后生成故障模拟电压小信号输出至功率放大系统。

c.开关量检测回路可记录被测试装置的动作信息，并反馈至上位机。

1.3 暂态信号发生器的关键技术

综合上述分析，在暂态信号发生器的研发过程中应重点考虑如下关键技术：

a.通过合理的故障数据分割和循环输出实现自由控制故障发生前系统的正常运行时间和故障后的稳态时间；

b.通过选取合适的数模转换器及其外部运放实现高速高精度的数模转换，保证在1.5 μs的时间间隔内完成多路数模转换，并满足输出幅值分辨率小于0.1 mV；

c.通过多路开关和采样保持的时序配合实现8路模拟信号同步输出。

2 故障数据处理

故障数据通常来自电力系统的现场录波数据或是电力系统仿真软件所计算生成的仿真数据。其长度往往较短，常为几十到几百毫秒。若想自由控制故障发生前系统的正常运行时间和故障后的稳态时间，需要对故障数据进行分割。通常将故障数据分割为如下几个部分。

a.故障前系统正常运行时的数据。该段数据只需截取1个周期即可，由于该部分为正弦信号，变化较为平缓，因此，其输出频率可适当降低，以节省存储空间。可通过调整该段重复播放的次数实现对故障发生前系统正常运行时间长度的控制。

b.从故障发生时刻开始至行波信号发生若干次折反射后的数据。一般情况下该段数据长度约为几毫秒。该段数据中包含丰富的故障信息，各类基于行波原理的故障检测装置均采集该段数据进行分析。因此，应保证该段数据的输出频率尽可能高，取为暂态信号发生器的最高输出频率。

c.此后的暂态行波过程涉及较多次折反射波的叠加，故障检测装置不易使用该部分波形，因此可略微降低其输出频率。该部分波形应一直持续到某个会使系统发生突变的事件发生，如保护装置动作、故障发展、故障转移等。

d.每当会使系统发生突变的事件发生时，均应重复步骤b、c，以保证暂态行波初始过程的精确。

e.当系统进入故障后的稳态时，每个周期的波形基本不变，该段数据只需截取1个周期即可，由于该部分近似为正弦信号，变化较为平缓，因此，其输出频率可适当降低，以节省存储空间。可通过调整该段数据重复播放的次数实现对故障后稳态时间长度的控制。

针对每组仿真数据，在已知每次突变事件发生时刻（如按照时间先后顺序依次设为 t1、t2、…、tn）后，可将数据分为 2n+2个部分，记作 case0、case1、…、case2n+1。对于每个case，应考虑数据范围、输出频率和循环输出次数3个因素，如表1所示。

表1 各部分数据的数据范围、输出频率和循环输出次数Table 1 Data range，output frequency and cycle output times of different parts of data

图2为输电线路发生故障后母线处的A相电流波形。100 ms时，线路发生A相金属性接地故障，130 ms时发展为三相短路故障。

图2 故障后的A相电流波形Fig.2 Waveform of phase-A current after fault

按照前文分析，共有2次会使系统发生突变的事件发生，因此应将数据分成6个部分。第1次突变事件发生时刻t1为100 ms，case0的数据范围为t1前20 ms至t1，即80ms至100ms。 case1的数据范围为t1至t1后若干毫秒，此处取3 ms，即100 ms至103 ms。case2的数据范围为case1结束至第2次突变事件发生时刻t2，即103 ms至130 ms。case3的数据范围为t2至t2后若干毫秒，即130 ms至133 ms。case4的数据范围为case3结束至进入稳态，case5的数据范围为进入稳态后的一个周期。分割后的各case波形如图3所示。

图3 各部分数据的波形Fig.3 Waveform of different parts of data

从上述分析可知，实现合理的故障数据分割的前提是准确地获知各次系统突变事件的发生时刻。当故障数据为电磁暂态仿真软件获得的仿真数据时，由于各次系统突变事件时刻是仿真设定的，可以直接得到，并不存在困难。而当故障数据为现场的故障录波数据时，则需要对数据波形进行分析，人工确定各次系统突变事件的发生时刻，进而对故障数据进行分割。

此外，当选择现场的故障录波数据作为数据源时，应选用高精度的故障录波器，其采样频率应足够高。若录波器采样频率过低，则无法真实记录故障行波信息，无法测试基于行波原理的继电保护装置。

3 高速高精度数模转换的实现

数模转换指的是从数字信号到模拟信号的转换，实现数模转换的电路称为数模转换器。暂态信号发生器部分的核心是高速高精度数模转换。

数模转换器主要由基准电源、位权网络、寄存器、模拟开关和求和电路组成。其工作原理如下：基准电源作用在位权网络上产生与各位数字量对应的模拟量，寄存器中所存储的数字量的各位数码分别控制对应的模拟开关接通位权网络产生的各模拟量，求和电路对各模拟量进行求和，从而实现数字信号到模拟信号的转换。

3.1 数模转换精度和转换速度

为实现高速高精度的数模转换，需对数模转换精度和转换速度［8-9］进行着重分析。

在数模转换中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。较高的分辨率是高精度数模转换的必要条件。在无其他数模转换误差的理想状态下，转换精度就是分辨率的大小。分辨率用输入二进制数码的位数给出，也可用数模转换器能够分辨出的最小电压与最大输出电压之比给出分辨率。N位数模转换器的分辨率为 1／（2N-1）。

若希望暂态信号发生器数模转换输出的幅值分辨率小于0.1 mV，则当数模转换器的最大输出电压为5 V时，其位数应满足：

由式（1）可解得N≥15.6，即应至少选用16位的数模转换器。

由于数模转换的各个环节在参数和性能上与理论值之间不可避免地存在着差异，因此各类转换误差也会影响转换精度。转换误差表示实际的数模转换特性和理想转换特性之间的最大偏差，主要包括比例系数误差、平移误差和非线性误差等。

比例系数误差和输入数字量的大小成正比，多由参考电源偏离标准值所引起。平移误差使转换特性曲线发生平移，为一常数，与输入数字量的数值无关，可由所用运算放大器的零点漂移引起。非线性误差既非常数也不与输入数字量成正比，可由电路中模拟开关的导通内阻以及导通压降、所使用的电阻网络中电阻阻值的不精确、所用三极管之间特性的不一致等多方面原因引起。

此外，当输入的数码发生突变时，可能有多个模拟开关需要改变开关状态，由于它们的动作速度不同，会产生动态转换误差。

数模转换速度取决于数模转换器的建立时间。所谓建立时间，是指从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压值进入与稳态值相差±0.5LSB（最低有效位）范围以内的时间。如所用数模转换器中未集成运放，还应考虑外部运放的建立时间。

当暂态信号发生器选用16位数模转换器和32位DSP时，只能同时实现2路数模转换。若需实现8路模拟信号的同步输出，可对DSP数据线进行复用，1.5 μs内先后完成4路数模转换。因此，数模转换器和外部运放的建立时间应小于375 ns。

3.2 数模转换器类型的选择

根据权重信号的不同，数模转换器可以分为电压式、电荷式和电流式，其中电流式可进一步分为电阻网络型和电流舵型［10-11］。

电压式开关树型数模转换器由电阻分压器和接成树状的开关网络组成，由于所用开关数量随数模转换位数的增加呈指数增长，因此不适用于高分辨率数模转换器。电荷式权电容网络数模转换器利用电容分压原理工作，在输入数字量位数较多时各个电容的电容量相差很大，影响集成度，且电容充、放电时间的增加也降低了转换速度。电阻网络型数模转换器利用电阻网络将电压转换为电流，其中的模拟开关有一定的导通电阻和导通压降，且每个开关的情况又不完全相同，影响转换精度。

电流舵型数模转换器采用恒流源，不再受开关内阻和压降的影响，没有大电容需要充电，速度较快，且便于集成，可在规模可控的条件下达到较高的精度和速度。按照译码方式的不同，电流舵型数模转换器可分为二进制码型、热偶码型和分段译码型3种。

二进制码型可利用R-2R网络实现，其输入可直接控制电流开关，无需额外的译码电路，整个转换电路的版图面积很小。但是，R-2R网络存在着由于电阻匹配度不够精确所产生的误差，特别是当输入数据位数很大时，转换误差更大。热偶码型首先将输入二进制数码译成热偶码，由热偶码控制信号驱动完全相同的电流开关，得到转换后的输出电流。输出电流随输入数码单调变化，有效避免了二进制码结构中的毛刺问题，具有动态转换误差小的优点。同时，当输入数据位数很大时，可大幅减小数模转换误差，提高转换器的性能。但是，译码电路增加了路径延时，降低了数模转换速度，另外随着电流支路数的增多，芯片面积也极大地增加了。分段译码型将以上2种译码方式进行折中，其基本思想是将输入数码分成低位和高位分别进行译码。高位数码采用热偶码，即控制电流大小相等的电流支路；低位数码采用二进制直接译码的方式，即控制电流大小倍增的电流支路。这样的译码方式使得转换精度和芯片面积都有很好的折中，既解决了全热偶码型芯片面积大的问题，又改善了二进制码结构转换误差大的问题，适用于暂态信号发生器。

3.3 所选数模转换器及其外部运放性能分析

暂态信号发生器所选用的数模转换芯片为一款16位的高速电流舵型数模转换器，同时具备良好的交流和直流性能，其硬件结构如图4所示。

图4 数模转换器及其外部运放工作原理示意图Fig.4 Principle diagram of DA converter and its external operational amplifier

该芯片内部集成有温度补偿带隙基准电压源，其利用一个与温度成正比的电压和一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，实现对比例系数误差的控制。该电压源可通过内部控制放大器和外部电阻的配合产生芯片所需电流源。芯片内的边沿触发式输入锁存器可有效消除由于输入各位数字量不同步导致的输出信号毛刺。芯片采用分段电流源架构，高位数字量通过译码器生成热偶码，低位数字量使用R-2R网络生成电流源阵列，所用激光微调薄膜电阻具备较高的精度，可有效减小非线性误差。芯片专有的开关技术，可抑制动态转换误差。

作为一款电流输出的数模转换器，其电流输出送至外部运放的求和点，从而提供缓冲电压输出。所选用的运放可以较好地抑制零点漂移，从而减小平移误差。

此外，所用数模转换芯片的建立时间为25 ns，外部运放的建立时间为16 ns，满足暂态信号发生器要求。

4 多路模拟信号输出的同步

暂态信号发生器应满足多路模拟信号同步输出的要求。当其选用16位数模转换器和32位DSP时，只能同时实现2路数模转换。对于8路同步模拟信号，应在4路数模转换依次完成后同时输出，若4路均由同一数模转换器完成，则需要2级采样保持电路配合实现。下面以8路模拟信号同步输出为例，分析暂态信号发生器多路模拟信号同步输出的实现方案。

8路模拟信号同步输出的实现方案如图5所示。在数模转换芯片后连接一个多路开关，将不同路的数字量在同一片数模转换芯片中进行数模转换，得到的模拟量通过多路开关输出至多个第一级采样保持芯片。多路开关联通哪个采样保持芯片，该采样保持芯片就置于采样状态；多路开关联通其他采样保持芯片时，该采样保持芯片就置于保持状态。在第一级多路采样保持芯片均得到模拟信号后，第二级采样保持芯片置于采样状态随后保持，以保证多路同步输出。

图5 多路同步输出的实现方案Fig.5 Implementation scheme of multi-channel synchronous outputs

由于采样了多路开关和2级采样保持，其时序配合十分关键，多路同步输出的时序配合如图6所示。其中，CLK0—CLK3为数字量控制信号，对应4路信号的数字量输入，当某一CLK为“1”时，则DSP数据线输出对应路的16位数字信号至数模转换器。在此期间，数模转换器的时钟信号给出一上升沿，完成数模转换。随后，通过多路开关和两级采样保持的配合实现多路同步输出。

图6 多路同步输出的时序配合Fig.6 Sequential coordination of multi-channel synchronous outputs

5 暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器测试结果

5.1 暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器正弦波测试

利用仿真软件生成不同频率、不同幅值的正弦波测试信号，使用示波器对暂态行波保护测试仪暂态信号发生器的输出波形进行检测，测试结果见表2。

上述结果均为5次测量值的平均值。当输出频率大于10 kHz的正弦波时，由于输入数字量的点数过少，输出波形会出现较大跳变，不宜进行测试。从表2所示结果可以看出，测试仪暂态信号发生器的输出效果十分理想。

表2 暂态信号发生器的正弦波测试结果Table 2 Testing results of sine wave output of transient signal generator

5.2 暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器方波测试

利用仿真软件生成不同频率、不同幅值的方波测试信号，使用示波器对暂态行波保护测试仪暂态信号发生器的输出波形进行检测，测试结果如表3所示。

表3 暂态信号发生器的方波测试结果Table 3 Testing results of square wave output of transient signal generator

表3所示结果均为5次测量值的平均值，从表中可以看出，测试仪暂态信号发生器的输出效果十分理想。

5.3 暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器故障波形测试

图7为仿真数字信号与暂态行波保护测试仪暂态信号发生器输出信号的对比图。从图中可以看出，暂态行波保护测试仪的暂态信号发生器输出的信号与仿真数字信号除有很小的毛刺外，并无实质性差异，验证了暂态信号发生器输出信号的准确性和有效性。

图7 仿真数字信号与暂态信号发生器输出信号的对比Fig.7 Comparison between simulative digital signal and output signal of transient signal generator

6 结语

暂态行波保护测试仪能够满足测试基于暂态行波故障信息的各类新型电力系统继电保护装置的需要，其暂态信号发生器部分可对故障数据进行高速高精度数模转换，输出多路同步的小电压模拟信号。为自由控制故障测试波形，本文提出了合理有效的故障数据分割方法。通过对数模转换的详细分析，选出了符合暂态行波保护测试仪要求的数模转换芯片及其外部运放。为实现多路模拟信号的同步输出，本文设计了多路开关和2级采样保持电路相互配合的实现方案。最后，通过试验验证了暂态行波保护测试仪暂态信号发生器工作的可靠性和有效性。

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