变电站合并单元测试设备校验系统及其实现

欧阳帆, 朱维钧, 陈 宏, 肖俊先, 徐 浩, 李 辉

(1. 国网湖南省电力公司电力科学研究院, 湖南省长沙市 410007; 2. 湖南省湘电试验研究院有限公司, 湖南省长沙市 410004)

变电站合并单元测试设备校验系统及其实现

欧阳帆1, 朱维钧1, 陈 宏1, 肖俊先2, 徐 浩1, 李 辉1

(1. 国网湖南省电力公司电力科学研究院, 湖南省长沙市 410007; 2. 湖南省湘电试验研究院有限公司, 湖南省长沙市 410004)

针对变电站合并单元测试设备技术性能中“延时特性”和“准确度”两项关键的测试功能指标缺乏有效校验手段的问题,提出了一种针对变电站合并单元测试设备技术性能的校验方法,研制了相关校验系统,介绍了系统构成、技术指标。该校验系统基于高性能ARM处理器+现场可编程门阵列(FPGA)+高精度AD芯片的硬件系统,设计了电压、电流快速采样前置电路以减小采样延时误差,应用了定频采样高精度幅值和相位算法以实现对采样信号的高精度测量,设置了精确灵活的延时特性测试策略。随后,应用该校验系统开展了合并单元测试设备比对性测试,基本解决了变电站合并单元测试设备核心性能无法检测的实际问题。

智能变电站; 合并单元测试设备; 延时特性; 准确度; 校验系统

0 引言

依据智能变电站设计规范[1],目前在国家电网公司范围内,智能变电站的电气量采集环节采用的主要是“常规互感器+合并单元”方式。合并单元是智能变电站的重要构成部分,是供给智能化保护、测控装置电气量信号的重要输入源。由于在制造过程中选料、工艺等方面的因素,合并单元的性能随着外界环境影响、投运时间增长以及传感元件的老化而有可能发生变化。如果性能变化导致指标越限,与之相关的保护或测控装置都将会受到影响,甚至引起设备不正确动作,危及电网安全稳定运行[2-5]。因此,合并单元检验属于二次设备状态检修例行试验范围,须按期开展。国家电网公司针对合并单元性能给出了技术标准,其中“延时特性”和“准确度”是最关键的两项指标[6-8]。现场普遍应用的检验合并单元的主要设备是“合并单元测试设备”,但在使用中逐渐暴露了两个问题。

1)生产合并单元测试设备的厂家较多,型式多样,功能实现方法(及算法)也有不同,产品质量缺乏监管。

2)随合并单元测试设备提供的检测报告多为准确度校准,缺少对延时特性的校验结果,现场使用的设备难以有效送检,影响了设备的持续使用。

由于缺乏校验手段,电网运检单位难以对合并单元测试设备性能进行校验。当不同测试设备对同一个被测合并单元得出了差异化的测试结果时,电网检修人员往往无法准确评判设备状态。例如,在湖南某220 kV智能变电站投运一年的首次检修中,曾出现过某合并单元用一台测试仪测出的结果不符合要求,而用另一台测试却符合要求的情况。

相关问题也得到了行业研究人员的注意。文献[9-10]分析了合并单元数字采样各个环节延时的构成,文献[11]提出了合并单元详细的测试方案,但对怎样检验合并单元测试设备的延时特性和准确度检测功能,确保其测试精度,这方面的应用研究偏少。

为此,本文所属研究团队在检验合并单元测试设备性能方面开展研究,参与编制了能源行业标准NB/T 42087—2016《合并单元测试设备技术规范》[12],提出了一种用于检测合并单元测试设备性能的测试方法并研制了其校验系统[13],以解决现有应用技术中对合并单元测试设备主要性能缺乏有效测试的问题,为智能电网可靠运行和检修提供支持。

1 校验系统设计

1.1 设计思路

合并单元采样值报文的延时特性主要由采样转换、模数转化、数字处理延时三部分延时构成。对于同样的采样值报文,智能变电站的保护类和测控类装置有“点对点模式”和“组网模式”两种不同的接收机制。对于“点对点模式”,延时特性的误差是三者的累加,主要体现在采样后的数字处理延时;对于组网模式,由于规定了采样值报文序号与同步脉冲的时间关系(比如0序号报文规定是记录了在秒钟整点时刻采集的值),其延时特性的误差是采样转换和模数转化的误差累加,主要体现在模拟元件的引入误差[2,14]。准确度则体现了合并单元测量模拟量信号并反映模拟量真值的接近程度。合并单元测试设备发出模拟量给合并单元或与合并单元同时接收同源模拟量,并接收合并单元发出的采样值报文,将两种信号进行比较,来实现对合并单元性能的检测。因此,要对合并单元测试设备进行校验,就应当进行反向测试。

本文提出的合并单元测试设备校验方法,其原理是:模拟一个高精度的合并单元,将其输出接给被测的合并单元测试设备,按试验设置灵活输出不同幅值、不同延时的数字报文,观察合并单元测试设备测得的延时特性和准确度结果,并与试验设置数据进行比较,从而得到合并单元测试设备的测试误差,再对照标准指标来判断该合并单元测试设备是否满足使用要求。而这个模拟的高精度合并单元就是“合并单元测试设备校验系统”。

1.2 系统构成

如图1虚线框内所示,本文提出的合并单元测试设备校验系统(以下简称“校验系统”)主要由数字报文发生器模块,电流、电压高精度源模块,精确时钟模块、上位机模块和控制总板构成。

图1 合并单元测试设备校验系统构成图Fig.1 Diagram of calibration system for merging unit test equipment

校验系统各个组成模块的功能定义如下。

1)数字报文发生器模块:该模块采集来自系统内部电流、电压高精度源或者来自外部电流、电压源发来的模拟量信号,按配置转换为数字采样值信号,通过光纤与被测的合并单元测试设备相连,向其发送包含了数字采样值信号的数字报文(IEC 61850-9-2 采样值报文、FT3码)。

2)电流、电压高精度源模块:主要是一个标准源,用于向被测的合并单元测试设备发送高精度、高稳定度的电流、电压模拟量信号,通过试验线与被测的合并单元测试设备相连,该电流、电压模拟量信号也同时由系统内部发送给数字报文发生器模块。

3)上位机模块:是校验系统与实验人员的人机界面,实验人员通过上位机模块将测试指令下发,以控制数字报文发生器模块和电流、电压高精度源模块的工作。

4)精确时钟模块:作为精密时钟发生器,用于发生校验系统的时钟同步触发信号,保留了多种类型接口,可以输出包括秒脉冲、IRIG-B码时钟信号在内的多种同步信号,且均可以电或光编码形式传递。也设置了接入接口,可接收精度更高的外部时钟。

5)控制总板:用于实时处理和融合上述各模块交互通信,并接收上位机人机界面的测试指令。

校验系统与被测的合并单元测试设备通过光纤及试验电线连接。当采用校验系统本身精度源时,试验电线需从精度源接到被测设备(EUT),再接回数字报文发生器;当采用外部模拟源时,试验电线只需从外部模拟源接回到数字报文发生器。校验系统模拟变电站内电流和电压互感器二次侧模拟量,同时模拟合并单元产生数字报文,均发送给合并单元测试设备。通过精确调整输出信号的时差和幅值,与合并单元测试设备上显示的结果进行比较,以实现对合并单元测试设备的性能校验。

1.3 技术指标

按照精度测试的等级要求,测试设备的精度应比被测试设备精度高1至2个等级。国家电网公司企业标准对合并单元的采集及转换精度提出了相应的要求[8,15]。合并单元测试设备的精度要高于合并单元,从合并单元测试设备厂家提供的报告显示比值精度一般在0.05级,相位精度可以换算成采样响应的延时特性。因此,校验系统用于对合并单元测试设备进行检测,其精度级别必须更高。该校验系统设计为不低于0.02级,以实现高精度和测试灵活的要求。技术指标如下:电流、电压输出精度≤0.05%;电流、电压输出稳定度为0.005%/2 min;电流、电压输入额定值In和Un分别为5 A/1 A和57.735 V;电压在(20%～120%)Un范围内,电压比差≤0.02%;电压在(20%～120%)Un范围内,电压角差为0.2′;电流在(1%～120%)In范围内,电流比差≤0.02%;电流在(20～120%)In范围内,电流角差为0.2′;电流在(1%～20%)In范围内,电流角差为0.3′。

2 关键技术研究

针对合并单元测试设备的“延时特性”和“准确度”两项关键性能指标,构建了基于高性能ARM处理器+现场可编程门阵列(FPGA)+高精度AD芯片的硬件系统,设计了快速采样电路,配合精确算法,以实现校验系统的高精度测量。

2.1 电压电流快速采样前置电路设计

校验系统的数字报文发生器模块通过采集电流、电压信号并转换为数字报文输出。电压电流通道延时主要由AD前置驱动电路造成,因此在电路设计上需要兼顾采集高精度和处理延时固定。

1)电压采集通道设计

电压采样前置驱动电路如图2所示。被测电压通道输入额定电压为57.735 V,通过分压电阻转换为1 V左右的小电压信号,经过由高带宽精密仪表运算放大器组成的电压偏置电路转换为差分信号。其后,差分信号输入16位高速高精度AD,采样速率为100 Mbit/s,模数转换时间小于10 ns。

图2 电压快速采样前置通道原理图Fig.2 Principle diagram of voltage fast sampling pre-channel

2)电流采集通道设计

电流采样前置驱动电路如图3所示。被测电流输入范围设计为0.05～6 A,电流通道分为5 A量程和1 A量程。其中5 A通道采用50 mΩ分流电阻并经过放大转换为1 V左右的小电压信号,1 A量程电流通道采用1 Ω分流电阻转换为1 V左右的小电压信号。电压小信号经电压偏置电路转换为差分信号,差分信号输入24位高精度AD。由于电流通道与电压通道采用的前端电路和AD不同,采样过程中均以电压通道为基准,调整电流通道超前或滞后采样时间,消除电流通道角差。

为保证采集精度,必须严格控制元件选型。电压通道分压电阻采用了无感无容精密电阻;5 A/1 A电流通道的分流电阻采用了不小于30 W的大容量高精度分流器;模拟信号放大及电压偏置等信号调理部分电阻、系统电压温补基准元件选型应保证温飘特性和长期运行漂移特性优良。

图3 电流快速采样前置通道原理图Fig.3 Principle diagram of current fast sampling pre-channel

3)通道间延时差异控制

通道延时主要由AD前置驱动电路造成,一方面选择高稳定性元件提升整体性能,另一方面需要对通道间延时差异进一步调整确认。为此搭建了一个三通道数据采集器,专门测试前置驱动电路延时。该采集器3个通道采用相同电路设计,通道之间的角差小于0.05′,3个采样通道分别接至AD前置驱动电路输入端和电压电流两个输出端,采用正弦波信号进行测试。经测试,AD各通道传输延时差小于0.1 μs,折合工频相角误差约为0.11′。

分析可知,前置电路从信号输入到采样完成,综合延时误差不会超过0.2 μs。研制中,为尽量补偿信号传递过程中的延时造成的误差,系统将电压通道设置为提前0.1 μs采样。

2.2 定频采样高精度幅值和相位算法

采样频率调整适应性是本校验系统的测试项目之一,它通过适当调整电压电流频率来检查被测合并单元测试设备的读值准确度。智能变电站合并单元采用定频采样方式,工频每周期采样率采用80点采样。通常采用傅里叶变换计算离散采样序列幅值,要求为整数周期,而在实际测试过程中,频率偏离50 Hz时,可能造成“频率泄露”[16-19]。“频率泄露”是使计算结果出现误差的常见现象,不同厂家的合并单元测试设备对采样算法不尽相同,通常表现为计算所得幅值读数随时间变化围绕真实值波动,增大测量偏差,因此校验系统本身必须对因频率泄露带来的误差进行处置。相角计算也同样会碰到上述问题。为此,校验系统算法应用了一种定频采样高精度幅值和相角算法,可以以较小的运算量获得高精度的幅值和相位值。

1)定频采样高精度幅值算法

校验系统接收内部模块或外部仪器发来的模拟量信号,按测试要求,输入信号是基于基波的单一正弦波,谐波含量很小。因此,可以用基波同步采样得到一个离散采样序列,定义为X(k):

(1)

式中:k=0,1,2,…;A为采样序列幅值;N为按基波同步采样下每周期采样点数;fb为基波频率;f为输入信号的实际频率;θ为采样初始相角。此时A,f,θ未知,且A是待求对象。

若输入信号频率与基波频率有偏差,即f≠fb,则校验系统在基波同步采样频率下的N不能与输入信号周期同步,存在采集点数误差。为此,需要建立以输入信号频率为标准分割采样的离散采样序列。

首先,采用过零点算法对连续若干次获得值进行平均计算,得到实际采样序列的频率f;采样序列周期t=1/f,计算第一个过零点位置为tc0,则得到基于周期t的信号波形的初始相角θ:

(2)

对X(k)采用线性插值算法,按1/(Nf)采样间隔进行重采样,因输入信号源为单一正弦波,谐波含量很小,经仿真验证,由插值算法引入的幅值误差很小,相对于频率偏差引入的误差可以忽略。由此得到新的离散采样序列X(k)′:

(3)

X(k)′的采样频率与输入信号频率比固定为N,即X(k)′与输入信号频率同步,从而消除了采集点数误差。对采样序列X(k)′进行离散傅里叶变换(DFT)运算,由于频率偏差,还得不到幅值A,而是带有误差的幅值A′。在频率误差不变情况下,A与A′之间存在固定的误差系数n。

为求得n,相应地,依照X(k),在基波同步采样下构造一个离散采样序列Y(k):

(4)

与X(k)不同的是,Y(k)的幅值Ay已知。然后,同样采用线性插值算法按1/(Nf)采样间隔对离散采样序列Y(k)进行重采样,得到采样序列Y(k)′:

(5)

对采样序列Y(k)′进行DFT运算,得到带有误差的幅值Ay′。从而获得误差系数n:

(6)

由于X(k)与Y(k)方法一致,对Y(k)求得的误差系数n可直接用于X(k)。将式(6)的值代入X(k)序列,最终可得到离散采样序列X(k)的幅值A:

(7)

2)定频采样高精度相位算法

按照采样过零点的相位计算方法误差仍然较大,因此校验系统应用了一种定频采样高精度相位算法。相位算法与幅值算法相似,但独立运行。

设有离散采样序列X(k)(见式(1)),初始相角θ未知。构造一个与X(k)同幅值、同频率的离散采样序列X(k)′,并规定其初始相角为0°,如下式所示:

(8)

将X(k)与X(k)′两个序列逐点做差,可得新的序列ΔX(k):

(9)

因3个序列在向量图中的关系构成一个等腰三角形,如图4所示,ΔX(k)就是等腰三角形的底边,初始相角θ就是对应的顶角。

图4 定频采样相位算法各序列向量关系Fig.4 Vector relation of series in fixed frequency sampling phase algorithm

套用前述定频采样幅值方法,可计算得到序列ΔX(k)的幅值B,即图4的底边边长。再根据正弦公式很容易就可求得初始相角θ:

(10)

2.3 延时特性测试策略

对于合并单元测试设备,影响报文绝对延时时间的因素有采样值相角误差、报文延时设置时间、报文抖动时间。

为测试合并单元测试设备对数字报文采样值的相位误差的敏感度,校验系统从测试策略上采用正反逻辑,精准验证。可概括为以下几种方式。

1)通过改变采样通道的使能时间,调整AD采样时刻,实现在数字化采样值中精准叠加相位误差。

2)通过改变实际报文延时,与报文延时通道值构成偏差,实现对点对点模式下的延时误差精准设定。

3)通过设置报文延时时间为触发0序号报文与同步脉冲时间之间的误差,实现对组网模式下的延时误差精准设定。

4)通过预设的报文发送间隔抖动,实现报文抖动时间按照测试策略精准发生。

为保证系统实时性及报文绝对延时时间精确,系统同步、AD采样、报文发送控制器均由FPGA控制实现,合并单元测试设备显示所得误差即为其本身的精度误差。

校验系统以此适应技术规范要求,实现了对合并单元测试设备延时特性的精确、灵活的测试策略。

3 实测工作

3.1 测试方案

校验系统研制后,抽取了智能变电站调试检修现场应用较多的部分国内主流合并单元测试设备,开展比对性测试,主要考察延时特性和准确度。测试标准依据NB/T 42087—2016《合并单元测试设备技术规范》。

按集成方式,目前国内合并单元测试设备主要有两类:一类是需要外接标准测试源,在此简称“外接式”;一类是内置了测试源,简称“内置式”;而内置式测试设备根据其测试源信号是否引出又可分为“信号引出”和“信号不引出”两种。

测试项目包括对合并单元测试设备的准确度及延时特性两大项,各项按照智能变电站通用的点对点模式的误差发生机制进行测试。在点对点方式测试模式下,校验系统与被测合并单元测试设备直连,且对接入同步时钟与不接入同步时钟两种情况分别测试。

对于外接式合并单元测试设备,使用校验系统自带的高精度标准源,采用电压并联、电流串联方式加量,在不同负荷、不同相角情况下对比合并单元测试设备与校验系统显示的测试结果,取其最大、最小、平均值及误差;考察绝对延时方式与网络对时方式下,合并单元测试设备对数字报文延时特性稳态及发生改变时的分辨力。对于内置式合并单元测试设备,在上述测试方案基础上增加对其内置信号源准确度、稳定性的测试项目,取其各通道最大、最小、平均值及综合误差,按照误差叠加的原则测出准确度和延时特性,作为最终的合并单元测试设备的性能指标测试结果。

3.2 实测情况

共有来自5个厂家的6套主流设备参与了比对性测试。因测试项目及数据较多,不能一一列举,本文列出了各设备主要测试项目中基于额定量情况下的测试结果,如表1所示。

由表1可见,被测设备1和5的绝对延时特性误差超过了规定的小于2 μs的要求,设备3的内置信号源精度未满足高于0.05级的要求;其他设备基本满足技术规范中规定的准确度和延时特性要求。在测试中也发现了以下几种情况,可供相关读者参考。

1)部分设备对同一个输出量的延时特性进行测试时均存在一定固有偏差,且随额定延时变化而上下浮动,说明设备在运行的稳定性方面有待改进。

2)同一型号的不同设备在对同一个输出量的延时特性进行测试时,也发现了固有偏差现象,说明设备在出厂校验时,其校验设备本身存在偏差。

3)部分内置式合并单元测试设备的信号源稳定度偏低,影响了其测试综合指标。

表1 合并单元测试设备比对性测试结果Table 1 Comparison test result of merging unit test equipment

4 结语

本文介绍了一种智能变电站合并单元测试设备校验系统的结构构成、应用关键技术以及开展的比对性实测情况,为校验合并单元测试设备延时特性、准确度等关键性能提供了比较精确的方法依据,基本解决了智能变电站工作中普遍存在的合并单元测试设备校检难的实际问题,为电网企业对智能变电站设备的可靠运行、管理与维护提供了技术支持,也为设备厂家进一步提高自身设备性能提供了一种可靠的第三方参考依据。

该校验系统研发中应用了多种硬软件技术手段压缩了测量误差空间,对信号源与测试精度均实现考核,但对应用环境尤其是对工作环境温度范围有较高要求,因此更适用于在实验室环境下开展此类检验工作,这限制了其应用范围。此外,在模数转换等环节因器件非线性特征带来的延时离散性和校验系统溯源问题目前还不能从根本上解决,这是后续有待继续开展研究的课题。

本文研究得到国网湖南省电力公司科技项目(5216A5140026)的资助,谨此致谢!

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Calibration System for Substation Merging Unit Test Equipment and Its Implementation

OUYANGFan1,ZHUWeijun1,CHENHong1,XIAOJunxian2,XUHao1,LIHui1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Company, Changsha 410007, China; 2. Hunan Xiangdian Test Research Institute Co. Ltd., Changsha 410004, China)

In order to solve the problems of lack of effective calibration means for the two key test performance indices “delay characteristics” and “precision” in the technical performance of substation merging unit (MU) test equipment, a calibration method for the technical performance of substation MU test equipment is proposed. The corresponding calibration system is developed, and the composition of the calibration system and its technical indices are described. Based on the hardware system of “high performance ARM processor+FPGA+high precision AD chips”, the high-speed voltage and current sampling pre-circuit is designed to reduce the sampling delay error. And the fixed frequency sampling high-precision amplitude and phase measuring algorithm is adopted for high-precision sampling value measurement. A precise and flexible test strategy for time delay is adopted. Finally, the comparison test of the MU testing equipment using the calibration system has been carried out. The practical problem that the core performance of substation MU test equipment cannot be tested is basically solved.

smart substation; merging unit test equipment; delay characteristics; precision; calibration system

2017-02-27;

2017-04-12。

上网日期: 2017-06-14。

欧阳帆(1979—),男,通信作者,博士,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护技术、智能电网技术。E-mail： qqwjwww@163.com

朱维钧(1982—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护技术、智能电网技术。

陈 宏(1974—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护及其自动化技术、智能配电网技术。

(编辑 蔡静雯)