电子式电流互感器传变延时测试方法研究

余　越，李岩军，詹智华，李　睿

（1.电网安全与节能国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京市海淀区 100192；2.国网江西省电力有限公司，江西南昌 330077）

0　前言

电子式互感器作为智能变电站的重要设备之一，负责将一次侧的模拟量信号转换为数字量信号给二次侧的保护控制和测量设备，其对信息采集的准确性直接关系到变电站的安全与稳定，电子式互感器对信号的测量准确性主要包含2个方面——幅值和相位[1]。幅值的精度由电子式互感器的硬件变比决定，在工程中容易实现和处理，而相位的精度不仅与电子式互感器系统的硬件结构密切相关，还与系统内软件处理相关，较为复杂，不易测定。而电子式电流互感器输入输出的相位差最直观的反应就是传变延时。

传变延时测量的准确性直接影响到合并单元对信号相位的补偿和传输到保护测量装置的信号的相位精度，不准确的传变延时极易引起保护的误动，对变电站安全造成重大影响，同时也会影响电流测量的准确性。因此对电子式互感器传变延时的测量至关重要。目前国内针对电子式互感器的延时时间测试只是稳态下的测试，以稳态延时指标代替暂态指标，没有一套完善的针对电子式互感器暂态传变延时的测试系统[2-3]，为工程应用带来一定的安全隐患。

1　电子式电流互感器传变延时产生的原因

电子式电流互感器传变延时的组成如图1所示。

图1　电子式电流互感器绝对延时组成示意图

根据IEC标准，电子式互感器的延时为一次端子某一模拟量出现瞬间时刻与所对应的二次转化器输出数字量的传输起始瞬时时刻时间差，电子式互感器的传变延时定义为额定输入信号下的延时[4]。所以相位差φ由两部分组成，互感器系统的相位偏移φ0和由信号延时引起的位移φd：

相位偏移φ0主要由互感器的测量原理决定，如Rogowski线圈原理电子式电流互感器中含有积分器和低通滤波器等信号处理电路引起的相位偏移，可由系统的参数计算得到；而主要由电子式互感器系统的硬件和软件对信号处理延时决定，包括对模拟量的采样延时，系统的传输延时，MU的对数字量接收、转换、处理的延时等。

在相位差φ中由信号处理中的绝对延时造成的φd占主要部分，也是测量的主要对象，同时因φd受到系统的硬件性能，周围环境，软件处理时间不确定，模拟量输入、数字量输出等多方面复杂因素的影响，无法简单通过施加稳态额定电流的方法进行传变延时测量，而传变延时测量的偏差，将导致合并单元不能准确的对因延时引起的相位偏差进行补偿，引起输出信号相位偏移。国家电网公司在《Q/GDW 441—2010智能变电站继电保护技术规范》中规范了电子式互感器的传输延时时间不大于2 ms[5]。因此电子式电流互感器系统传变延时的准确测量对变电站保护和测量系统都极为重要，一直以来都受到电力科研工作者的广为关注。

2　电子式电流互感器传变延时的测量方法

本文设计了基于动态模拟系统的电子式电流互感器延时测量方法，并可通过同一测试方法，实现对电子式电流互感器稳态延时及暂态延时的测定，无需更换和另行设计。这种电子式电流互感器传变延时的测量方法，利用动态模拟系统中发生故障后产生的实际稳态及暂态电流对电子式电流互感器的传变延时进行测量，模拟电子式电流互感器的现场应用环境，能够修正各环节的测量误差，为准确测量电子式电流互感器传变延时提供了科学的方法，减少电网系统的安全隐患，并为智能变电站继电保护装置动作时间的研究提供了数据基础。

如图2所示，电子式电流互感器传变延时的测量系统包括以下3个部分：

1）生成一次稳态及暂态电流的动态模拟系统；

2）测量部分；

3）用于记录稳态及暂态电流的数模混合式故障录波装置。

图2　电子式电流互感器传变延时测量系统的连接示意图

测量部分包括被测量、修正量及标准量3个部分，且3个量通过串接入同一个一次暂态电流的不同电流互感器获得。标准量采用电磁式电流互感器1将一次暂态电流转化为二次模拟量，并通过电缆直联传输至故障录波器。修正量采用电磁式互感器2将一次暂态电流转化为二次模拟量，然后经额定延时为△t2的标准模拟量合并单元转换为数字量信号后，通过光纤传输至故障录波器。被测量采用电子式电流互感器将一次暂态电流转化为二次数字量，然后经额定延时为△t1的标准光信号合并单元合并后，通过光纤传输至故障录波器。修正量用以修正合并单元至数模混合式故障录波器的传输及信号处理环节所产生的测量误差。

测量部分通过外部标准时钟源对标准光信号合并单元、标准模拟量合并单元及数模混合故障录波器进行同步对时，消除不同设备间的对时误差。

在电缆及光纤直联方式下，数模混合式故障录波器采用点对点同步方式，即将修正量及被测量减去各自合并单元上送的额定延时后，再与标准量进行对齐。

具体实施步骤如下：

1）建立动态模拟系统，在系统中模拟系统正常输送负荷及系统故障，分别产生一次稳态及故障暂态电流；

2）在动态模拟系统中依次串入电磁式互感器1、电磁式互感器2及电子式电流互感器，用于将同一个一次电流分别传变到二次侧；

3）通过额定延时为△t1的标准光信号合并单元将电子式电流互感器输出的二次信号合并为数字信号，通过光纤传输至数模混合故障录波器，作为被测量；

4）通过额定延时为△t2的标准模拟量合并单元将电磁式互感器输出的二次电流模拟量转换为数字量，通过光纤传输至数模混合故障录波器，作为修正量；

5）通过电磁式互感器将一次暂态电流转化为二次模拟量，通过电缆直联传输至数模混合故障录波器，作为标准量；

6）通过外部标准时钟源GPS对标准光信号合并单元、标准模拟量合并单元及数模混合故障录波器进行同步对时；

7）在系统正常输送负荷情况下，为最大限度地避免录波器零漂带来的影响，分别记录被测量电子式电流互感器稳态电流峰值时刻ts1，修正量电磁式互感器经标准模拟量合并单元故障电流突变的时刻ts2，标准量电磁式互感器故障电流突变的时刻ts0。

合并单元至数模混合式录波器的光纤输送及处理时延为：

电子式电流互感器稳态绝对传变延时为：8）在系统发生故障的情况下，为最大限度地避免录波器零漂带来的影响，分别记录故障录波器显示的被测量电子式电流互感器故障电流第一个峰值的时刻tf1，修正量电磁式互感器经标准模拟量合并单元故障电流第一个峰值的时刻tf2，标准量电磁式互感器故障电流第一个峰值的时刻tf0，同理，电子式电流互感器暂态绝对传变延时为：

3　误差因素分析及消除

本系统属于时间值测量，涉及到标准量和被测量的时标信息、波形信息（包括频率、幅值和相位信息）的提取，对时钟信号、时序控制的要求很高，这需要基于一个稳定精确的基础时钟信号。采样时钟信号抖动造成的孔径延时和孔径抖动，会带来标准量信号信息精度降低。对被测量标定时标时，基准时间不准确、MAC层时序不稳定、程序中断或任务响应时间不确定，都会造成数字量时标精度降低。为此，采用高精度的GPS时钟信号，提高对时环节和数字量接收环节在时域上的时间精度。

采用数模混合式故障录波器接收测试系统中的被测量、标准量及修正量，能够最大限度的减少不同故障录波器之间信号处理方式及对时差异所带来的测量误差。同时，即使是同一台故障录波器，数字量及模拟量输入信号也会采用不同的处理路径，因此，利用修正量来测定合并单元输出的数字量信号与模拟量信号之间的采样值传输延时，并对电子式电流互感器的传变延时进行修正。

由于存在采样及读数误差，应重复测试四次以上，取各次测量结果的平均值。

4　测试结果

4.1　稳态传变延时测试结果

分别在电子式电流互感器流过额定电流及轻载情况下，测量电子式电流互感器稳态传变延时。测试中使用的光信号合并单元的额定延时△t1=1 000 us，模拟量合并单元的额定延时△t2=558 us。

1）轻载情况下的稳态传变延时。

由于故障录波器会对异步采样的不同通道使用插值算法处理后，在波形上进行对齐，因此为了得到更准确的传变延时，我们还需要对两路合并单元所送的数据报文时刻进行分析。轻载情况下，极大值点和极小值点的采样时刻分析如表1、2所示。其中原始时标为录波器收到信号的时刻，采样时刻为原始时标减去额定延时后的时刻ts，也即为用于描绘录波图的时刻。

表1　轻载情况下极大值点采样时刻

表2　轻载情况下极小值点采样时刻

由表1及式（3）可得到电子式电流互感器的稳态传变延时为：

由表2及式（3）可得到电子式电流互感器的稳态传变延时为：

2）额定电流情况下的稳态传变延时。

额定情况下，极大值点和极小值点的采样时刻分析如表3及表4所示。

表3　额定情况下极大值点采样时刻

表4　额定情况下极小值点采样时刻

由表3及式（3）可得到电子式电流互感器的稳态传变延时为：

由表4及式（3）可得到电子式电流互感器的稳态传变延时为：

对上述4个测定值取平均，可得到电子式电流互感器的稳态绝对传变延时：

由上述稳态传变延时的测量结果可知，不论是电子式电流互感器流过额定电流还是轻载电流，其稳态传变延时均较为稳定且满足标准要求。

4.2　暂态传变延时测试结果

分别模拟线路上发生单相接地、两相短路、两相接地及三相短路故障，分别记录被测量、修正量及标准量的故障电流达到第一个峰值的时刻。

1）单相接地故障下的暂态传变延时。

单相接地故障（AN）下，故障电流达到第一个峰值的采样时刻分析如表5所示。

表5　单相接地故障下故障电流达到第一个峰值的采样时刻

由表5及式（4）可得到电子式电流互感器的暂态传变延时为：

2）两相短路故障下的暂态传变延时。

两相短路故障（AB）下，A相故障电流达到第一个峰值的采样时刻分析如表6所示。

表6　两相短路故障下故障电流达到第一个峰值的采样时刻

由表6及式（4）可得到电子式电流互感器的暂态传变延时为：

3）两相短路接地故障下的暂态传变延时。

两相短路接地故障（ABN）下，故障电流达到第一个峰值的采样时刻分析如表7所示。

表7　两相接地故障下故障电流达到第一个峰值的采样时刻

由表7及式（4）可得到电子式电流互感器的暂态传变延时为：

4）三相短路故障下的暂态传变延时。

三相短路故障（ABC）下，故障电流达到第一个峰值的采样时刻分析如表8所示。

表8　三相短路故障下故障电流达到第一个峰值的采样时刻

由表8及式（4）可得到电子式电流互感器的暂态传变延时为：

对上述4个测定值取平均，可得到电子式电流互感器的稳态绝对传变延时：

由上述测量结果可知，在故障发生的初始时刻，本次被测罗氏线圈电子式互感器模型的暂态传变延时与稳态传变延时并无明显的数值差别，传变延时较为稳定且满足标准要求。测试结果有较好的稳定性与一致性。

5　结束语

本文研究了电子式电流互感器的传变延时产生的原因，提出了能够兼顾稳态延时及暂态延时测量的电子式电流互感器传变延时测试方案。

通过搭建的电子式电流互感器传变延时测试平台可较准确地实现对电子式电流互感器稳态及暂态传变延时的测量。仅在暂态延时的测量结果与稳态延时测量结果大致相等时，才可考虑用稳态延时替代暂态延时。