基于实时仿真技术的小量程电流互感器的等效模拟

张守磊，王小凯，张彦兵

（1.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264010；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；3.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

由电力系统实时仿真器和功率放大器搭建的半实物仿真平台，适用于大多数的电力系统控制与保护装置的功能验证需求[1-3]。电力系统实时仿真器对一次系统进行建模并实时运算，关键节点处的一次电压、电流数值经电压互感器、电流互感器元件，转化成二次值并以小信号模拟量的形式输出，驱动电压、电流功率放大器，再现电流互感器二次侧故障电流特征。电网系统中特殊场合存在较小量程的电流互感器（如：串联电容器补偿装置中的电容器不平衡电流互感器二次侧额定值为0.05 A）[4-6]，其额定电流值低于常规电流功率放大器的正常工作范围（输出电流0.2 A-30 A区间内，输入信号与输出电流的非线性误差小于0.2%），不作处理将会大大降低半实物仿真的试验效果，因此有必要开发一种有效、经济的解决方案。

在分析实时仿真器模拟量输出板卡驱动能力、电压输出范围等约束条件的基础上，采样I/V转换技术，实现了小量程电流互感器的等效模拟，以一种有效、经济、灵活的方式，确保含有小量程电流互感器的半实物实时仿真的顺利进行。

1 系统原理

小量程电流互感器等效发生器原理框图如图1所示，实时仿真系统与控制保护装置形成闭环试验环境。控保装置通过精密采样电阻实现小电流的测量，那么通过向控制保护装置的精密采样电阻施加与待测量电流呈线性关系的电压信号，可以实现待测量电流的等效转换。二次侧电流模拟和I/V转换器的仿真建模均可以在实时仿真系统中进行，模拟量输出板卡也属于实时仿真系统的配套外设，以上三部分共同实现了小量程电流互感器的等效模拟。

图1 小量程电流互感器等效发生器原理框图

I/V转换的关键约束条件有3条：1）精确测量采集卡的采样电阻，将待测小电流信号乘以采样电阻，转化为待施加电压信号并经模拟输出。2）输出电压峰值不超过模拟输出板卡的最大输出电压范围。3）模拟输出板卡输出最大施加电压时，输出电流不超过模拟输出板卡的最大电流驱动能力。二次侧电流模拟有两种实现方式：1）虚拟电流源发生器定量的模拟一次系统的一次电流值，经数字化变比折算，输出二次电流数值。2）搭建一次系统的系统仿真模型，模拟系统发生故障，产生一次故障电流，经CT仿真模型产生二次电流数值。

2 试验验证

在电力实时仿真系统中完成小量程电流互感器等效发生器的仿真建模，通过常规仿真功率放大器和GTAO模拟量输出板卡、GTDI开关量采集板卡等外设与电力系统控制与保护装置组成半实物仿真试验系统。仿真结构图如图2所示。基于半实物仿真系统设计典型仿真算例，并对系统中的关键参量进行录波，验证小量程电流互感器等效发生器设计方案的有效性。表1为小量程电流互感器等效发生器设计的关键参数列表，图3为仿真试验录波。此次试验，小量程电流互感器对应实际系统中的电容器不平衡电流互感器，仿真模拟电容器发生不平衡击穿故障，不平衡电流互感器一次侧产生故障电流，当不平衡故障电流值满足保护装置的动作逻辑后，不平衡保护应正确动作。

图2 仿真验证系统

表1 关键参数列表

图3 仿真试验录波

I3A_1、I3B_1、I3C_1为系统一次侧三相电流值，I3A_2、I3B_2、I3C_2为系统 二 次 侧三相电流值，I3A_U、I3B_U、I3C_U为系统二次侧三相电流经I/V转换后的三相电压信号，Trip为保护与控制装置的跳闸信号。

0 s时刻，施加系统一次电流值0.955 8 A，CT变比为10 A/0.05 A，因此二次电流值为0.004 8 A，保护与控制装置的采样电阻为100Ω，因此I/V变换后的电压信号有效值为0.477 9 V。不平衡故障电流满足保护定值，经预定延迟，保护与控制装置的不平衡保护正确动作，动作时间约为130 ms。

3 结语

采用I/V转换原理，在电力系统实时仿真系统中进行小量程电流互感器的等效建模，可以解决常规仿真电流功率放大器小量程工作状态线性输出能力差的问题。为半实物仿真环境输出小量程电流信号提供了一种解决方案。仿真试验表明，基于实时仿真系统进行I/V转换建模，完成小量程电流互感器的等效建模是有效可行的，对相关技术应用的保护与控制生产厂家的设备调试、开发环节具有一定的参考价值。