全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统及方法与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统及方法。

背景技术：

随着电网建设规模的逐年扩大，尤其是超、特高压直流输电工程的大力发展，对直流测量装置提出了更高的要求，直流测量装置的运行可靠性和测量准确性直接关系到直流输电系统的稳定运行。相对于交流输电系统，直流输电系统对控制保护信号有更快的采样速度、更宽的动态范围等要求，这一点在柔性直流输电系统中表现得尤为突出。柔性直流输电系统直流侧故障时的回路阻抗非常小，容易在瞬时产生很大的故障电流，同时，柔性直流输电系统的调控能力强，所以为了提高柔性直流系统的响应速度，抑制故障电流，提高电力系统的安全稳定性，需要控制保护信号采样具有更快的采样速度和更宽的动态范围，同时也对阶跃响应特性提出了更高的要求。如在±500kV张北柔性直流电网示范工程中要求直流测量装置阶跃响应时间小于100μs，采样率50kHz，电流动态范围0.1Ir～15Ir，电压动态范围0.1Udr～2Udr。

现有直流电流测量装置检测标准有GB/T 26216.1-2010，该标准在尚无IEC标准指导的情况下完成，现有标准中阶跃响应试验方法描述不明确，且现有的阶跃响应校验仪没有统一的校验标准和校验依据，无法准确测试和甄别直流电流测量装置的性能，不能满足柔性直流工程的实际需要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统及方法，提高了全光纤直流电流测量装置阶跃响应过程的测试准确度，使得测试结果更能准确地反映直流电流测量装置的实际性能，从而有效提高了对直流电流测量装置性能的甄别能力。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统，包括用于产生阶跃电流信号的电流源、待测全光纤直流电流测量装置和阶跃响应校验仪，所述待测全光纤直流电流测量装置包括光纤电流传感环和二次转换器，所述电流源和光纤电流传感环连接组成一次回路，所述光纤电流传感环还分别连接有精密分流器和所述二次转换器，所述精密分流器和二次转换器均与所述阶跃响应校验仪相连接，所述精密分流器通过高速采集卡和阶跃响应校验仪相连接。

所述电流源包括相连接的高精度信号发生器和阶跃电流标准源，所述高精度信号发生器用于发出带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号传输至阶跃电流标准源；所述阶跃电流标准源用于接收高精度信号发生器发出的带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号放大为大电流信号输出，所述大电流信号为阶跃电流信号。

所述阶跃电流标准源输出的阶跃电流信号的阶跃上升时间小于20μs。

所述阶跃电流标准源输出的阶跃电流信号为方波电流。

一种全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试方法，包括以下步骤：

1)将电流源和待测全光纤直流电流测量装置的光纤电流传感环连接构成一次回路，所述电流源用于产生阶跃电流信号；

2)通过精密分流器将一次回路中的阶跃电流信号转换为小电压信号，并将小电压信号传输至高速采集卡，高速采集卡将接收到的小电压信号输出至阶跃响应校验仪；

3)通过二次转换器将光纤电流传感环输出的信号转换为电信号，并将电信号转化为数字信号输出至阶跃响应校验仪；

4)阶跃响应校验仪同时接收高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号，然后根据高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号计算拟合出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升过程曲线，并根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间和延时时间；

5)按照设定的间隔时间重复步骤4)，得出一组待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间和延时时间数据，阶跃响应校验仪对这组阶跃响应上升时间和延时时间数据进行数据处理而得出最终的阶跃响应上升时间和延时时间。

上述方法中所述电流源包括高精度信号发生器和阶跃电流标准源，所述高精度信号发生器用于发出带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号传输至阶跃电流标准源；所述阶跃电流标准源用于接收高精度信号发生器发出的带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号放大为大电流信号输出，所述大电流信号为阶跃电流信号。

所述步骤4)中阶跃响应上升过程曲线通过二次抛物线拟合得出。

所述步骤4)中根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间的具体过程为：先根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置阶跃响应上升时间的初始计算值tout，然后按照以下公式计算出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间T2：

其中，tin为阶跃电流标准源产生的阶跃电流信号的上升时间。

所述步骤5)中阶跃响应校验仪对一组阶跃响应上升时间进行数据处理而得出最终的阶跃响应上升时间的具体过程为：比较一组阶跃响应上升时间T2，选出阶跃响应上升时间T2的最小值T2min，然后根据以下公式计算得出最终的阶跃响应上升时间T2终：

式中：T为待测全光纤直流电流测量装置的采样周期。

本发明具有以下有益效果：本发明完善和明确了全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试的系统及方法，提高了全光纤直流电流测量装置阶跃响应过程的测试准确度，使得测试结果更能准确地反映直流电流测量装置的实际性能，从而有效提高了对直流电流测量装置性能的甄别能力，确保了直流输电系统控制保护信号测量的可靠度，更利于确保直流输电系统的安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明的全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统的试验回路图；

图2是全光纤直流电流测量装置阶跃响应过程示意图；

图3是阶跃电流标准源有上升时间的测试示意图；

图4是全光纤直流电流测量装置阶跃响应量化误差原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种柔性直流输电用全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统，包括用于产生阶跃电流信号的电流源、待测全光纤直流电流测量装置和阶跃响应校验仪，所述待测全光纤直流电流测量装置包括光纤电流传感环和二次转换器，电流源和光纤电流传感环连接组成一次回路，光纤电流传感环还分别连接有精密分流器和所述二次转换器，精密分流器和二次转换器均与所述阶跃响应校验仪相连接，精密分流器通过高速采集卡和阶跃响应校验仪相连接；

电流源包括相连接的高精度信号发生器和阶跃电流标准源；

高精度信号发生器用于发出带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号传输给阶跃电流标准源；

阶跃电流标准源用于接收高精度信号发生器发出的带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号放大为大电流信号，形成阶跃上升时间小于20μs的方波电流(阶跃电流)；

精密分流器用于将一次回路中的方波电流转换为小电压信号，并将小电压信号接入高速采集卡；

高速采集卡用于将接收到的小电压信号通过PCI接口传输至阶跃响应校验仪；

二次转换器用于将光纤电流传感环输出的信号转换为电信号，并将电信号转化为数字信号输出至阶跃响应校验仪；也即，待测全光纤直流电流测量装置通过二次转换器的光电转化、数据传输和处理和数字信号转化后，最终以数字化的形式传输至阶跃响应校验仪。

阶跃响应校验仪用于同时接收高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号，并对高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号进行处理计算出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间和延时时间，还用于拟合出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应曲线；

阶跃电流标准源最大输出电流为100A，阶跃上升时间小于20μs，满足柔直工程对全光纤直流电流测量装置的要求。

其中，光纤电流传感环上缠绕多匝一次电流导线，阶跃电流标准源和精密分流器通过一次电流导线相连。具体的，一次电流导线在光纤电流传感环上缠绕3匝，以满足国家标准要求中电流阶跃响应试验应在10％Ipr下进行的条件。

一种全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试方法，包括以下步骤：

1)将电流源和待测全光纤直流电流测量装置的光纤电流传感环连接构成一次回路，电流源用于产生阶跃电流信号；

其中，电流源包括高精度信号发生器和阶跃电流标准源，高精度信号发生器发出带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号传输至阶跃电流标准源；阶跃电流标准源接收高精度信号发生器发出的带有幅值和上升时间信息的信号并将该信号放大为大电流信号输出。

2)通过精密分流器将一次回路中的阶跃电流信号转换为小电压信号，并将小电压信号传输至高速采集卡，高速采集卡将接收到的小电压信号输出至阶跃响应校验仪；

3)通过二次转换器将光纤电流传感环输出的信号转换为电信号，并将电信号转化为数字信号输出至阶跃响应校验仪；

4)阶跃响应校验仪同时接收高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号，然后根据高速采集卡的输出信号和二次转换器输出的数字信号计算拟合出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升过程曲线，并根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间和延时时间；

优选的，阶跃响应上升过程曲线通过二次抛物线拟合方式拟合得出。

由于在实际测量过程中，试品采样率不够，所以需要拟合出待测全光纤直流电流测量装置阶跃响应过程的完整上升过程曲线，采取合适的数据拟合方法对计算结果影响也较大，本实施例的数据拟合方法使用二次抛物线拟合，该拟合方式相较于一次直线拟合来说，误差较小，而且该拟合方式和更高次拟合计算的计算精度几乎没有太大差别，同时相较于更高次拟合计算来说，计算更加简单。

其中：根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间具体为：先根据阶跃响应上升过程曲线得出待测全光纤直流电流测量装置阶跃响应上升时间的初始计算值tout，然后按照以下公式计算出实际的待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间T2：

如图3所示，公式(1)中，tin为阶跃电流标准源产生的阶跃电流信号的上升时间，tout为待测全光纤直流电流测量装置阶跃响应上升时间的初始计算值。

待测全光纤直流电流测量装置的传递函数为一阶惯性环节，其阶跃响应过程如图2所示，包含延时时间和阶跃响应上升时间两部分，其中T1为延时时间，T2为阶跃响应上升时间，延时时间T1包括待测全光纤直流电流测量装置渡越时间、内部数据处理时间和数据传输时间；阶跃响应上升时间T2是由于闭环控制或数据处理过程存在积分环节导致的。

但是在阶跃响应测试过程中，如图3所示，阶跃电流标准源输出的阶跃信号一般不是一个理想的阶跃信号，而是有一个上升时间的信号，所以在测试全光纤直流电流测量装置的阶跃响应时要把阶跃电流标准源的上升时间扣除，即采用公式(1)的算法，以较好地提高阶跃响应测试的准确度。

5)重复步骤4)，重复间隔时间为1s，得出一组待测全光纤直流电流测量装置的阶跃响应上升时间和延时时间数据，阶跃响应校验仪对这组阶跃响应上升时间和延时时间数据进行数据处理而得出最终的阶跃响应上升时间和延时时间。

其中：阶跃响应校验仪对得到的一组阶跃响应上升时间进行数据处理而得出最终的阶跃响应上升时间的具体过程为：比较这一组阶跃响应上升时间T2，选出阶跃响应上升时间T2的最小值T2min，然后根据以下公式计算得出最终的阶跃响应上升时间T2终：

公式(2)中：T为待测全光纤直流电流测量装置的采样周期。

待测全光纤直流电流测量装置通过二次转换器输出为一定采样率的数字输出，采样量化的过程会对延时时间或阶跃响应上升时间带来量化误差，如图4所示，ε1为数字化对延时时间带来的量化误差；ε2为数字化对阶跃响应上升时间带来的量化误差。量化误差的特点是单次阶跃响应的量化误差是不确定的，是一个在0和采样周期T之间的波动值，并且数字量输出型直流电流测量装置的整体延时(包括T1和T2)带来的量化误差最大为采样周期T(而不是2T)。全光纤直流电流测量装置一般采用的100kHz、50kHz、40kHz的采样率，如果不考虑量化误差的影响，直接使用均方差公式对阶跃响应上升时间进行计算，得到的计算结果与实际情况相差较大，无法准确的反映阶跃响应过程，会大大影响待测全光纤直流电流测量装置性能的判定。因此为了进一步提高阶跃响应测试的准确度和精确性，有必要将测试过程中量化误差对阶跃响应的影响考虑在内，即采用公式(2)来计算待测全光纤直流电流测量装置最终的阶跃响应上升时间T2终。

本实施例的阶跃响应在10％Ipr下进行，在一次电流为0p.u.～0.1p.u.的直流电流下进行，其中1p.u.对应试品额定一次电流。

待测全光纤直流电流测量装置的额定电流Ipr为3000A。

本实施例在现有国家标准GB/T 26216.1-2010的基础上，明确了直流电流测量装置阶跃响应测试方法。本实施例是在直流电流下采用完全测量法(对直流电流测量装置整体施加电流信号)对柔性直流输电用全光纤直流电流测量装置进行阶跃响应测试，考核全光纤直流电流测量装置整体阶跃响应性能，满足工程应用的实际需要，弥补此前国内检测手段的不足。

本实施例利用精密分流器采集阶跃电流标准源的输出并通过高速采集卡传输至阶跃响应校验仪，阶跃响应校验仪同时接收全光纤直流电流互感器二次转换器输出的数字信号并通过数据处理计算延时时间和阶跃响应上升时间，最终得到全光纤直流电流互感器阶跃响应过程，提高了阶跃响应过程的测试准确度和响应速度，同时还确定了阶跃电流源、数字化量化误差、数据拟合算法对阶跃响应上升时间的影响，进一步提高了测试的准确度，使得测试结果更能准确地反映全光纤直流电流测量装置的实际性能，有效提高了对直流电流测量装置性能的甄别能力，确保直流输电系统控制保护信号测量的可靠度，从而更好地保证直流输电系统的安全稳定运行，满足柔直工程的实际需要。

本实施例的全光纤直流电流测量装置阶跃响应测试系统和方法亦可为测试直流电压测量装置的阶跃响应特性提供参考。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。