基于北斗同步的特高压直流电流互感器现场校准装置的设计
国网山西省电力公司计量中心的研究人员程昱舒、韩海安，在2018年第9期《电气技术》杂志上撰文，为了解决特高压直流电流互感器运行期间无法进行校准试验的问题，本文设计了一套基于北斗同步的特高压直流电流互感器现场校准装置。
文中首先简述了特高压直流输电系统和北斗同步技术，并在此基础上提出了现场校准方案和溯源方案，给出了设计方案，最后进行了实验验证。
结果表明，本文设计的现场校准装置能够有效解决电流互感器现场校准问题，为输电系统的控制、保护和测量提供保障。
为了满足经济社会发展对电力资源的需求，同时促进能源的优化配置，我国在“十一五”期间大力开展了特高压直流输电技术的研究[1]。该技术在电能传输过程中使用交流-直流转换技术，能够有效降低远距离输电线路的造价，减小电能输送过程中的损失。目前，我国已建成18项直流输电工程，输送容量达4638万kW，全长为15008km。
在特高压直流输电系统中直流电流互感器对线路的控制和保护至关重要，但由于早期重视程度低、研究起步晚，目前直流电流互感器技术尚不成熟[2]。实际工程中一般购买国外产品，且只在出厂时进行校准，为系统稳定运行埋下了隐患。
鉴于此，本文设计了一套基于北斗同步技术的特高压直流电流互感器现场校准装置。该装置能够在现场校准直流电流互感器[3-5]，保证直流输电系统安全、稳定、经济的运行。
1 特高压直流输电系统概述
特高压直流输电系统是以直流电的方式传输电能的系统，该系统的始端和末端都为交流电流，中间输电部分为直流电流。其中，交、直流电流的转换通过整流站和逆变站来实现。特高压直流输电系统整体结构如图1所示[6]。
直流互感器作为保护和监视输电系统运行状态的主要传感器，对输电系统的安全、稳定运行提供重要保障。因此，保证特高压直流电流互感器的准确度对特高压直流输电系统的正常运行具有重要意义。本文设计的现场校准装置能够满足直流互感器的现场校准需求。
图1 特高压直流输电系统结构示意图
2 北斗同步校时系统
鉴于复杂的经济、政治原因，我国自1992年起才开始研究北斗卫星导航系统[7]，投入了大量的人力与财力，相关技术进步很快，到2013年已正式实现商用，可为亚洲国家提供服务。预计到2020年可具有全球服务能力，授时精度优于20ns[8-10]。
现场校准直流电流互感器时，由于不能确定被校直流电流互感器和标准电流互感器二次输出位置的距离，所以本设计将直流电流互感器现场校准装置分为主机和分机两部分，并用北斗二代-校时系统同步主/分机采样时间。
3 现场校准方案
被检直流电流互感器二次输出为模拟量时，模拟量电压输出额定值为4V，数字量输出时额定值为2D41H。主、分机各至少需要一个模拟量输入接口和一个数字量输入接口，现场校准时使用直接校准法进行校准。
将标准互感器与被检互感器连接到同一个回路中，现场校准装置的分机连接被检互感器的二次输出，现场校准装置的主机连接标准互感器的二次输出，主、分机间使用北斗/GPS时钟同步系统对采样进行同步[11-12]，使用射频无线通信技术传输测量数据。现场校准方案如图2所示。
图2 现场校准方案示意图
4 现场校准装置溯源方案
4.1 特高压直流电流互感器二次侧输出为模拟量时溯源方案
特高压直流电流互感器二次侧输出为模拟量溯源时，溯源方案如图3所示。用高稳定度标准源输出模拟标准量，同时使用带同步采样触发的高精度仪表作为标准表，与特高压直流电流互感器现场校准装置同步采样计算误差，进而对现场校准装置溯源。标准表使用Agilkent 3458A，其24h精度达到了0.6×106[13]，完全满足标准表的要求。
图3 模拟量二次输出溯源方案示意图
4.2 特高压直流电流互感器二次侧输出为数字量时溯源方案
针对二次输出为数字量的电流互感器，溯源方案如图4所示。高稳定度标准源输出数字量，使用两台带同步采样触发的高精度仪表作为标准表进行采样后，一台将测量值直接参与误差计算，另一台将测量值转换成数字信息后发送给特高压直流电流互感器现场校准装置，由其解析后输出测量值参与误差计算，进而对现场校准装置溯源。标准表同样使用Agilkent 3458A，其可通过同步时钟源进行同步采样触发。
图4 数字量二次输出溯源方案示意图
5 现场校准装置主/分机设计方案
现场校准装置主机由模拟量输入接口、数字量输入接口、射频通信模块、AD采样电路、协议库模块、北斗/GPS卫星同步模块、DSP、TFT液晶显示模块、人机交互模块等组成。分机同样设计模拟量输入接口、数字量输入接口、射频通信模块、AD采样电路、协议库模块、北斗/GPS卫星同步模块、DSP组成。原理结构如图5所示。
图5 现场校准装置主分机设计方案示意图
1）射频通信模块采用TI公司最新的CC110L芯片，该芯片工作在433MHz免费ISM频段，现场校准装置分机通过该模块将编码处理后的被检电流互感器二次信号发送给现场校准装置主机分析误差。
2）主/分机都使用AD7608芯片，对二次模拟信号进行采样，该芯片能以200K次/s的速度进行采样。
3）本设计中需兼容IEC 61850协议和各个厂家的私有协议，因此将协议做成协议库的方式方便扩展和调用。
4）北斗/GPS卫星同步模块采用中科微第四代AT6558芯片，支持北斗卫星、GPS等6种卫星导航定位系统，采用2.7～3.6V电源供电，授时精度小于30ns。现场校准装置可通过该芯片同步主/分机采用时间。
5）DSP使用ASDP609双核芯片，每核工作频率最高可达500MHz，并内置148KB的L1SRAM存储器，为装置提供信息处理保障。
6）现场校准装置主机使用TFT液晶显示，提供高分辨率的清晰彩色显示界面，可进行触摸输入，操作便捷。
6 实验结果
本文设计的现场校准装置的准确度等级为0.05级，为检验文中设计的现场校准装置的现场使用性能，选取了北京博电的PDC4000A高精度直流试验装置作为高精度直流电流源，可输出0～4000A直流电流；
选取RITZ Messwandler公司的OSKF-G- 72零磁通直流电流互感器作为被校互感器，准确度等级为0.2S级，额定电流为3000A；
选取北京博电公司的标准直流电流互感器作为标准互感器，准确度等级为0.001级，进行现场校准试验。现场校准接线如图2所示，检测结果见表1，记录了升流和降流过程中校验点误差情况。
表1 互感器误差
计算误差时，用被校互感器二次侧输出电压Us乘以其额定变比Kra与标准互感器一次电流Ip之差除以标准互感器一次电流值Ip[9]，计算公式为
（1）
0.2S级互感器误差允许范围见表2。
表2 误差允许范围
升降变差允许范围：升降变差不超过其误差限制的1/5[10-11]，文中被校互感器为准确度等级为0.2S级，所以变差不得超过0.04%。
综上所述，被校电流互感器准确度符合0.2S级标准。
针对特高压直流电流互感器投运期间无法进行校准试验的问题，本文设计了一套基于北斗同步技术的现场校准装置。该装置的设计能够有效解决直流电流互感器的现场校准问题，为直流输电系统的安全、稳定、经济运行提供保障。