李其瑩,尹 東,劉祥國(guó),萬 斌,于文斌
(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司,山東 泰安 271000;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司,山東 濟(jì)南 250001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001)
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建,未來電網(wǎng)的電壓電流信號(hào)將呈現(xiàn)寬頻化特征,除了工頻穩(wěn)態(tài)信號(hào)外,還包括大量中低頻、中高頻暫態(tài)信號(hào)和高頻暫態(tài)信號(hào)[1-3]。電壓電流互感器作為智能變電站實(shí)時(shí)測(cè)量的重要設(shè)備,其傳變特性對(duì)構(gòu)建智能電網(wǎng)全景信息系統(tǒng)非常關(guān)鍵[2]。
常規(guī)電壓互感器,特別是在高電壓等級(jí)電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用的電容式電壓互感器(Capacitor Voltage Transformer,CVT),受限于測(cè)量頻帶問題,主要用于工頻電壓測(cè)量,對(duì)于諧波和暫態(tài)電壓測(cè)量無能為力[3-7]。文獻(xiàn)[4-5]討論了常規(guī)電壓互感器暫態(tài)傳變能力對(duì)基于暫態(tài)行波信號(hào)的行波測(cè)距精度和行波保護(hù)性能的影響;文獻(xiàn)[6]仿真分析了不同因素對(duì)CVT暫態(tài)特性的影響;文獻(xiàn)[7]提出了通過增加電容來擴(kuò)展CVT 測(cè)量頻帶的方法。常規(guī)電壓互感器由于測(cè)量頻帶有限已經(jīng)不能滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)電壓感知的寬頻化需求。
電子式互感器的應(yīng)用是智能變電站的主要特征之一[8-9]。目前已有多種原理和結(jié)構(gòu)的電子式互感器被廣泛應(yīng)用在智能變電站建設(shè)中[10-14],但大多數(shù)只利用了工頻和諧波信號(hào)傳變能力[15-18]。文獻(xiàn)[15-17]討論了EVT 在諧波計(jì)量中的應(yīng)用;文獻(xiàn)[18]提出了利用電子式互感器二次諧波分量判據(jù),切換高、低值比率制動(dòng)曲線的自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)方法。電子式互感器的優(yōu)勢(shì)除體現(xiàn)在諧波測(cè)量方面,在暫態(tài)傳變能力方面更為突出[19-24]。文獻(xiàn)[19]仿真分析了電容分壓型電子式電壓互感器(Capacitive-divider Type Electronic Voltage Transformer,CEVT)的暫態(tài)響應(yīng)和重合閘問題;文獻(xiàn)[20]分析了ECVT 對(duì)多種暫、穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量性能;文獻(xiàn)[21]分析了CEVT對(duì)暫態(tài)高頻信號(hào)的頻率響應(yīng)特性和傳變優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[22]探究了在一次側(cè)不同相角下短路和帶滯留電荷重合閘暫態(tài)過程中光學(xué)電壓互感器(Optical Voltage Transformer,OVT)的暫態(tài)響應(yīng)特性;文獻(xiàn)[23-24]分析了EVT 的行波傳變特性。上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)單一類型的EVT 進(jìn)行分析,但目前實(shí)用化的EVT 有多種類型,其傳變特性也存在一定的差異。因此,有必要對(duì)典型EVT 的傳變特性進(jìn)行深入研究和比較分析,特別是對(duì)高頻暫態(tài)信號(hào)的響應(yīng)特性。
針對(duì)上述問題和現(xiàn)狀,本文以電阻分壓型電子式電壓互感器(Resistance-divider Type Electronic Voltage Transformer,REVT)、CEVT 和OVT 等幾種典型EVT 作為研究對(duì)象,通過等值電路模型構(gòu)建傳遞函數(shù),獲得其頻率響應(yīng)特性。依據(jù)傳遞函數(shù),建立典型EVT 的PSCAD 仿真模型,分析其暫態(tài)響應(yīng)特性,包括沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng),并與廣泛應(yīng)用的CVT 進(jìn)行比較,分析其對(duì)不同暫態(tài)電壓信號(hào)的傳變性能,以指導(dǎo)電子式互感器的應(yīng)用選型。
在中低壓輸電線路中,REVT得到了較多的工程應(yīng)用,其等效電路如圖1 所示[24-27]。若不考慮雜散電容,其基本原理比較簡(jiǎn)單,就是高壓臂分壓電阻R1與低壓臂分壓電阻R2構(gòu)成的分壓電路。
圖1 REVT等效電路
高低壓臂電阻一般采用無感設(shè)計(jì),以減小雜散電容。在電壓等級(jí)比較低時(shí),高低壓臂電阻阻值一般只需要達(dá)到千歐級(jí),而雜散電容一般為皮法級(jí),此時(shí)雜散電容的影響較小。但當(dāng)REVT 應(yīng)用于高電壓等級(jí)時(shí),為保證電阻消耗功率不超過限值,高壓臂電阻阻值能夠達(dá)到兆歐級(jí),此時(shí)雜散電容對(duì)高頻暫態(tài)信號(hào)的影響就不可忽略。
由等效電路,可以獲得REVT輸出電壓u2與輸入電壓u1的關(guān)系式為
式中:Ch為高壓臂電阻對(duì)高壓側(cè)雜散電容;Cg為低壓臂電阻對(duì)地雜散電容。
對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換,獲得REVT 電阻分壓部分的傳遞函數(shù)為
從式(2)可以看出,考慮到電阻和電容的大小,在頻率達(dá)到幾千赫茲時(shí),須考慮雜散電容對(duì)傳變性能的影響。
目前在智能變電站中應(yīng)用最為廣泛的電子式電壓互感器為CEVT,其等效電路如圖2 所示[20,24,28-31],由電容分壓器和取樣電阻R組成,C1、C2分別為電容分壓器的高壓臂電容和低壓臂電容。其電容分壓器與常規(guī)電容分壓器結(jié)構(gòu)類似,不同的是額定容量在毫瓦級(jí),輸出電壓一般不超過5 V。
圖2 CEVT等效電路
根據(jù)等效電路,可以獲得CEVT輸出電壓u2與輸入電壓u1之間的關(guān)系為
對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換,可獲得CEVT 電容分壓部分的傳遞函數(shù)為
當(dāng)ωR(C1+C2)?1時(shí),有:
由式(5)可知,在一定的頻率范圍內(nèi),CEVT 的輸出電壓與輸入電壓的微分呈正比。此時(shí),須通過積分電路對(duì)采樣電阻的輸出進(jìn)行積分,才能獲得與輸入電壓呈線性變化的二次電壓。
在實(shí)際應(yīng)用中,積分器的選擇也很重要。圖3 為常用的有源積分器電路,采用直流負(fù)反饋穩(wěn)定積分器的工作點(diǎn),在積分電容C1兩端并聯(lián)反饋電阻Rf,使得積分器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。此時(shí),積分器的傳遞函數(shù)為
圖3 有源積分器電路
式中:Gf為增益;Tf為積分時(shí)間常數(shù),可表示為:
目前實(shí)用化的OVT 是基于Pockels 電光效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器,目前已經(jīng)被應(yīng)用于寬頻電壓的測(cè)量[3],其結(jié)構(gòu)和原理如圖4所示。
圖4 OVT的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理
圖4 中,OVT 以鍺酸鉍(Bi4Ge3O12,BGO)晶體為傳感材料,主要包括LED 光源、起偏器、檢偏器、λ/4波片、電光晶體、準(zhǔn)直透鏡和PIN光電探測(cè)器[32-36]。
OVT 的基本測(cè)量原理為:LED 光源發(fā)出的光通過起偏器后產(chǎn)生線偏振光,在外加電壓U的作用下,波長(zhǎng)為λ的線偏振光通過長(zhǎng)度為l的電光晶體時(shí),出射的兩束光產(chǎn)生的相位差可以表示為
式中:n0、γ41分別為BGO 晶體的折射率和線性電光系數(shù);d為外加電壓方向的晶體厚度;Uπ為晶體的半波電壓,且Uπ=。
由式(9)可知,要獲得外加電壓U,須準(zhǔn)確測(cè)出相位差δ。采用雙光路處理方案,OVT 兩個(gè)光路輸出信號(hào)為
式中:P為傳感光路的靜態(tài)工作光強(qiáng),μW;A為光電轉(zhuǎn)換系數(shù),V/μW;Gq為前置放大倍數(shù)。
采用差除和方案,可得到OVT的輸出為
式中:ui為輸入電壓;K電光效應(yīng)常數(shù),表示為
由此,OVT光學(xué)電壓傳感器的傳遞函數(shù)為
由式(14)可知,OVT 的輸出電壓正比于輸入電壓。原理上,OVT 沒有頻帶和響應(yīng)時(shí)間問題,這是OVT的最大優(yōu)勢(shì)。
一般BGO 晶體的Uπ只有幾十千伏,所以在電壓等級(jí)比較高的應(yīng)用場(chǎng)合,一般先利用電容分壓器從被測(cè)高壓線路上分出一個(gè)較低的幾千伏電壓,再利用并聯(lián)在電容分壓器低壓電容兩端的光學(xué)電壓傳感器進(jìn)行測(cè)量,設(shè)計(jì)成電容分壓型光學(xué)電壓互感器(Capacitive-divider Type Optical Voltage Transformer,COVT),其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示[35-36]。
圖5 COVT的基本結(jié)構(gòu)
COVT 對(duì)傳變特性起決定作用的是電容分壓器和光學(xué)電壓傳感器。
對(duì)于理想電容分壓器,其低壓電容C2兩端電壓可以表示為
式中:U1為輸入電壓;Kn為電容分壓器分壓比,表示為
由式(16)可知,只要適當(dāng)選擇高壓電容C1和低壓電容C2的電容量,即可得到光學(xué)電壓傳感器所需分壓比。
考慮雜散電容時(shí),低壓電容C2兩端電壓為[34]
式中:Kc為雜散電容引起的分壓比誤差系數(shù),可表示為
式中:CK為電容分壓器總電容量;CH和CG分別為高壓臂和低壓臂的雜散電容。
由式(18)可以看出,雜散電容僅引起電容分壓器的幅值誤差。結(jié)合式(12)描述的光學(xué)電壓傳感器的輸出方程,COVT的傳遞函數(shù)可表示為
COVT 的傳遞函數(shù)與式(14)所描述的OVT 的傳遞函數(shù)之間僅差比例系數(shù),所以COVT 和OVT 傳變性能基本是一致的。
電壓信號(hào)在傳輸過程中不可避免地會(huì)受到高頻噪聲干擾信號(hào)的影響。因此,一般會(huì)在信號(hào)處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換前加入低通濾波環(huán)節(jié)。
巴特沃斯低通濾波器是最常用的低通濾波器,巴特沃斯低通濾波器又稱為最大平坦幅頻響應(yīng)濾波器,一般選用兩階巴特沃斯低通濾波器。巴特沃斯低通濾波器是一種全極點(diǎn)配置的濾波器,對(duì)于兩階巴特沃斯濾波電路,如果截止頻率為ωc,那么對(duì)應(yīng)的典型全極點(diǎn)巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可表示為
式中:B、C為巴特沃斯歸一化系數(shù),可以通過查歸一化系數(shù)表獲得,本文取B=和C=1;k為濾波器增益。
如圖6 所示為基于巴特沃斯濾波器原理設(shè)計(jì)的有源低通濾波器電路。根據(jù)需要確定截止頻率后,通過計(jì)算可得到濾波電路電阻、電容的設(shè)計(jì)值。
圖6 有源低通濾波電路
本文主要研究EVT 的暫態(tài)響應(yīng)特性,模型中所有涉及低通濾波器的截止頻率均設(shè)置為1 MHz。
依據(jù)建立的傳遞函數(shù),仿真分析上述典型EVT的頻率響應(yīng)特性。
REVT的典型結(jié)構(gòu)主要由電阻分壓器、放大電路和低通濾波電路組成,表1為某REVT 電阻分壓器的電氣參數(shù),圖7為其頻率響應(yīng)。
表1 REVT電阻分壓器電氣參數(shù)
圖7 REVT的頻率響應(yīng)特性曲線
從圖7 所示REVT 的頻率響應(yīng)特性曲線可以看出,在此設(shè)計(jì)參數(shù)下,此REVT 在10 kHz 以內(nèi)能基本保證準(zhǔn)確傳變,由于雜散電容的影響,隨著信號(hào)頻率的提高,其幅頻響應(yīng)在高頻段將會(huì)出現(xiàn)幅值較大的沖擊。
CEVT 的典型結(jié)構(gòu)主要由電容分壓器、放大電路、積分器電路和低通濾波電路組成,表2 為CEVT電容分壓器電氣參數(shù),圖8為其頻率響應(yīng)。
表2 CEVT電容分壓器電氣參數(shù)
圖8 CEVT頻率響應(yīng)特性曲線
從圖8 所示CEVT 頻率響應(yīng)特性曲線可以看出,CEVT 不能傳變直流分量,在此設(shè)計(jì)參數(shù)下,其基本帶寬在1 MHz 左右,頻率響應(yīng)特性比較好。改變分壓器電容和取樣電阻的參數(shù)會(huì)影響帶寬和響應(yīng)時(shí)間。
OVT 的典型結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)電壓傳感器、放大電路和低通濾波電路組成,表3 為OVT 電光晶體參數(shù),圖9為其頻率響應(yīng)。
表3 OVT電光晶體參數(shù)
圖9 OVT頻率響應(yīng)特性曲線
從圖9 所示OVT 頻率響應(yīng)特性曲線可以看出,由于光學(xué)電壓傳感器傳遞函數(shù)為常數(shù),所以O(shè)VT 的帶寬主要決定于低通濾波器的截止頻率,本文設(shè)置為1MHz。根據(jù)上文分析,COVT 的頻率響應(yīng)特性與OVT 是基本一致的,在此不再累述。表4 為COVT 的電容分壓器參數(shù)。
表4 COVT電容分壓器參數(shù)
依據(jù)傳遞函數(shù),在PSCAD 仿真平臺(tái)建立上述典型EVT 的仿真模型,形成PSCAD 的EVT 模型庫,比較分析EVT 與常規(guī)CVT 的暫態(tài)響應(yīng)特性,其中CVT利用PSCAD元件庫中的模型進(jìn)行仿真。
為考察不同類型電壓互感器(Voltage Transformer,VT)對(duì)直流和非周期分量的響應(yīng)特性,用下式描述的暫態(tài)電壓作為電壓互感器仿真模型的輸入為
式中:Upsc為一次電壓對(duì)稱分量方均根值;φp為初始相位;τp為一次時(shí)間常數(shù)。
當(dāng)一次時(shí)間常數(shù)設(shè)置為τp=100 ms時(shí),圖10為不同類型VT的全偏移暫態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖。
圖10 不同類型VT全偏移暫態(tài)響應(yīng)對(duì)比
仿真結(jié)果表明:所有EVT 的二次輸出電壓信號(hào)均與一次輸入工頻電壓信號(hào)曲線基本重合,誤差很小。而CVT由于其不能準(zhǔn)確傳變直流和非周期量,所以在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前不能準(zhǔn)確跟蹤一次電壓信號(hào),出現(xiàn)很大的傳變誤差。
圖11 為A 相接地短路故障仿真系統(tǒng)圖,故障時(shí)刻0.2 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.02 s。取故障點(diǎn)電壓信號(hào)作為仿真模型輸入,觀測(cè)電壓互感器模型對(duì)單相接地故障的暫態(tài)響應(yīng),圖12 為不同VT 的暫態(tài)電壓響應(yīng)對(duì)比。
圖11 A相接地短路故障仿真系統(tǒng)
圖12 不同類型VT的接地故障暫態(tài)響應(yīng)對(duì)比
仿真結(jié)果可以看出:在此系統(tǒng)短路故障情況下,CEVT 和OVT 能很好地跟蹤故障電壓波形;而REVT由于雜散電容的影響,在電壓突變點(diǎn)存在持續(xù)時(shí)間很短的大沖擊振蕩過程;而CVT也由于電容分壓器和電磁單元電感的原因在電壓突變點(diǎn)存在過渡過程。
圖13 為帶滯留電荷重合閘暫態(tài)過程PSCAD 模擬電路,選擇國(guó)標(biāo)GB 20840.7 中所提及的最嚴(yán)重的情況進(jìn)行仿真,在一次電壓達(dá)到正峰值時(shí)瞬時(shí)打開開關(guān)BRK,再在一次電壓達(dá)到正峰值時(shí)瞬時(shí)閉合開關(guān)BRK1。圖14 為不同類型電壓互感器對(duì)帶滯留電荷重合閘暫態(tài)過程仿真對(duì)比圖。
圖13 帶滯留電荷重合閘暫態(tài)過程模擬電路
圖14 不同類型VT對(duì)帶滯留電荷重合閘暫態(tài)響應(yīng)對(duì)比
仿真結(jié)果可知:當(dāng)出現(xiàn)帶滯留電荷重合閘的情況時(shí),OVT 的二次輸出能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確跟蹤一次電壓的變化,其傳變特性不受影響;CVT 由于不能傳變直流分量,很快衰減到零值,合閘之后還有個(gè)振蕩穩(wěn)定過程,CVT 不能真實(shí)地反映一次電壓的突變,且存在一定的響應(yīng)時(shí)延;CEVT 的暫態(tài)過程最嚴(yán)重,重合閘瞬間其二次輸出電壓出現(xiàn)了較大的暫態(tài)電壓;REVT由于雜散電容的影響,在重合閘瞬間也產(chǎn)生了較大的暫態(tài)電壓。
按照IEEE、IEC 標(biāo)準(zhǔn)通常用于雷電分析的波形要求,仿真時(shí)的沖擊信號(hào)源用雙指數(shù)函數(shù)實(shí)現(xiàn),可以描述為
式中:k、α、β為常數(shù),具體參數(shù)可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置。
圖15 為不同類型電壓互感器模型的沖擊響應(yīng)對(duì)比圖。仿真結(jié)果可以看出:CEVT 和OVT 的沖擊響應(yīng)特性優(yōu)異,能很好地跟蹤沖擊電壓信息;REVT 對(duì)沖擊電壓的跟蹤響應(yīng)比較好,但存在初始電壓出現(xiàn)很大的沖擊振蕩過程,由理論分析可知,這主要也是由雜散電容的存在引起的。而CVT的測(cè)量頻帶受限,不能準(zhǔn)確傳變高頻信號(hào),因而不能傳變沖擊電壓信號(hào)。
圖15 不同類型VT的沖擊響應(yīng)對(duì)比
對(duì)于交流測(cè)量,一般關(guān)注互感器的額定延時(shí);而對(duì)于直流測(cè)量,更關(guān)注互感器的階躍響應(yīng)時(shí)間。GB/T 26216.1—2019《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測(cè)量裝置第1 部分:電子式直流電流測(cè)量裝置》規(guī)定:最大過沖小于20%;上升時(shí)間(達(dá)到階躍值90%的時(shí)間)小于400 μs,柔直系統(tǒng)要求小于25 μs;趨穩(wěn)時(shí)間(幅值誤差不超過階躍值1.5%)小于5 ms。
圖16 為不同類型VT 的階躍響應(yīng)對(duì)比圖。仿真結(jié)果可見:在此參數(shù)設(shè)置下,所有類型的VT 的階躍響應(yīng)時(shí)間均小于100 μs,都能滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)階躍響應(yīng)時(shí)間的基本要求。但是,CEVT 由于電容分壓器和取樣電阻構(gòu)成放電回路,隨著RC 時(shí)間常數(shù)逐步放電,階躍響應(yīng)逐步衰減到零值,不能直接用來測(cè)量直流信號(hào)。而CVT的測(cè)量頻帶受限,不能測(cè)量直流和非周期分量,階躍響應(yīng)很快就衰減到零值,所以CVT也是不能用來測(cè)量直流信號(hào)的。
圖16 不同類型VT的階躍響應(yīng)對(duì)比
傳統(tǒng)電壓互感器由于測(cè)量頻帶有限、暫態(tài)特性較差,已不能滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)電壓感知的寬頻化需求。面向未來新型電力系統(tǒng)和數(shù)字電網(wǎng)的建設(shè),電壓測(cè)量將從常規(guī)電壓互感器向EVT 轉(zhuǎn)型,EVT 將會(huì)引來新的發(fā)展機(jī)遇。
本文構(gòu)建了REVT、CEVT 和OVT 等典型EVT 的傳遞函數(shù),獲得了它們的頻率響應(yīng)特性。依據(jù)傳遞函數(shù),建立了典型EVT 的PSCAD 仿真模型,分析了其暫態(tài)響應(yīng)特性,包括沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng),并與廣泛應(yīng)用的常規(guī)CVT 進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明:與常規(guī)CVT 相比,三種典型EVT 有著較好的頻率響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)特性。其中,CEVT 在帶滯留電荷重合閘操作中會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的暫態(tài)過程,重合閘瞬間其二次輸出電壓有可能出現(xiàn)較大的暫態(tài)電壓,由于不能傳變直流分量,所以CEVT 一般只用于交流電壓的測(cè)量。REVT則由于在高電壓應(yīng)用中需選擇兆歐級(jí)大電阻,其雜散電容的影響明顯,使得其測(cè)量帶寬受限,且對(duì)高頻暫態(tài)電壓沖擊會(huì)出現(xiàn)較大的暫態(tài)振蕩過程,因此REVT 一般只在中低壓等級(jí)電網(wǎng)使用。而OVT 原理上測(cè)量頻帶不受限制,能在全頻帶準(zhǔn)確傳變一次電壓信號(hào),其測(cè)量頻帶主要受信號(hào)處理和AD采樣的限制,其沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)特性表現(xiàn)優(yōu)異,是寬頻電壓感知的理想傳感器,OVT 將會(huì)成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)寬頻化電壓感知的重要技術(shù)手段。
本文僅給出了典型設(shè)計(jì)參數(shù)下EVT傳變特性的仿真和分析,EVT 的傳變特性會(huì)隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的改變而發(fā)生變化,溫度等運(yùn)行環(huán)境的不同,也會(huì)對(duì)EVT的傳變特性帶來一定影響。下一步應(yīng)將設(shè)計(jì)參數(shù)改變、環(huán)境溫度變化等考慮進(jìn)來,對(duì)建立的EVT 的PSCAD 仿真模型進(jìn)行不斷完善,為新型電力系統(tǒng)數(shù)值仿真提供實(shí)用的電壓測(cè)量仿真模型庫。