数字量输出型直流电压互感器的误差特性分析

李登云+雷民+熊前柱+聂琪+沈曙明+章江铭

摘 要： 针对数字量输出型直流电压互感器实际误差情况及误差特性研究不足的现状，建立数字量输出型直流电压互感器的误差分析模型，完成现场校准试验，得到实际误差情况，并详细分析误差特性。结果表明，数字量输出型直流电压互感器存在超差现象，但可以通过误差修正达到0.2级要求；基本误差的线性度为0.1%～0.2%；升降变差和短时稳定性均在10-4数量级；存在零点漂移现象，经过零点修正，线性度优化了0.08%，10%额定电压下的测量准确度提高了0.1%。

关键词： 数字量输出； 直流电压互感器； 误差特性； 误差分析模型； 线性度； 零点漂移

中图分类号： TN722.7+4?34； TN721； TM451 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0119?05

Abstract： In view of the lack of research on the actual error condition and error characteristics of the digital output type DC voltage transformer， an error analysis model of the digital output type DC voltage transformer was established. The field calibration test was completed， the actual error condition was obtained， and the error characteristics were analyzed in detail. The results show that： There exists the phenomenon of over tolerance in the digital output type DC voltage transformer， but it can meet the 0.2 level requirements by means of error correction； The linearity of basic errors is about 0.1% to 0.2%； Both the rise and fall variation and the short time stability are 10?4 orders of magnitude； The phenomenon of zero drift exists， and the zero correction improves the linearity by 0.08%， as well as enhances the measurement accuracy by 0.1% at 10% rated voltage.

Keywords： digital output； DC voltage transformer； error characteristic； error analysis model； linearity； zero drift

0 引 言

直流电压互感器是测量直流输电系统一次电压信号的重要设备，根据输出给直流控制保护系统的信号类型不同，直流电压互感器分为模拟量输出型和数字量输出型两种。

针对模拟量输出型直流电压互感器，文献[1?3]提出了标准信号和被校信号同步采集、被校信号无线传输的校验方法。研制了现场用直流电压比例标准器，完成了500 kV德阳换流站、800 kV复龙换流站模拟量输出型直流互感器的现场试验，并对模拟量输出型直流电压互感器的误差特性进行了分析。

随着智能电网、柔性直流输电等新技术的不断推动[4?6]，新建直流工程大多采用数字量输出型直流电压互感器。與模拟量输出型相比，数字量输出型直流电压互感器不仅输出信号的型式不同，且结构也存在差异。因此，需要采用不同的校准方法，误差特性也不尽相同。

目前，针对数字量输出型直流电压互感器现场校准技术的研究较少，但针对数字量输出型直流电流互感器的相关研究则较多，有一定的借鉴意义。文献[7]调研了直流电流互感器的运行状况和现场校准现状，并提出了新的直流电流互感器现场校准方法；文献[8]针对直流电流互感器的现场校准方法和设备缺乏严密论证的问题，开展了现场校准设备的抗干扰研究；文献[9]提出了一种基于模块交错并联的暂稳态控制和变压器一体化设计，开展了外置式高稳定度直流标准试验电源以及直流互感器数字校验仪的研制。

以上研究的侧重点在校准方法研究和校验设备研制上，并未开展数字量输出型直流电压互感器的现场校准试验，缺少现场校准试验数据及相关误差特性分析。因此，对数字量输出型直流电压互感器的实际误差情况及其误差特性缺乏了解，亟待开展相关方面的研究工作为后续的工程实践等提供参考。

本文根据数字量输出型直流电压互感器的典型结构，建立了误差分析模型，介绍了适用于数字量输出型直流电压互感器的现场校准试验方法。同时建立了相应的现场校准试验平台，从而完成了舟衢站直流侧负极线上数字量输出型直流电压互感器的现场校准试验，获得了挂网运行的数字量输出型直流电压互感器的实际误差情况，并根据校准数据详细分析了误差特性。

1 典型结构与误差分析模型

1.1 数字量输出型直流电压互感器的典型结构

数字量输出型直流电压互感器主要由分压器、电阻盒、远端模块、光缆及合并单元组成[10]，典型结构见图1。

分压器采用一次阻容分压器，主要作用是将直流高电压转换为直流低电压。电阻盒内是多个阻容分压电路的并联，主要作用是对分压器输出的信号进行二次分压，并实现多路独立信号输出。电阻盒的每个独立输出信号连接一个远端模块，从而使多个远端模块的采样信号相对独立、互不影响。远端模块的主要作用是，将电阻盒输出的模拟电信号转换成数字光信号。合并单元置于控制室内，主要作用是接收并处理远端模块发送的数据，并将测量数据按规定的协议输出给直流控制保护系统使用。endprint

1.2 误差分析模型

为了满足备用冗余的要求，直流电压互感器输出为多路独立测量信号。

一次阻容分压器的误差主要包括电阻阻值不准引起的误差、工作在高电压时电阻自热导致阻值变化引起的误差、高电压下的电晕电流和泄露电流引起的误差以及环境温湿度变化所引起的误差等。

二次阻容分压单元一般工作在低电压等级，误差主要包括电阻阻值不准引起的误差、环境温湿度变化引起的误差、远端模块输入阻抗引入的误差等。

远端模块的误差主要包括A/D转换过程中的量化误差。

2 现场校准试验

2.1 现场校准试验方法

数字量输出型直流电压互感器现场校准试验原理如图2所示。图中，直流电压源、直流电压标准器、直流误差校验系统与被校直流电压互感器中的阻容分压器位于直流场中，被校直流电压互感器中的合并单元位于控制室内。

直流电压源在直流电压标准器和被校直流电压互感器的阻容分压器上施加直流高电压。直流误差校验系统测量直流电压标准器的二次输出电压，解析被校直流电压互感器的一次电压测量值，并计算校准结果。

式中：ε为被校直流电压互感器的基本误差；[Ux]为被校直流电压互感器的一次电压测量值；[K0]为直流电压标准器的标称分压比；[u0]为直流电压标准器的二次输出电压。

2.2 现场校准试验平台

数字量输出型直流电压互感器现场校准试验平台包括：直流电压源、直流电压标准器、直流误差校验系统。本文所用的直流电压源，额定电压为300 kV，稳定度为每小时0.05%。采用同步方式校准0.2级直流电压互感器时，可忽略电源稳定度对校验结果的影响。目前，直流电压比例标准的电压等级已达到1 000 kV。本文所用直流电压标准器的额定电压为300 kV，标称分压比为[1051]，准确度等级为0.05级。采用该标准器校准0.2级直流电压互感器时，可以忽略标准器误差的影响。直流误差校验系统由标准采集模块、协议转换模块、同步时钟装置和上位机组成，工作原理如图3所示。

直流误差校验系统的准确度，取决于标准采集模块的准确度。本文采用6位半数字万用表作为标准采集模块，在0.2～2 V直流电压范围内，测量准确度优于0.01%；在校准0.2级直流电压互感器时，可以忽略直流误差校验系统的测量误差。

3 现场校准结果与分析

3.1 基本误差

舟山五端柔性直流输电系统中各换流站的直流侧，均采用数字量输出型直流电压互感器，额定电压为200 kV，准确度等级为0.2级，输出信号为满足FT3协议的数字光信号。这些数字量输出型直流电压互感器，均为同一厂家生产的同一型号产品，误差特性基本相同。同时考虑到系统停电检修时间短、任务重。因此，本文仅对舟衢站直流侧负极线上的数字量输出型直流电压互感器进行现场校准。

被校直流電压互感器包括两个合并单元，分别位于控制柜A和控制柜B中，每个合并单元输出的FT3数据中，均包含两组一次直流电压测量值，分别记为1通道和2通道。因此，被校直流电压互感器的一次直流电压测量值共有4组，分别记为A柜1通道、A柜2通道、B柜1通道、B柜2通道。

在10%，20%，50%，80%和100%额定电压下，分别对直流电压互感器的四组测量值进行校准，基本误差曲线如图4所示。

从图4可以看出，同一台直流电压互感器输出的4组测量值，基本误差并不相同。这是因为直流电压互感器的准确度，不仅受一次阻容分压器的准确度影响，且还受二次阻容分压单元与远端模块的准确度影响；除A柜2通道外，其余三组测量值的基本误差在10%～100%额定电压范围内，均满足0.2级要求；A柜2通道的测量值，在10%～50%额定电压范围内，误差超过了0.2级的限值要求，超差最严重的出现在20 kV时，基本误差为-0.29%；相同合并单元不同通道的测量值，虽基本误差的大小不同，但曲线形状基本相同；不同合并单元的测量值，不仅基本误差的大小不同，且曲线形状也不同。在10%～100%额定电压范围内，4组测量值基本误差的线性度如表1所示。

从表1可以看出，4组测量值基本误差的线性度在0.1%～0.2%范围；基本误差的极值一般出现在最高或最低电压附近；A柜2通道的测量值虽超差，但线性度为0.15%。因此，可通过误差修正的方式，使A柜2通道的测量值满足0.2级准确度的要求。

值得注意的是，相对于0.2级准确度而言，被校直流电压互感器的线性度偏大，且直流互感器由于包含大量电子器件，长期稳定性较差。为了保证直流电压互感器经过长期运行，仍满足0.2级准确度的要求，建议对直流电压互感器开展周期性校准。

3.2 升降变差和短时稳定性

一次阻容分压器工作在直流高电压下，是直流电压互感器的一次传感部分，其温度特性决定了直流电压互感器的测量性能。

试验电压从20 kV升至200 kV再降至20 kV过程中，测量被校直流电压互感器4组测量值为20 kV，40 kV，100 kV和160 kV。电压下降时相对于电压上升时的误差变化量如表2所示。试验电压的升高过程就是分压器内部的加热过程，试验电压的下降过程则是分压器内部的散热过程。因此，直流电压互感器的升降变差，能够反映一次阻容分压器的温度特性。

从表2可以看出，被校直流电压互感器四组测量值的升降变差，在40 kV，100 kV，160 kV时不超过0.02%，在20 kV时略高。这是因为在实际测量中，升降变差不仅由上升、下降过程中一次阻容分压器的分压比变化引起，且由两次测量结果的分散性引起。在20 kV时，由于测量信号较低，易受噪声、零点漂移等影响，导致测量分散性增大。从40 kV，100 kV，160 kV的测量结果来看，被校直流电压互感器的一次阻容分压器具有较好的温度特性。在200 kV额定电压下，测量A柜1通道和A柜2通道的基本误差，共测量120个点，测量间隔时间为1 s，短时稳定性测量结果如图5所示。持续施加额定电压时，分压器内部温度将逐渐升高，直至达到热平衡状态。因此，被校直流电压互感器的短时稳定性，也能反映一次阻容分压器的温度特性。endprint

从图5中的测量点分布可以看出，A柜1通道的分散性优于A柜2通道。从图5中的趋势线还可看出，在分压器内部温度逐渐升高的过程中，A柜1通道和A柜2通道的基本误差在10?4数量级上无明显增大或减小的趋势。这进一步说明，被校直流电压互感器的一次阻容分压器具有较好的温度特性。

3.3 零点修正

当试验电源的输出电压为零时，直流电压标准器测得一次直流电压小于0.1 V，被校直流电压互感器的4组测量值均有明显零点漂移现象。其中，B柜1通道测得一次直流电压约为-18 V，对B柜1通道进行零点修正，结果如图6所示。

从图6可以看出，经过零点修正后，B柜1通道的线性度从0.15%变为0.07%，线性度优化了0.08%。

不同电压时，零点修正对被校直流电压互感器准确度的影响量如表3所示。其中，表中的影响量等于修正后的基本误差减去修正前的基本误差。

从表3可以看出，电压越低零点修正对被校直流电压互感器测量结果的影响越大，20 kV下的影响量达到了-0.1%，200 kV下的影响量仅-0.01%。

4 结 语

同一台数字量输出型直流电压互感器输出的四路测量信号，基本误差并不相同。其中，A柜2通道超差，误差最差为-0.29%，但通过误差修正可以满足0.2级要求。被校数字量输出型直流电压互感器的线性度为0.1%～0.2%。相对于0.2级准确度而言，线性度偏大，且直流互感器由于包含大量电子器件，长期稳定性较差。因此，为了在长期运行后仍满足0.2级准确度的要求，需要开展周期性校准。被校数字量输出型直流电压互感器的升降变差和短时稳定性均在10-4数量级，说明被校数字量输出型直流电压互感器的一次阻容分压器具有较好的温度特性。被校数字量输出型直流电压互感器存在零点漂移现象，对测量结果进行零点修正后，线性度优化了0.08%，10%额定电压下的测量准确度提高了0.1%。可见，零点漂移是影响数字量输出型直流电压互感器线性度和低电压下测量准确度的重要因素。

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