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摘要 在直流电压互感器校验中，为解决直流互感器一次分压器和二次测量系统通信距离长的问题，本文基于无线通信与北斗同步技术，提出了一种直流电压互感器无线校验方法和硬件设计方案，在锦屏—苏州±800 kV直流换流站开展了直流电压互感器现场误差无线校验试验.试验结果显示，装置在测量低压时无线校验试验数据偏差小，但在测量高压时，由于处于高电压强电磁的环境，GPS定位与同步存在不稳定与小范围偏差的问题.针对此问题，本文对直流电压互感器无线校验系统在复杂电磁环境干扰下进行特性分析，并提出减小无线传输的直流电压互感器误差的解决方法，对直流电压互感器的无线校验技术发展有一定的工程意义.
关键词 直流电压互感器;无线通信;北斗同步;电磁干扰
中图分类号TM933
文献标志码A
0 引言
直流电压互感器是特高压直流输电工程和柔性直流输电工程的关键设备，为直流输电系统的控制、保护提供电压信号，其测量准确性能直接影响到直流输电系统的安全稳定运行[1].目前工程互感器校验方法多采用采样信号经A＼D转换后通过电缆进行远程数据传输和同步的有线校验方法[1-5].然而在实际工程中直流互感器的一次分压器和二次测量系统间隔距离长，有线校验方式存在电缆拉线长、电缆和光纤易磨损及折断、布线复杂等问题，会降低数据传输可靠性、减缓校验工作效率[6-7].选择无线校验方式可避免上述问题，但存在同步难度大、无线覆盖范围小、数据传输不稳定和数据传输延时等问题，因此亟需研究解决方法以改善现场无线校验方法.
本文针对现有校验技术中存在的问题，研制了一种直流电压互感器无线校验装置，提出了基于无线通信的跨域点对点无线数据传输方案和基于北斗授时和时标容错技术的严格同步方案，并对锦屏—苏州±800 kV直流换流站的直流电压互感器开展现场校验试验，极大地降低现场布线复杂度和提高现场校验工作效率.针对现场校验试验过程中无线校验装置中北斗定位与同步存在不稳定与偏差的问题进行误差分析，分析了无线传输互感器误差以及减小误差的方法，对直流电压互感器的无线校验技术发展有一定的工程意义.
1 无线直流电压互感器校验装置
1.1 无线同步与通信功能分析
为保证校验结果的可靠性，计量装置必须确保被测互感器与标准器采样信号同步[8-10].在有线校验过程中，由于有线校验标准器与被测互感器由相同同步时钟提供同步信号，可认为标准器与互感器之间保持时钟同步.在无线校验过程中，考虑电力系统涉及国家安全，本文采用北斗系统向标准器与被测互感器提供同步采样信号，确保被测互感器与标准器之间的信号同步.为确保北斗系统提供同步信号的可靠性，本文工程样机通过判断连接卫星数目确保模块输出同步授时秒脉冲信号.无线同步信号判断流程如图1所示.为保证标准器与被测互感器间信息交换，并考虑直流换流站地域偏僻，4G移动基站提供信号弱，本文采样GPRS作为无线通信手段.
1.2 工程样机原理与设计
工程样机原理如图2所示，其中虚线表示无线传输，实线表示电缆传输.基于无线通信与北斗同步，本文设计的无线直流电压互感器校验装置包含：收发串口（RS232）、北斗同步模块、无线通信模块、数字化电能表、上位机计算模块与直流电压校验仪模块.为测量标准互感器输出信号，装置中主机部分连接电力系统一次侧的分压器，主机部分与直流校验仪通过电缆连接.为测量被测互感器输出信号，装置中从机部分连接电力系统二次侧系统控制柜，从机部分与直流校验仪通过无线通信连接.为保证主机与从机同步，分别在主机与从机两侧连接北斗系统传输同步信号.
传统校验装置主机与从机中的上位机部分由电缆连接，本文无线校验装置则由无线通信替代有線连接.
工程现场中运行的工程样机实物如图3所示.其中图3a为在户外一次侧连接标准互感器的主机，图3b为在控制室二次侧连接被测互感器传输信号的从机.
2 现场试点误差问题描述
为开展无线直流电压互感器计量性能研究，本文对锦屏—苏州±800 kV直流换流站的直流电压互感器开展现场校验试验，并利用现场有线与无线设备分别计量并进行实时检测分析.试点运行前，被试电子式互感器以及作为参考标准的传统互感器，还有在线监测设备均依照相关规程进行检测，计量性能满足规程要求.
现场试验运行数据都在±500 kV直流下进行测得.为保证试验数据的准确性，在试验过程中，试验切断被测线路外其余导线，换流站中仅留一条线路运行.表1为有线状况下的直流电压互感器试验数据.表1数据表明通过电缆有线测试时，相对误差在0.2%～0.9%之间.
对误差在0.12%～0.43%之间.然而随着电压百分比升高，相对误差变化明显，甚至在试验过程多次出现北斗定位与同步功能失灵，标准器与被试互感器上位机同步性差的现象，导致无线电压互感器测试数据比有线的数据偏差更大.
3 误差分析
3.1 无线直流电压互感器校验误差源分析
无线直流电压互感器校验流程中误差产生分析如图4所示，其中实线表示误差流程逻辑分析，虚线表示误差源分析.在校验过程中，标准直流电压互感器与被测直流电压互感器并联接入户外一次侧线路中，标准直流电压互感器通过电缆有线传输将信号输入校验仪中，被测直流电压互感器通过电缆传输将信号传输至室内二次侧，在经过二次侧A＼D转换后通过无线传输将信号传送至校验仪.
从无线直流电压互感器校验流程可知，校验误差来自于3个部分：互感器自身误差、互感器电缆有线传输误差和在高电压强电磁环境下对无线传输的干扰误差.
3.2 直流电压互感器误差分析
直流互感器自身误差来源于3个方面：互感器误差、A＼D转换误差与FT3通信协议量化误差[9-10].有线传输下的直流电压互感器误差可以表示为 3.3 同轴电缆传输误差分析
在现场有线通信测量通道采用同轴电缆[9]，在直流互感器计量中，无线直流互感器电缆包含户外一次侧到室内二次侧的传输电缆，有线直流互感器电缆还需加上室内二次侧到直流校验仪的连接电缆.电缆在传输过程中等效电路如图5所示.
3.4 强电磁环境下无线传输误差分析
直流电压的频率在0～50 Hz范围电磁场不会对无线通信产生影响，但由于直流输电中存在谐波，谐波的频率200～35 000 Hz会对通信产生严重影响，在超高压开关站中，严重时甚至会导致通信模块丢包或误码的情况[11-14].在±500 kV特高压直流互感器所处的高电压强电磁环境对互感器无线传输信号产生干扰更为严重.电场场强是高压直流输电的基本电磁环境参数[15-16]，无线通信还需考虑设备所处环境中的场强大小.
目前研究多使用误码率评价无线通信误差.在无线传输因谐波产生误码时，可能产生同步不稳定与数据量读取偏差的问题，此时计量校验参数无参考意义.为避免低频噪声干扰，本文中无线通信模块使用对时B码调频调制（BFSK），通过电磁兼容性（EMC）试验，当通信设备所处电场环境超过10 kV/m时，设备通信误码率超过可接受范围，产生通信异常.
4 误差分析仿真
4.1 仿真条件
为便于分析，本文设定如下基本分析与仿真环境：
1）在直流换流站中，无线直流互感器的通信电磁干扰主要来自变电站母线周围产生的电场和磁场、变压器产生的工频谐波与磁场、在高压侧由于隔离开关操作产生的过电压与大电流所产生的谐波与电场.
2）考虑变电站环境的对称性，并由于±300 kV时无线传输开始出现较大误差，所以选取±300 kV直流电场与电磁环境采用二维平面.
3）仿真中不考虑换流站中绝缘子、线路杆塔等器件对电磁场影响.
4）北斗同步系统同步误差100 ns，可认为标准器与被测互感器同步.
5）考虑互感器自身误差与同轴电缆传输产生误差.
4.2 基于有限差分方法的电磁环境仿真
由于在试验过程中，试验切断被测线路外其余导线，在换流站中仅保留一条线路运行，线路呈倒L型.本文简化换流站模型为一根L型±300 kV输电线路.基于有限差分方法，得到±300 kV工况下的标准器与被测互感间电磁环境分布如图6所示.其中红线两端为标准侧主机与被试侧从机的放置位置，L型黄线为电缆.可见本次试验过程中，主机与从机通信直线距离跨域高强电磁区域.
对图6电位求导可知，在无线通信信号发射与接收点的场强大小分别达到5 kV/m和10 kV/m，并经过最大场强为20 kV/m的拐角区域，超过无线通信模块正常耐受电场范围.
图7为基于有限差分的标准侧与被试侧所处位置直线距离的电场强度.横轴坐标0处为标准侧，在40 m处达到最大场强，对通信造成影响.在两者距离大概70 m处时电场强度衰减接近1 kV/m.
通过图7可知，在架空线电压超过300 kV时，通信设备所处环境的场强超过标准规定值，试验过程中通信开始出现同步异常、数据偏差等问题.
4.3 直流电压互感器误差仿真结果
基于有限元方法的电磁环境仿真结果，本文考虑互感器误差、同轴电缆传输误差和无线通信干扰产生误差进行直流电压互感器校验结果仿真.
本文采用的0.2 s级的互感器为标准器，即比差小于等于0.2%，通信协议与A＼D转化误差可忽略.在锦屏—苏州±800 kV直流换流站，测量实地互感器与室内二次侧测量系统间距，电缆采用LGJQ-300的钢芯鋁绞线.由于互感器现场因素影响，在现场试验比差在0.5%范围.
可得到电压互感器自身产生的电压幅值误差在±0.2%之间.同轴电缆传输在被测试品到二次侧A＼D转换器间为直流传输，产生电压误差幅值偏差为0.022%，在室内二次侧A＼D转换器到一次侧直流校验仪间距长且为直流传输，产生电压误差为0.069%.
基于通信设备工作环境的电场要求，±300 kV时输电线路产生电磁场超出FCC标准对通信设备工作环境电场大小标准，导致无线传输的误码率较高，本文认为场强大于10 kV/m时，计量标准器与被测试品不同步，计量结果不可靠.
4.4 仿真结果分析与对比
本文通过分析无线直流电压互感器误差来源，对两组数据进行分析，测试次数1到10次，选取±800 kV电压等级的15%～45%.在45%以上的无线传输误由于同步异常产生差较大已忽略，如图8所示.
图8是基于无线直流电压互感器校验装置误差分析的仿真结果与在锦屏—苏州±800 kV线路的试验结果对比.因有线传输多一段同轴电缆有线误差，仿真结果中有线计量误差始终比无线计量误差多0.069%，而试验结果中无线计量误差比有线计量小，但随测试电压上升，第10次超过300 kV时，无线计量误差会超过有线计量误差.
5 结论
1）本文基于无线通信技术和北斗同步技术设计了一套无线直流电压校验装置，并使用该设备在锦屏—苏州±800 kV直流换流站进行电压校验，校验结果表明：由于无线传输不会因为信号通过同轴电缆传输产生误差，无线直流电压校验装置比有线校验装置能更精准地校验互感器.但由于电磁环境对无线传输的干扰会使得部分数据同步异常导致计量误差.
2）针对特高压直流输电中强电磁大电场环境对无线通信技术的干扰，本文仿真模拟出±80 kV～±500 kV直流电场与电磁环境.结合电磁环境与无线通信误差分析，仿真出电压偏差状况，并与实际工程试验结果进行对比.结果表明：无线直流电压校验装置误差主要来自于互感器误差、同轴电缆产生误差与电磁干扰对无线通信影响. 3）根据本文误差分析，为提高计量精度可采用无线计量方式或减小有线计量电缆距离、减小被测线路高频谐波、设置无线计量装置检测位置使被试侧与标准侧避开高电磁环境区域.
参考文献
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Abstract In this article，we propose a wireless DC voltage transformer calibration method and related hardware design for Jinping— Suzhou ± 800 kV DC converter station to conduct error validation test on DC voltage transformer.The proposed method is based on wireless communication and Beidou synchronous technology to solve the issue of long distance between the DC transformer voltage divider and the secondary communication measuring system.The test results show that a minor deviation is observed in wireless calibration test on measurement of low voltage.While on measurement of high voltage，the GPS positioning and synchronization are affected owing to the high voltage and strong electromagnetic environment，which produce instability and minor deviation of the calibration.To resolve this problem，the characteristics of wireless calibration system of DC voltage transformers are analyzed under interference of complex electromagnetic environment，and a solution is proposed to reduce the error generated in DC voltage transformers using wireless transmission approach.This will avail the development of wireless calibration technology for DC voltage transformers.
Key words DC voltage transformer;wireless communication;Beidou synchronization;electromagnetic interference
关键词 直流电压互感器;无线通信;北斗同步;电磁干扰
中图分类号TM933
文献标志码A
0 引言
直流电压互感器是特高压直流输电工程和柔性直流输电工程的关键设备，为直流输电系统的控制、保护提供电压信号，其测量准确性能直接影响到直流输电系统的安全稳定运行[1].目前工程互感器校验方法多采用采样信号经A＼D转换后通过电缆进行远程数据传输和同步的有线校验方法[1-5].然而在实际工程中直流互感器的一次分压器和二次测量系统间隔距离长，有线校验方式存在电缆拉线长、电缆和光纤易磨损及折断、布线复杂等问题，会降低数据传输可靠性、减缓校验工作效率[6-7].选择无线校验方式可避免上述问题，但存在同步难度大、无线覆盖范围小、数据传输不稳定和数据传输延时等问题，因此亟需研究解决方法以改善现场无线校验方法.
本文针对现有校验技术中存在的问题，研制了一种直流电压互感器无线校验装置，提出了基于无线通信的跨域点对点无线数据传输方案和基于北斗授时和时标容错技术的严格同步方案，并对锦屏—苏州±800 kV直流换流站的直流电压互感器开展现场校验试验，极大地降低现场布线复杂度和提高现场校验工作效率.针对现场校验试验过程中无线校验装置中北斗定位与同步存在不稳定与偏差的问题进行误差分析，分析了无线传输互感器误差以及减小误差的方法，对直流电压互感器的无线校验技术发展有一定的工程意义.
1 无线直流电压互感器校验装置
1.1 无线同步与通信功能分析
为保证校验结果的可靠性，计量装置必须确保被测互感器与标准器采样信号同步[8-10].在有线校验过程中，由于有线校验标准器与被测互感器由相同同步时钟提供同步信号，可认为标准器与互感器之间保持时钟同步.在无线校验过程中，考虑电力系统涉及国家安全，本文采用北斗系统向标准器与被测互感器提供同步采样信号，确保被测互感器与标准器之间的信号同步.为确保北斗系统提供同步信号的可靠性，本文工程样机通过判断连接卫星数目确保模块输出同步授时秒脉冲信号.无线同步信号判断流程如图1所示.为保证标准器与被测互感器间信息交换，并考虑直流换流站地域偏僻，4G移动基站提供信号弱，本文采样GPRS作为无线通信手段.
1.2 工程样机原理与设计
工程样机原理如图2所示，其中虚线表示无线传输，实线表示电缆传输.基于无线通信与北斗同步，本文设计的无线直流电压互感器校验装置包含：收发串口（RS232）、北斗同步模块、无线通信模块、数字化电能表、上位机计算模块与直流电压校验仪模块.为测量标准互感器输出信号，装置中主机部分连接电力系统一次侧的分压器，主机部分与直流校验仪通过电缆连接.为测量被测互感器输出信号，装置中从机部分连接电力系统二次侧系统控制柜，从机部分与直流校验仪通过无线通信连接.为保证主机与从机同步，分别在主机与从机两侧连接北斗系统传输同步信号.
传统校验装置主机与从机中的上位机部分由电缆连接，本文无线校验装置则由无线通信替代有線连接.
工程现场中运行的工程样机实物如图3所示.其中图3a为在户外一次侧连接标准互感器的主机，图3b为在控制室二次侧连接被测互感器传输信号的从机.
2 现场试点误差问题描述
为开展无线直流电压互感器计量性能研究，本文对锦屏—苏州±800 kV直流换流站的直流电压互感器开展现场校验试验，并利用现场有线与无线设备分别计量并进行实时检测分析.试点运行前，被试电子式互感器以及作为参考标准的传统互感器，还有在线监测设备均依照相关规程进行检测，计量性能满足规程要求.
现场试验运行数据都在±500 kV直流下进行测得.为保证试验数据的准确性，在试验过程中，试验切断被测线路外其余导线，换流站中仅留一条线路运行.表1为有线状况下的直流电压互感器试验数据.表1数据表明通过电缆有线测试时，相对误差在0.2%～0.9%之间.
对误差在0.12%～0.43%之间.然而随着电压百分比升高，相对误差变化明显，甚至在试验过程多次出现北斗定位与同步功能失灵，标准器与被试互感器上位机同步性差的现象，导致无线电压互感器测试数据比有线的数据偏差更大.
3 误差分析
3.1 无线直流电压互感器校验误差源分析
无线直流电压互感器校验流程中误差产生分析如图4所示，其中实线表示误差流程逻辑分析，虚线表示误差源分析.在校验过程中，标准直流电压互感器与被测直流电压互感器并联接入户外一次侧线路中，标准直流电压互感器通过电缆有线传输将信号输入校验仪中，被测直流电压互感器通过电缆传输将信号传输至室内二次侧，在经过二次侧A＼D转换后通过无线传输将信号传送至校验仪.
从无线直流电压互感器校验流程可知，校验误差来自于3个部分：互感器自身误差、互感器电缆有线传输误差和在高电压强电磁环境下对无线传输的干扰误差.
3.2 直流电压互感器误差分析
直流互感器自身误差来源于3个方面：互感器误差、A＼D转换误差与FT3通信协议量化误差[9-10].有线传输下的直流电压互感器误差可以表示为 3.3 同轴电缆传输误差分析
在现场有线通信测量通道采用同轴电缆[9]，在直流互感器计量中，无线直流互感器电缆包含户外一次侧到室内二次侧的传输电缆，有线直流互感器电缆还需加上室内二次侧到直流校验仪的连接电缆.电缆在传输过程中等效电路如图5所示.
3.4 强电磁环境下无线传输误差分析
直流电压的频率在0～50 Hz范围电磁场不会对无线通信产生影响，但由于直流输电中存在谐波，谐波的频率200～35 000 Hz会对通信产生严重影响，在超高压开关站中，严重时甚至会导致通信模块丢包或误码的情况[11-14].在±500 kV特高压直流互感器所处的高电压强电磁环境对互感器无线传输信号产生干扰更为严重.电场场强是高压直流输电的基本电磁环境参数[15-16]，无线通信还需考虑设备所处环境中的场强大小.
目前研究多使用误码率评价无线通信误差.在无线传输因谐波产生误码时，可能产生同步不稳定与数据量读取偏差的问题，此时计量校验参数无参考意义.为避免低频噪声干扰，本文中无线通信模块使用对时B码调频调制（BFSK），通过电磁兼容性（EMC）试验，当通信设备所处电场环境超过10 kV/m时，设备通信误码率超过可接受范围，产生通信异常.
4 误差分析仿真
4.1 仿真条件
为便于分析，本文设定如下基本分析与仿真环境：
1）在直流换流站中，无线直流互感器的通信电磁干扰主要来自变电站母线周围产生的电场和磁场、变压器产生的工频谐波与磁场、在高压侧由于隔离开关操作产生的过电压与大电流所产生的谐波与电场.
2）考虑变电站环境的对称性，并由于±300 kV时无线传输开始出现较大误差，所以选取±300 kV直流电场与电磁环境采用二维平面.
3）仿真中不考虑换流站中绝缘子、线路杆塔等器件对电磁场影响.
4）北斗同步系统同步误差100 ns，可认为标准器与被测互感器同步.
5）考虑互感器自身误差与同轴电缆传输产生误差.
4.2 基于有限差分方法的电磁环境仿真
由于在试验过程中，试验切断被测线路外其余导线，在换流站中仅保留一条线路运行，线路呈倒L型.本文简化换流站模型为一根L型±300 kV输电线路.基于有限差分方法，得到±300 kV工况下的标准器与被测互感间电磁环境分布如图6所示.其中红线两端为标准侧主机与被试侧从机的放置位置，L型黄线为电缆.可见本次试验过程中，主机与从机通信直线距离跨域高强电磁区域.
对图6电位求导可知，在无线通信信号发射与接收点的场强大小分别达到5 kV/m和10 kV/m，并经过最大场强为20 kV/m的拐角区域，超过无线通信模块正常耐受电场范围.
图7为基于有限差分的标准侧与被试侧所处位置直线距离的电场强度.横轴坐标0处为标准侧，在40 m处达到最大场强，对通信造成影响.在两者距离大概70 m处时电场强度衰减接近1 kV/m.
通过图7可知，在架空线电压超过300 kV时，通信设备所处环境的场强超过标准规定值，试验过程中通信开始出现同步异常、数据偏差等问题.
4.3 直流电压互感器误差仿真结果
基于有限元方法的电磁环境仿真结果，本文考虑互感器误差、同轴电缆传输误差和无线通信干扰产生误差进行直流电压互感器校验结果仿真.
本文采用的0.2 s级的互感器为标准器，即比差小于等于0.2%，通信协议与A＼D转化误差可忽略.在锦屏—苏州±800 kV直流换流站，测量实地互感器与室内二次侧测量系统间距，电缆采用LGJQ-300的钢芯鋁绞线.由于互感器现场因素影响，在现场试验比差在0.5%范围.
可得到电压互感器自身产生的电压幅值误差在±0.2%之间.同轴电缆传输在被测试品到二次侧A＼D转换器间为直流传输，产生电压误差幅值偏差为0.022%，在室内二次侧A＼D转换器到一次侧直流校验仪间距长且为直流传输，产生电压误差为0.069%.
基于通信设备工作环境的电场要求，±300 kV时输电线路产生电磁场超出FCC标准对通信设备工作环境电场大小标准，导致无线传输的误码率较高，本文认为场强大于10 kV/m时，计量标准器与被测试品不同步，计量结果不可靠.
4.4 仿真结果分析与对比
本文通过分析无线直流电压互感器误差来源，对两组数据进行分析，测试次数1到10次，选取±800 kV电压等级的15%～45%.在45%以上的无线传输误由于同步异常产生差较大已忽略，如图8所示.
图8是基于无线直流电压互感器校验装置误差分析的仿真结果与在锦屏—苏州±800 kV线路的试验结果对比.因有线传输多一段同轴电缆有线误差，仿真结果中有线计量误差始终比无线计量误差多0.069%，而试验结果中无线计量误差比有线计量小，但随测试电压上升，第10次超过300 kV时，无线计量误差会超过有线计量误差.
5 结论
1）本文基于无线通信技术和北斗同步技术设计了一套无线直流电压校验装置，并使用该设备在锦屏—苏州±800 kV直流换流站进行电压校验，校验结果表明：由于无线传输不会因为信号通过同轴电缆传输产生误差，无线直流电压校验装置比有线校验装置能更精准地校验互感器.但由于电磁环境对无线传输的干扰会使得部分数据同步异常导致计量误差.
2）针对特高压直流输电中强电磁大电场环境对无线通信技术的干扰，本文仿真模拟出±80 kV～±500 kV直流电场与电磁环境.结合电磁环境与无线通信误差分析，仿真出电压偏差状况，并与实际工程试验结果进行对比.结果表明：无线直流电压校验装置误差主要来自于互感器误差、同轴电缆产生误差与电磁干扰对无线通信影响. 3）根据本文误差分析，为提高计量精度可采用无线计量方式或减小有线计量电缆距离、减小被测线路高频谐波、设置无线计量装置检测位置使被试侧与标准侧避开高电磁环境区域.
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Abstract In this article，we propose a wireless DC voltage transformer calibration method and related hardware design for Jinping— Suzhou ± 800 kV DC converter station to conduct error validation test on DC voltage transformer.The proposed method is based on wireless communication and Beidou synchronous technology to solve the issue of long distance between the DC transformer voltage divider and the secondary communication measuring system.The test results show that a minor deviation is observed in wireless calibration test on measurement of low voltage.While on measurement of high voltage，the GPS positioning and synchronization are affected owing to the high voltage and strong electromagnetic environment，which produce instability and minor deviation of the calibration.To resolve this problem，the characteristics of wireless calibration system of DC voltage transformers are analyzed under interference of complex electromagnetic environment，and a solution is proposed to reduce the error generated in DC voltage transformers using wireless transmission approach.This will avail the development of wireless calibration technology for DC voltage transformers.
Key words DC voltage transformer;wireless communication;Beidou synchronization;electromagnetic interference