電力系統(tǒng)測量方法-插值法的電容式電壓互感器諧波電壓測量方法

［全］電力系統(tǒng)測量方法-插值法的電容式電壓互感器諧波電

壓測量方法

電容式電壓互感器(CVT—CapacitorVoltageTransformer)

以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)獲得了越來越多的應(yīng)用。但是，

由于其工作原理的特殊性，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549—1993

《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》明確規(guī)定CVT不能用于諧波測量,

而隨著非線性負(fù)荷的日益增加，對于諧波電壓的測量已成為

電力行業(yè)確保安穩(wěn)運(yùn)行所必需的一項(xiàng)要求，形勢的發(fā)展導(dǎo)致

了對諧波電壓精準(zhǔn)測量的需要。

現(xiàn)有技術(shù)中有通過設(shè)計(jì)一種包括諧波產(chǎn)生、高壓產(chǎn)生、準(zhǔn)確

值輸出、被測CVT輸出、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等幾個(gè)主要部

分的諧波測量誤差修正裝置，通過對各臺(tái)具體的CVT設(shè)備進(jìn)

行諧波傳遞特性的實(shí)驗(yàn)后，利用實(shí)測的諧波傳變特性曲線實(shí)

現(xiàn)對諧波測量的校正。該裝置雖然能實(shí)現(xiàn)對諧波測量的精確

校正，但存在必須對每臺(tái)CVT設(shè)備分別校正，工作量大的問

題，實(shí)際應(yīng)用困難重重，具有成本高、效率低、速度慢等不

足

現(xiàn)有技術(shù)中還有在傳統(tǒng)的電容式電壓互感器的基礎(chǔ)之上，在

低壓端加裝電容分壓器作為諧波測量的測量元件的方法實(shí)

現(xiàn)對諧波電壓信號(hào)的分析測量。該方法一個(gè)固有缺陷是必須

對CVT進(jìn)行改造,從理論上來說是對CVT測量原理的顛覆

性改變，有些類似于電子式互感器的工作原理，其制造、設(shè)

計(jì)成本將完全不再具有CVT的特點(diǎn)，并且,由于在CVT的

內(nèi)部增加了新的元器件，其安全性難以評估和預(yù)測，可以說

是不適于對現(xiàn)有CVT應(yīng)用的改造的存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、

有可靠性隱患等缺陷。

現(xiàn)有技術(shù)中還有通過在CVT的內(nèi)部增加兩個(gè)電流傳感器利

用數(shù)據(jù)采集卡分別采集流過CVT高壓電容C1、低壓電容C2

的電流信號(hào)；再通過諧波分析程序?qū)Σ杉降碾娏餍盘?hào)進(jìn)行

諧波分析后，利用電流與電壓之間的相互關(guān)系計(jì)算，從而得

到CVT電網(wǎng)側(cè)電壓諧波的情況。

現(xiàn)有技術(shù)中還有根據(jù)預(yù)設(shè)模型的等效電路元件參數(shù)進(jìn)行擬

合，得到變比幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)特性曲線，然后對其

他型號(hào)的不同等效電路元件參數(shù)基于擬合結(jié)果采用平移等

方式調(diào)整曲線，實(shí)現(xiàn)校正。該方法對CVT制造時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

（即：高壓電容C1、中壓電容C2和分壓比k參數(shù)）的差異性

引起的傳變特性變化（如圖1和圖2所示）的實(shí)際處理的可操

作性考慮的較少，而且，對于雜散電容的影響考慮的不夠充

分；并且，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真研究表明，CVT的等效電

路元件參數(shù)隨溫度變化的特點(diǎn)雖然對于基波的傳遞特性影

響較小，但對于諧波信號(hào)的傳變影響很大，不考慮溫度影響

的諧波測量校正方法在實(shí)際具體應(yīng)用時(shí)會(huì)引起較大的溫服

附加誤差，圖3給出了考慮元件參數(shù)隨溫度變化的因素后,

部分次數(shù)的諧波的傳感變比和相差的變化情況，可見，溫度

對CVT諧波電壓測量精度的影響極大，諧波次數(shù)越高，受影

響情況越嚴(yán)重，因此，在CVT諧波電壓精準(zhǔn)測量方法的研究

中，必須考慮溫度對測量結(jié)果的影響問題。

問題拆分

該方法利用曲線擬合的方法，在離線條件下獲得不同參數(shù)組

合條件下的數(shù)學(xué)插值計(jì)算方程，再針為具體的CVT裝置，采

用人機(jī)對話的方式將其銘牌參數(shù)（實(shí)際參數(shù)）輸入到諧波校正

裝置，利用該數(shù)學(xué)插值計(jì)算方程獲得任意參數(shù)在常溫條件下

的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，即獲得針對具體參數(shù)下常溫時(shí)下的CVT

幅頻曲線和相頻曲線；然后，利用溫度傳感器所測得的CVT

運(yùn)行環(huán)境溫度，通過在離線條件下獲得的因溫度變化引起的

等效電路參數(shù)偏移量的計(jì)算獲得CVT幅頻曲線和相頻曲線

隨溫度變化的修正曲線，實(shí)現(xiàn)對CVT諧波含量的精確修正測

量。

101WC1C2―?-1O2HC1C2--------W7KC1C2--------104Mle21O5HC1C2

圖2

S1:根據(jù)電容式電壓互感器的等效電路模型，計(jì)算獲得不同

主電容參數(shù)值組合情況下滿足基波測量精準(zhǔn)度要求的等效

電路結(jié)構(gòu)參數(shù)；

S2:由S1中得到的等效電路結(jié)構(gòu)參數(shù),離線計(jì)算不同主電

容值組合下電容式電壓互感器在常溫下的各次諧波的網(wǎng)絡(luò)

傳遞函數(shù)校正系數(shù)，即：相對于由二次側(cè)輸出獲得的基本幅

頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線的校正系數(shù)；

S3:考慮電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)參數(shù)因制造時(shí)參數(shù)的差異性,

由其銘牌參數(shù)利用二維線性插值的方法得到實(shí)際待校正電

容式電壓互感器在常溫下在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合及不同溫度

下各次諧波電壓的傳遞特性的校正系數(shù)，進(jìn)而由二次側(cè)輸出

信號(hào)的快速傅立葉變換結(jié)果得到常溫下一次側(cè)各次諧波電

壓信號(hào)的校正值；

S4:通過溫度的測量，利用一維線性插值的方法實(shí)現(xiàn)在不同

溫度條件下對電壓諧波的精準(zhǔn)校正測量；

所述步驟S1的具體過程是：

根據(jù)電容式電壓互感器生產(chǎn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)GB/T4703-2001

要求電容分壓器應(yīng)符合耦合電容器及電容分壓器標(biāo)準(zhǔn)JB/T

8169-1999的規(guī)定：在電容分壓器分壓電容單元的選擇時(shí),

任何一個(gè)串聯(lián)電容器單元的實(shí)測值與標(biāo)稱值之差應(yīng)不超過

標(biāo)稱值的-5%~+10%,且相串聯(lián)的任意兩電容器單元實(shí)測

電容值的比值與這兩單元的額定電容之比值之差應(yīng)不大于

后一比值的5%,確定電容式電壓互感器的高壓電容C1和

中壓電容C2的變化范圍；并在這個(gè)變化范圍內(nèi)將C1和C2

分別用等差數(shù)列的形式形成數(shù)列，以組合的方式劃分成不同

的C1和C2的組合；

在保證基波傳變精度的前提下，由上述已知的高壓電容CL

中壓電容C2的各個(gè)組合，利用電容式電壓互感器在基波條

件下是處于諧振測量狀態(tài)的原理，計(jì)算得到中間電抗器的理

論電感值LS,并考慮到電容式電壓互感器的生產(chǎn)制造特點(diǎn),

將1.005LS設(shè)置為補(bǔ)償電抗器的作為實(shí)際電感值參數(shù)；雜散

電容、阻尼回路和負(fù)載參數(shù)均按常規(guī)和額定運(yùn)行參數(shù)設(shè)置;

從而獲得在不同具體參數(shù)下的電容式電壓互感器的等效電

路模型。

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>3020-10010203040506070

溫度<x>

圖3

進(jìn)一步地，所述步驟S2的具體過程是：

根據(jù)所述的C1和C2的組合，通過步驟S1中得到的參數(shù)配

置，利用仿真方法離線計(jì)算電容式電壓互感器不同主電容值

參數(shù)組合在常溫標(biāo)稱參數(shù)條件下，各次諧波傳變相對于基本

變比-頻率響應(yīng)曲線和相移-頻率響應(yīng)曲線的校正系數(shù)，通過

曲線擬合的方法獲得各次諧波在不同參數(shù)組合條件下的頻

率響應(yīng)校正系數(shù)曲面圖。

進(jìn)一步地，步驟S3中考慮電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)參數(shù)因制

造時(shí)參數(shù)的差異性，得到實(shí)際待校正電容式電壓互感器在常

溫下各次諧波電壓的傳遞特性校正系數(shù)的過程是：

1)、根據(jù)電容式電壓互感器的銘牌參數(shù)額定電容C1和實(shí)測

分壓比k,由計(jì)算公式：和C2=kCN,計(jì)算出電容式電壓互

感器的高壓電容C1和中壓電容C2;

2)、在給定參數(shù)條件下，利用二維線性插值的方法計(jì)算獲得

各次諧波電壓的傳變變比值kh和相位偏移值的值假設(shè)C1、

C2的實(shí)際值落在由(CM1),C2⑴,khl)、(Cl(2),C2(l),kh2)、

(C1(1),C2⑵,kh3)、(Cl⑵,C2⑵,kh4)構(gòu)成的計(jì)算空間,其

中，第h次諧波在取值范圍四個(gè)頂點(diǎn)的電壓的傳變變比值用

khi表示，第h次諧波在取值范圍四個(gè)頂點(diǎn)的相位偏移用表

示，則kh、的計(jì)算公式為：

其中，

3)、由電容式電壓互感器二次側(cè)輸出的采樣值，利用快速傅

里葉變換及其校正插值算法計(jì)算獲得一次側(cè)經(jīng)電容式電壓

互感器(CVT)傳變后的二次側(cè)輸出的各次諧波的幅值U