高壓核相研究綜述

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司 劉學(xué)強(qiáng)

濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 儲(chǔ)銀賀 楊海濤

臨沂大學(xué) 劉懷強(qiáng) 何麗萍

高壓核相研究綜述

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司 劉學(xué)強(qiáng)

濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 儲(chǔ)銀賀 楊海濤

臨沂大學(xué) 劉懷強(qiáng) 何麗萍

分析了現(xiàn)有高壓核相方式，對(duì)直接核相與間接核相的操作方式以及優(yōu)劣進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)包括過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法、波形變換法、離散傅里葉算法和相關(guān)分析法在內(nèi)的四種常用高壓核相算法進(jìn)行了研究，描述了各種算法的不同、優(yōu)點(diǎn)和不足。最后對(duì)未來(lái)高壓核相儀的研究方向提出了一些建議。

高壓核相；核相方式；核相算法

0 引言

隨著人們對(duì)電力需求日益增長(zhǎng)，對(duì)電能質(zhì)量也有了很高的要求，為了避免事故的發(fā)生，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能，在各網(wǎng)并網(wǎng)之前一定要進(jìn)行相序測(cè)試，保證相位相序相同之后才能并網(wǎng)，這對(duì)保障系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要[1]。未經(jīng)核相或核相錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的惡性事故發(fā)生，造成設(shè)備損壞，甚至電力系統(tǒng)的崩潰[2]。而高壓核相作為電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常需要進(jìn)行。因此提高核相的效率、減少人力資源的浪費(fèi)、提高工作的安全性具有非常重要的意義。

本文旨在對(duì)近年來(lái)高壓核相儀的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)行綜述，從核相方式和核相算法兩個(gè)角度分別闡述、評(píng)價(jià)了現(xiàn)有高壓核相儀的優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)未來(lái)高壓核相儀可能的研究方向進(jìn)行了展望。

1 電力系統(tǒng)核相方法

多年來(lái)，電力系統(tǒng)廣泛采用2種傳統(tǒng)相位核定方法：直接核定法和間接核定法[3]。

直接核定法一般適用于110kV及以下電壓等級(jí)[1]，采用有線方式進(jìn)行核相工作，工作時(shí)直接將核相裝置放在待測(cè)端和參考端的高壓電力線路上。進(jìn)行核相操作時(shí)裝置直接與高壓電力線路接觸，對(duì)工作人員的人身安全有很大的威脅，另外直接核相工作時(shí)需要的操作人員相對(duì)較多，如果核相時(shí)操作人員配合不當(dāng)，就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)[4]。

間接核定法是通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量設(shè)備或母線電壓互感器輸出電壓完成。二次核相工作一般需要三個(gè)工作人員完成，一人監(jiān)護(hù)，一人持萬(wàn)用表記錄，一人操作將萬(wàn)用表測(cè)量針接觸對(duì)應(yīng)線端子排上。使用二次核相方法進(jìn)行核相操作時(shí)，需要該操作員熟悉電壓二次接線及回路[5]。若電壓互感器一次或二次回路接線錯(cuò)誤，進(jìn)行核相這項(xiàng)工作將會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。另外二次核相需要在帶電運(yùn)行的設(shè)備的端子排上進(jìn)行，增加了誤碰誤跳運(yùn)行設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，核相成為變電站安全運(yùn)行的隱患[6]。

2 高壓核相算法

2.1 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法是一種比較直觀的相角測(cè)量方法，可以測(cè)量電力線路電壓的頻率和相位[7]。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的原理：通過(guò)檢測(cè)相同頻率交流電電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，將兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差值換算為相位差值，就可以得到兩個(gè)交流信號(hào)的相位差。

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法的原理圖如圖1所示。

圖1 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法原理圖

設(shè)參考端電壓信號(hào)為：

待測(cè)端電壓信號(hào)為：

參考端過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻為t1，待測(cè)端過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻為t2，T為正弦信號(hào)的周期，兩個(gè)正弦信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間差值為，相位差值為：

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法不僅可以計(jì)算出兩正弦信號(hào)的相位差值，也可以計(jì)算出相序的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算相位差值為120°或240°，可以判斷出相位超前或滯后，檢測(cè)出相序的關(guān)系。

2.2 波形變換法

波形變換法的原理是首先將兩個(gè)正弦電壓信號(hào)通過(guò)波形變換成為矩形波，然后進(jìn)行異或處理，得到的脈沖寬度就對(duì)應(yīng)相位差值[8]。波形變換法相位檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 波形變換法原理圖

電網(wǎng)中的諧波可以直接通過(guò)濾波電路濾除，不需要編寫復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的測(cè)量的速度。根據(jù)脈沖延遲時(shí)間可以求出相差時(shí)間，T為正弦信號(hào)的周期，根據(jù)，可以求出相位差值。

2.3 離散傅里葉算法

經(jīng)過(guò)互感器得到的電壓信號(hào)是一個(gè)正弦信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換采取離序列為u(k)，假設(shè)對(duì)正弦信號(hào)的采樣次數(shù)為N，則k的取值為。采樣信號(hào)的時(shí)域表示為u(t)，按照離散傅立葉變換求出的基波分量頻譜為[9]：

參考端信號(hào)[{{u}_{1}}left( t ight)]和待測(cè)端信號(hào)u2(t)同時(shí)進(jìn)行采樣，設(shè)u1(t)和u2(t)經(jīng)過(guò)離散傅立葉變換的基波分量分別為：

式中a1是參考端電壓基頻分量在復(fù)平面上的實(shí)部，b1參考端電壓基頻分量在復(fù)平面上的虛部，a2、b2分別是待測(cè)端電壓基頻分量在復(fù)平面上的實(shí)部和虛部。

將U1(1)和U2(1)兩式相比可以得出：

可以求出參考端信號(hào)u1(t)和待測(cè)端信號(hào)u2(t)之間的相位差φ為：

基于離散傅立葉算法相位差測(cè)量，原理簡(jiǎn)單，能夠消除影響結(jié)果的直流分量和高次諧波，但是每個(gè)周期需要采集樣本的數(shù)量較多時(shí)計(jì)算量大，離散傅立葉算法部分軟件復(fù)雜，計(jì)算量大，并且對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊性能要求較高，采樣必須在同一個(gè)周期內(nèi)，容易出現(xiàn)混疊現(xiàn)象、柵欄和截?cái)嘈?yīng)。由于其計(jì)算量較大，因此實(shí)時(shí)性不如過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法。

2.4 相關(guān)分析法

兩個(gè)頻率相同的正弦信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻值與兩個(gè)正弦信號(hào)相位差的余弦成正比[10]，相關(guān)分析法根據(jù)這一原理，求得兩正弦信號(hào)的相位差。

設(shè)參考端信號(hào)為u1，待測(cè)端信號(hào)為u2，表達(dá)式如下：

A、B分別為u1、u2的幅值，對(duì)u1、u2進(jìn)行如下運(yùn)算：

兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差值φ的計(jì)算公式如下：

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，采集的信號(hào)是離散點(diǎn)序列，相應(yīng)離散計(jì)算公式為：

上式中K為采樣點(diǎn)數(shù)，式(10)-式（15）中幅值A(chǔ)、B的值如下：

通過(guò)信號(hào)u1(t)、u2(t)的自相關(guān)互相關(guān)函數(shù)的計(jì)算，可以得出兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差。

相關(guān)分析法根據(jù)有效信號(hào)與噪聲信號(hào)相關(guān)性小的特點(diǎn)，可以有效的抑制噪聲的干擾，在理論上是相位檢測(cè)求取相位差的最佳選擇。

3 分析與討論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)高壓核相方式的分析得出，直接核相精度高但安全隱患大，間接核相雖相對(duì)安全但可靠性較低。隨著電力的需求的增多，電網(wǎng)容量不斷增加，為使電力系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行，研究更加安全實(shí)用的高壓核相設(shè)備就有著非凡的意義。從通信方式來(lái)看具有遠(yuǎn)程無(wú)線功能的設(shè)備可以省去接線的困擾，更加方便快捷；從檢測(cè)方式來(lái)看可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)的設(shè)備也比以往的直接接觸設(shè)備要更加安全實(shí)用。

分析四種核相算法得出結(jié)論：過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，響應(yīng)速度快，但由于電壓過(guò)零點(diǎn)容易受到諧波的影響，容易給測(cè)量帶來(lái)誤差，另外采用器件的精度不同對(duì)結(jié)果影響也不同；波形變換法軟件部分簡(jiǎn)單，但對(duì)硬件要求高；基于離散傅立葉算法的相位差測(cè)量以及相關(guān)分析法測(cè)量，這兩種方法的精度取決于信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)，根據(jù)公式可以看出，隨著采樣點(diǎn)數(shù)增加算法復(fù)雜程度會(huì)隨之增加，另外這兩種檢測(cè)方法對(duì)電壓信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換都提出了很高的要求。四種經(jīng)典方法各有利弊，在以前由于硬件原因多選用前兩種核相算法，但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，處理器的處理能力有著質(zhì)的飛躍，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度也越來(lái)越高，后兩種更加精確的檢測(cè)算法所受的制約也在慢慢減弱，運(yùn)用后兩種算法的更加精準(zhǔn)的高壓核相設(shè)備值得去研究。

4 結(jié)論

本文從高壓核相設(shè)備的核相方式以及核相算法兩個(gè)技術(shù)方面對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出了對(duì)未來(lái)核相設(shè)備發(fā)展方向的一些展望以供參考。

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注：本文由國(guó)網(wǎng)山東省電力公司科技項(xiàng)目資助。