220 kV電子式電壓互感器帶電校驗系統(tǒng)研究*

李偉，樊博，陳勉舟，梅華，張灝，張浩淼

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川750000；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

智能變電站“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”的發(fā)展趨勢促進(jìn)了電子式互感器廣泛應(yīng)用［1］，電壓、電流和電能測量設(shè)備的精度和檢測水平越來越受到業(yè)界的關(guān)注。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電子式互感器必須按規(guī)程進(jìn)行入網(wǎng)檢測及定期檢測，通過檢測才能在智能變電站中使用［2-5］。與傳統(tǒng)的互感器離線檢測相比，互感器帶電檢測可以在不停電的情況下，完成對互感器的檢測［6-7］，及時了解互感器運(yùn)行狀況。目前，電子式互感器在線校驗已成為互感器檢測技術(shù)的研究熱點。

國內(nèi)外許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開展了很多關(guān)于電子式互感器帶電檢測技術(shù)的研究工作。但大部分研究都是集中在帶電檢測的總體方案、電測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、誤差計算和數(shù)據(jù)處理［8-11］。對互感器帶電接入方法及安全性分析和現(xiàn)場復(fù)雜工況的電參量提取算法研究較少。

本文對220 kV電子式互感器帶電校驗系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計出一種電容標(biāo)準(zhǔn)器全絕緣舉升接入裝置，為適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的頻率波動、噪聲等，采用自適應(yīng)全相位DFT電參量提取算法。試驗表明，在線校驗系統(tǒng)比差小于0.05%，角差小于2′，滿足了0.2級電子式電壓互感器校驗要求，可以適應(yīng)現(xiàn)場的復(fù)雜的工況。目前，該系統(tǒng)已進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1 校驗系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 校驗系統(tǒng)

帶電校驗系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)通道、被校通道及基于PC機(jī)的校驗系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)通道包括標(biāo)準(zhǔn)電容器、積分電路、采集單元和主控制模塊等。一次側(cè)高壓信號經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器產(chǎn)生電流信號，經(jīng)過積分產(chǎn)生正比于一次側(cè)電壓信號的小信號，采集單元將小信號采集后組幀發(fā)包，通過光纖發(fā)送給基于PC機(jī)的校驗系統(tǒng)得到標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)據(jù)。PC機(jī)通過接收現(xiàn)場合并單元數(shù)據(jù)，得到被校互感器的采集信號，二者通過現(xiàn)場同步脈沖實現(xiàn)同步。

圖1 電子式電壓互感器帶電校驗原理圖Fig.1 On-site calibration principle diagram of EVT

1.2 標(biāo)準(zhǔn)通道設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器由對流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器電流積分實現(xiàn)，在現(xiàn)場試驗中，電流信號抗干擾能力強(qiáng)，且不受線路壓降影響，適合用在現(xiàn)場具有較強(qiáng)電磁干擾的情況下，可以提高測試系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

其傳遞函數(shù)為：

忽略濾波電路的誤差，系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為：

圖2 信號采集調(diào)理電路原理Fig.2 Principle of signal acquisition and adjustment circuit

1.3 基于LabVIEW的上位機(jī)軟件設(shè)計

基于PC的校驗系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計了校驗系統(tǒng)軟件，完成采樣控制，標(biāo)準(zhǔn)與被校通道采樣值接收、互感器比差和角差數(shù)據(jù)的計算，數(shù)據(jù)保存及報表輸出等功能，通過自適應(yīng)全相位DFT算法提取電參量，計算誤差。軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

1.4 全相位數(shù)據(jù)處理算法

全相位是指該方法數(shù)據(jù)處理過程中將一系列連續(xù)采樣點分為多個分段，在后續(xù)頻譜分析中綜合考慮到各個分段，數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行DFT運(yùn)算得到的相位值為運(yùn)算的中心點的初始相位，相位初值不隨頻率的波動而出現(xiàn)變化，從而保證信號及相位提取的準(zhǔn)確性［12-14］。

自適應(yīng)全相位數(shù)據(jù)處理是抑制DFT運(yùn)算后頻譜泄漏的關(guān)鍵，為保證參與DFT運(yùn)算為整周期采樣點數(shù)，必須準(zhǔn)確的知道電網(wǎng)頻率，自適應(yīng)的調(diào)整參與DFT運(yùn)算的點數(shù)，本文采用拉格郎日三次插值算法提取電網(wǎng)頻率的方法。

1.4.1 自適應(yīng)全相位數(shù)據(jù)處理

利用提取得到的電網(wǎng)頻率f計算出參與數(shù)據(jù)處理的采樣點數(shù)（2N-1），參與數(shù)據(jù)處理的點數(shù)（2N-1）隨著電網(wǎng)頻率的波動而變動，計算公式如下：

自適應(yīng)全相位數(shù)據(jù)處理方法主要是為了改善后續(xù)DFT運(yùn)算過程中因截斷造成的頻譜泄漏問題，同時，也能在DFT運(yùn)算過程中抑制噪聲。

以N=3為例，對數(shù)據(jù)處理的流程進(jìn)行分析，處理流程如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)全相位數(shù)據(jù)處理流程圖（N=3）Fig.4 The adaptive all phase data processing flow chart（N=3）

圖4中的數(shù)據(jù)處理過程步驟如下：

（1）對（2N-1）個采樣點進(jìn)行分段，每段選取 N個連續(xù)的離散點；

（2）將分段的離散點進(jìn)行周期延拓，并對各分段離散點進(jìn)行豎直方向求和，得到新的周期序列；

（3）用矩形窗RN對新的周期序列進(jìn)行截斷，產(chǎn)生自適應(yīng)全相位輸入序列。

1.4.2 全相位算法仿真計算

針對上文提出的數(shù)字電能計量算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行仿真分析，在理想的基波及諧波條件下，一般的插值算法的算法誤差幾乎為零，本文在基波及諧波條件下，考慮到數(shù)據(jù)采集量化誤差，仿真在49.8 Hz，50 Hz，50.2 Hz條件下加入白噪聲，分別比對，四項三階Nuttall窗，hanning窗和全相位算法在信噪比20 dB，30 dB，40 dB的影響下，三種算法計算的相位誤差和相位初值之間的關(guān)系，計算其相位均值和標(biāo)準(zhǔn)差，仿真結(jié)果見表1～表3。

表1 50 Hz算法的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1 Algorithm mean and standard deviation of 50 Hz

表2 50.2 Hz算法的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Algorithm mean and standard deviation of 50.2 Hz

表3 49.8 Hz算法的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 Algorithm mean and standard deviation of 49.8 Hz

由表1～表3可以看出加窗后，hanning窗和nuttall窗算法雖然可以較精確地算出信號的初相位，但是當(dāng)加入白噪聲較大時，兩種加窗算法受噪聲影響較大，當(dāng)加入白噪聲為30 dB和40 dB兩種算法的角差范圍3σ仍然可以控制在2′以內(nèi)，但當(dāng)加入白噪聲達(dá)到20 dB時，hanning窗和nuttall窗算法誤差將超差，但全相位算法角差范圍3σ仍然在2′以內(nèi)，而當(dāng)頻率變化時，全相位算法受頻率影響更小，相位計算的精度更高，由此可見全相位算法相比較nuttall窗和hanning窗FFT具有更好的相位不變性、噪聲抑制特性和抑制頻譜泄漏特性，可以適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的測試環(huán)境。

2 帶電校驗接入方案設(shè)計

2.1 帶電校驗接入方案

文中設(shè)計的一種全絕緣自動升降裝置，用于標(biāo)準(zhǔn)通道的帶電接入，可以實現(xiàn)電子式電壓互感器帶電校驗系統(tǒng)安全、可靠、便捷接入與退出，電容標(biāo)準(zhǔn)器全絕緣舉升接入裝置如圖5所示。

圖5 電容標(biāo)準(zhǔn)器全絕緣舉升接入裝置Fig.5 Full insulation lifting access device for standard capacitor

帶電接入裝置具有以下特點：

（1）升降裝置除下部底座外，其余全部為絕緣材料，有利于標(biāo)準(zhǔn)通道帶電校驗接入與退出過程的安全，裝置能夠負(fù)重舉升，將標(biāo)準(zhǔn)電容器舉升至母線高度并接觸母線，這樣可不將高電位引向地電位，使校驗過程更為安全；

（2）裝置升降采用電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)置于平臺底部，采用滑輪組及絕緣繩傳動，便于電機(jī)供電及控制的實現(xiàn)，采用無線遙控的方式實現(xiàn)升降，可以保證操作的安全；

（3）裝置底部有滾輪且具有載運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)電容器的能力，舉升部分可以水平放置，以降低移動時的高度，使設(shè)備移動時滿足各安全距離，設(shè)備整體移動，沒有繁瑣的組裝過程；

（4）電容器的頂部設(shè)計了一個包含阻尼電阻和均壓環(huán)的帶電接入結(jié)構(gòu)，抑制過電壓、過電流，并使頂端的電場分布均勻，防止尖端放電。

本文采用對流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器電流積分的方案獲得被測線路的電壓值，據(jù)廠家出廠檢驗報告，標(biāo)準(zhǔn)電容器相關(guān)參數(shù)為：額定電壓：220 kV，額定容量：20 pF，準(zhǔn)確度：0.02，年穩(wěn)定度：±0.02/年，電壓系數(shù)：1.2×10-5，溫度系數(shù)：30 ppm/℃，符合相關(guān)規(guī)程及校驗系統(tǒng)準(zhǔn)確度的要求。

2.2 安全性仿真分析

采用EMTP-ATP軟件對帶電校驗系統(tǒng)接入的安全性建模。以220 kV三相電源、300 km的架空線及100 MVA變壓器系統(tǒng)，電容器為20 pF，假定燃弧和熄弧過程在2 s內(nèi)完成，分別以無阻尼電阻和1 MΩ阻尼電阻作為裝置接入電力系統(tǒng)的模型，帶電校驗裝置接入電力系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 帶電校驗裝置接入電力系統(tǒng)模型Fig.6 Model of on-site calibration device accessing the power system

2.2.1 對帶電校驗系統(tǒng)的安全性分析

接入過程中，若無阻尼電阻，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器電流如圖7所示，電容器兩端電壓如圖8所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)電容器電流Fig.7 Current of the standard capacitor

圖8 標(biāo)準(zhǔn)電容器兩端電壓（無阻尼）Fig.8 Voltage of the standard capacitor（undanped）

接入1 MΩ阻尼電阻時，阻尼電阻兩端電壓如圖9所示，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器電流如圖10所示。

圖9 阻尼電阻兩端電壓Fig.9 Current of the damping resistance

圖10 標(biāo)準(zhǔn)電容器電流（1 MΩ）Fig.10 Voltage of the standard capacitor（1 MΩ）

在不使用阻尼電阻的情況下，流經(jīng)電容器電流將達(dá)到安培級別，有可能造成標(biāo)準(zhǔn)電容器損壞。電容器兩端電壓峰值可達(dá)到500 kV，存在短暫的過電壓。接入阻尼電阻后，暫態(tài)下電容器兩端電壓波形如圖11所示，從圖中可以看出，在燃弧過程中存在波形畸變，完成接入后波形回復(fù)正常，未出現(xiàn)明顯過電壓問題。

圖11 暫態(tài)下電容器兩端電壓波形Fig.11 Transient voltage waveform of the standard capacitor

阻尼電阻的存在抑制了通過標(biāo)準(zhǔn)電容器電流，降低接入過程的損害，從而對標(biāo)準(zhǔn)電容器起到很重要的保護(hù)作用。

2.2.2 對帶電校驗系統(tǒng)的安全性分析

接入過程中，線路A相電壓如圖12所示，由圖可知，在接入過程中，系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯過電壓過程，不會對系統(tǒng)安全造成影響。

圖12 220 kV輸電線路A相電壓Fig.12 A phase voltage of 220 kV transmission line

3 試驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的安全性與準(zhǔn)確性，在220 kV高壓實驗室進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖13所示，一次電壓從20%額定電壓升高至120%額定電壓，電壓互感器的比差變化范圍為-0.01%～0.04%，角差的變化范圍為 -1.2′～0.4′分之內(nèi)。

為了驗證該電子式電壓互感器帶電校驗系統(tǒng)現(xiàn)場測試的可靠性，需要研究接線位置和升降裝置上升過程對標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的準(zhǔn)確度有無影響。

通過改變一次導(dǎo)線的接入位置，分別測試該校驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，結(jié)果如圖14所示。

圖13 電壓互感器測試結(jié)果Fig.13 Test results of voltage transformer

圖14 改變一次接線位置測試結(jié)果Fig.14 Test result of changing the primary connection position

通過在上升過程的不同位置，分別測試該校驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，結(jié)果如圖15所示。

圖15 升高升降裝置后測試結(jié)果Fig.15 Test results after lifting the lifting device

由測試結(jié)果可知，改變接線位置和升降裝置其比差均小于0.05%，角差均小于2′，對于標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的準(zhǔn)確度沒有影響，設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器可以作為現(xiàn)場校驗系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)互感器，用于變電站0.2級的電子式電壓互感器現(xiàn)場校驗。

本文220 kV電子式電壓互感器帶電校驗裝置如圖16所示。

圖16 電子式電壓互感器帶電校驗裝置Fig.16 On-site calibration device of EVT

4 結(jié)束語

針對目前電子式電壓互感器帶電校驗研究現(xiàn)狀，提出了一種采用電容標(biāo)準(zhǔn)器全絕緣舉升接入方式的220 kV電子式電壓互感器帶電校驗方法，有效降低了校驗過程中帶電接入的安全風(fēng)險。

針對要適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜負(fù)荷條件下的頻率波動、噪聲等問題，提出一種自適應(yīng)全相位DFT電參量提取新算法，取得了良好的效果，試驗表明，系統(tǒng)準(zhǔn)確度滿足0.2級電子式互感器帶電校驗要求。

互感器帶電校驗方式可以降低運(yùn)維成本、及時發(fā)現(xiàn)互感器的故障，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的研究內(nèi)容為電子式電壓互感器帶電校驗技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。