CN103091563B - 一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法，所述方法首先将电压、电流信号在时域内去除直流分量；然后根据能量矩原理精确测出电信号基波频率；再用三弯矩法对原信号进行插值计算，并进行整周期重采样；最后截取整周期样本长度进行快速傅里叶计算得到基波电压和基波电流的相位夹角，并求出其余角的正切即得到介质损耗因素。本发明的优点：本发明不仅能够实现对高压电气设备介质损耗因数的精确计算，而且还能准确得出电压、电流信号各次谐波之间的相位夹角，并且还能通过精确测量电信号的基波频率来检测电能质量。

Description

一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法

技术领域

本发明属数据处理技术领域。具体是一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法。

背景技术

介质损耗因数（tanδ）是表征高压电气设备绝缘状况的一项重要指标。其中δ指介质损耗角即在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角的余角，简称介损角。

目前，测量介损角可分为硬件法和软件法。硬件法主要有过零比较法、电桥平衡法等，此类方法存在硬件处理环节多、抗干扰能力差、累积误差大等缺点难以满足介损测量的精度；谐波分析法是目前主要的软件分析方法，其原理基于傅里叶变换，利用三角函数的正交性使求解基波分量不受谐波和直流的影响，故可以达到较高稳定性和测量精度。基于正弦信号本身的特点和数字频谱分析理论可知，只有信号在满足整周期采样和整周期截断计算才能准确的实现信号的频谱分析，否则会出现频谱泄漏和栅栏效应，使计算结果出现较大误差，尤其是相位误差更大。实际中电网频率时常波动，采样装置的采样频率很难准确的保持在电网频率的整数倍，这也使得无法得到整周期截断的样本。加窗插值的傅里叶算法能减轻频谱泄漏和栅栏效应，在一定条件下精确度高。但非同步采样下，余弦组合窗抑制频谱泄漏的能力有限，介损角真实值极易被频谱泄漏和栅栏效应掩盖，窗的主瓣宽度和旁瓣高度的矛盾也制约着计算的精确性。

发明内容

发明的目的在本于克服现有高压电气设备介质损耗因素精确计算的不足，提供一种高压电气设备介质损耗因数计算方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法是：先将电压、电流信号在时域内去除直流，再根据能量矩原理精确测出电信号基波频率，然后用三弯矩法对原信号进行插值计算并进行整周期重采样，最后根据快速傅里叶算法求出基波电压、电流的相位角，从而得到介质损耗因数，计算方法步骤如下：

1）将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量；

2）将去除直流量后的电压、电流信号做功率谱分析，并根据能量矩原理精确测出信号基波频率；

①将电压、电流信号加Blackman-Harris窗后进行功率谱分析，得到多根离散的功率谱谱线；

②假设信号的第i（0<i<∞）根功率谱谱线对原点形成一个转矩，暂称能量矩，在反方向上也存在一个能量矩，使之与原信号转矩相等，从而推倒出信号的基波频率；

3）采用三弯矩法对原始电压、电流信号进行插值计算；

4）对插值后的电压、电流信号进行整周期重采样

f_S＝K*f₀

其中：f_S是重采样频率；

K=100；

f₀为信号基波频率；

5）上述步骤4）完成后，截取整周期长度的样本，根据快速傅里叶算法 求得基波电压与电流的相位夹角；

6）进一步算出基波电压和基波电流相位夹角的余角，然后求出余角的正切即得到介质损耗因数。

本发明的优点：本发明不仅能够实现对高压电气设备介质损耗因数的精确计算，而且还能准确得出电压、电流信号各次谐波之间的相位夹角，并且还能通过精确测量电信号的基波频率来检测电能质量。

附图说明

图1是有谐波时能量矩平衡示意图。

图中各标记说明：其中：0<i<N+1；x_i是第i根谱线的横坐标；p_i是第i根谱线的幅值；M是最大幅值谱线处横坐标；

认为基波的功率全部分散在第1到第2M根功率谱谱线上，其总的能量矩为在反方向上也存在一个能量矩p₀x₀使之与基波能量矩平衡；

具体实施方式

下面结合本发明方法具体实施对本发明作进一步说明。

本发明是以下述技术方案实现的：

一种精确计算高压电气设备介质损耗因数的计算方法，所述方法以三相电压信号作为相位基准信号，三相电流信号与基准信号相位夹角即为所求。首先将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量；其次将信号在频域内做功率谱分析，并根据能量矩原理精确测出信号基波频率；然后用三弯矩法对原始电压、电流信号进行插值计算，并进行整周期重采样；最后根据快速傅里叶算法求得各次谐波电压与电流的相位夹角，从而得出介质损耗因素。

上述高压电气设备介质损耗因数的计算方法，具体采用以下步骤实现：

a.将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量；

b.将去除直流量后的电压、电流信号在频域内做功率谱分析，并根据能量矩原理精确测出信号基波频率；

①将电压、电流信号加Blackman-Harris窗后进行功率谱分析，得到多根离散的功率谱谱线。

②假设信号的第i（0<i<∞）根功率谱谱线对原点形成一个转矩（暂称能量矩），在反方向上也存在一个能量矩，使之与原信号转矩相等，从而推倒出信号的基波频率。

如图1所示是有谐波时能量矩平衡示意图。

图中各标记说明：其中：0<i<N+1；x_i是第i根谱线的横坐标；p_i是第i根谱线的幅值；M是最大幅值谱线处横坐标；

认为基波的功率全部分散在第1到第2M根功率谱谱线上，其总的能量矩为在反方向上也存在一个能量矩p₀x₀使之与基波能量矩平衡；

根据能量守恒定律有：..........①;

根据能量矩平衡原理有..........②;

由①、②式得到 $x_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{2M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{2M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i};$ 从而得到基波频率 $f=x_0*\frac{F_s}{N}=\frac{\underset{i=1}{\overset{2M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{2M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}*\frac{F_s}{N};$

其中f为所测电信号基波频率；F_s为信号采样频率；N为样本数。 

c．采用三弯矩法对原始电压、电流信号进行插值计算;

在区间[x_i,x_i+1],下列等式定义了输出插值y;

y＝Ay_i+By_i+1+Cy″_i+Dy″_i+1;

其中： $A=\frac{x_{i+1}-x}{x_{i+1}-x_i};$

B=1-A;

$C=\frac{1}{6}(A^3-A){(x_{i+1}-x_i)}^2;$

$D=\frac{1}{6}(B^3-B){(x_{i+1}-x_i)}^2;$

d.上述c步骤完成后,对电压、电流信号进行整周期重采样（f_S=K*f₀,其中f_s是重采样频率;K=100;f₀为信号基波频率）；

e．上述d步骤完成后，截取整周期长度的样本，根据快速傅里叶算法求得基波电压与电流的相位夹角。

f.进一步算出基波电压和基波电流相位夹角的余角，然后求出余角的正切即得到介质损耗因数。

本发明不仅能够实现对高压电气设备介质损耗因数的精确计算，而且还能准确得出电压、电流信号各次谐波之间的相位夹角，并且还能通过精确测量电信号的基波频率来检测电能质量。

Claims (1)

1.一种高压电气设备介质损耗因数的计算方法，其特征是：先将电压、电流信号在时域内去除直流，再根据能量矩原理精确测出电信号基波频率，然后用三弯矩法对原信号进行插值计算并进行整周期重采样，最后根据快速傅里叶算法求出基波电压、电流的相位角，从而得到介质损耗因数，计算方法步骤如下：

1)将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量；

2)将去除直流量后的电压、电流信号做功率谱分析，并根据能量矩原理精确测出信号基波频率；

①将电压、电流信号加Blackman-Harris窗后进行功率谱分析，得到多根离散的功率谱谱线；

②假设信号的第i根功率谱谱线对原点形成一个转矩，0＜i＜∞，暂称能量矩，在反方向上也存在一个能量矩，使之与原信号转矩相等，从而推导出信号的基波频率；

3)采用三弯矩法对原始电压、电流信号进行插值计算；

4)对插值后的电压、电流信号进行整周期重采样

f_S＝K*f₀

其中：f_S是重采样频率；

K＝100；

f₀为信号基波频率；

5)上述步骤4)完成后，截取整周期长度的样本，根据快速傅里叶算法求得基波电压与电流的相位夹角；

6)进一步算出基波电压和基波电流相位夹角的余角，然后求出余角的正切即得到介质损耗因数。