CN106771648A - 一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，在传统分频法测量的基础上采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，即改进后的测量方法综合了扫频法和分频法的特点，它从母线电压互感器二次侧开口三角端注入幅值相同、频率不同的恒流信号，同时测量开口三角端的零序电压，根据系统反映到电压互感器二次侧的信息，通过计算得到对地电容电流。本发明提供的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法能够准确测量出较小的对地电容具有操作简单、测量精度高及测量范围较大的优点，可以使电网电容电流的测量更加准确、便捷。

Description

一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法

技术领域

本发明属于电力系统测量领域，尤其是一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法。

背景技术

近年来，随着配电网的不断发展，电网中电缆线路所占的比例越来越高，配电网的对地电容电流大大增加。为了使电网单相接地故障时所产生的接地电弧自行熄灭，目前配电网多采用中性点经消弧线圈接地方式。在发生单相接地故障时，消弧线圈与配电网对地电容构成并联谐振回路，使电感电流与电网对地电容电流互相抵消。从而减小故障点电流，保证接地电弧可靠自熄，以提高电网运行的可靠性并保证供电的连续性。同时随着电缆线路比例的升高，电网不对称度进一步下降，致使以往测量电容电流的方法测量精度降低，甚至无法测量。

现在确保直接面向用户的配电系统不发生供电中断显得越来越重要。保证向用户稳定的供电，一个重要方面就是准确的测量配电网的对地电容电流，从而根据电容电流的大小装设容量适当的消弧线圈，避免因电弧重燃引起的过电压。在我国用电量比较大的地区经常出现因新装接地变压器和消弧线圈补偿容量太小而实际运行中电容电流过大需要逐一更换的现象。因此准确测量配电网对地电容电流是决定是否装设消弧线圈和选择消弧线圈容量的依据。准确及时的测量配电网对地电容电流，对调整消弧线圈的档位掌握其容量裕度，有效实施补偿都具有重大意义。

此外，配电网的对地电容(对应电容电流的大小)和电压互感器(PT)的参数配合会产生PT铁磁谐振过电压。为了验证该配电系统是否会发生PT谐振以及发生什么性质的谐振，必须准确地测量配电网的对地电容值。通过测量配电网对地电容值后才会知道该配电系统是否在PT的谐振区域，从而采取相应的措施抑制PT谐振过电压的产生。

电容电流测量方法分为两种，即直接法和间接法。所谓直接法即将三相线路中的任意一相接地，测量其电容电流，这种方法虽然测量精确，但危险系数极高，容易造成相间短路，一般不推荐。间接法又分为人工中性点法、偏置电容法和信号注入法。其中人工中性点法和偏置电容法仍然与一次侧打交道，安全不能得到保证，一般不推荐。信号注入法是指从PT的二次侧注入频率不同的恒流信号，通过测量电压和电流的幅值和相位关系，得出线路的对地电容值。

在信号注入中，应用最为广泛的是三频法和分频法。所谓三频法，即从电压互感器开口三角侧注入三个频率不同的电流信号，测量开口三角侧电压幅值，利用标量计算得到三个方程，求解电网电容值。该方法计算复杂，受互感器漏阻抗影响较大，具有一定的局限性。所谓分频法，即向配电网母线电压互感器开口二次侧注入两个不同频率的恒流信号，测量三角开口侧电压幅值与相位，利用相量方法列写方程组得到系统对地电容值。但是该方法测量范围小，频率选取困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在电网带负载运行的情况下，对电网电容电流进行准确测量的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，在传统分频法测量的基础上采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，即改进后的测量方法综合了扫频法和分频法的特点，它从母线电压互感器二次侧开口三角端注入幅值相同、频率不同的恒流信号，同时测量开口三角端的零序电压，根据系统反映到电压互感器二次侧的信息，通过计算得到对地电容电流。

而且，所述对地电容电流的计算方法是：

当HC-1型电容电流测试仪从母线PT二次侧开口三角端注入恒流信号时，由开口三角端注入的电流有：

信号注入后，三个电流大小相等、相位相同的电流为零序电流通过线路对地电容形成回路，则有如下关系式：

在电压互感器开口三角端测量，使注入信号逐渐增大，当系统达到谐振时，U₀达到最小值并记下ω₁,U₀₁,I₀₁，则有：

再次改变信号频率至最大值，记下此时ω₂,U₀₂,I₀₂,则有：

利用上述三个方程即可得出电容C：

而且，在所述的配电网电容电流测量信号测量端加入自适应数字滤波器。

而且，所述恒流信号在使用数字频率合成DDS芯片AD9850和微处理器实现恒流信号的注入。利用其带宽较宽、信号分辨率高、相位连续等优点，提高注入信号的频谱纯度，从而提高电容电流测量精度和减小注入信号源对电力系统的影响。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提供的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，当配电网对地电容较大时，电网电容电流较低，采用高低频率搭配的信号注入模式能够准确测量出对地电容。当配电网对地电容较小时，电网电容电流较高，相当于注入两个高频信号，从而能够准确测量出较小的对地电容具有操作简单、测量精度高及测量范围较大的优点，可以使电网电容电流的测量更加准确、便捷。

本发明提供的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法在信号测量端加入自适应数字滤波器，即在电网实际运行过程中，中性点存在三相不平衡电压，感应到PT二次侧会有0～2V的三相不平衡电压，有时甚至会超过5V，此时工频为50Hz的不平衡电压就会对测量信号产生极大的干扰，即被采集的电压信号和电流信号中包含高于要求被测信号的几倍的50Hz噪声。

本发明提供的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法采用数字频率合成专用芯片和微处理器实现恒流源，利用其带宽较宽、信号分辨率高、相位连续等优点，提高注入信号的频谱纯度，从而提高电容电流测量精度和减小注入信号源对电力系统的影响。

附图说明

图1是配电网母线开口PT三角注入法测量原理图；

图2是电容电流测量等效电路图；

图3是自适应滤波器原理图；

图4是数字频率直接合成基本结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，其原理是在传统分频法测量的基础上采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，如图1所示，当HC-1型电容电流测试仪从母线PT二次侧开口三角端注入恒流信号时，CA、CB、CC为三相线路对地电容，LA、LB、LC为PT三相高压绕组，La、Lb、Lc为PT三相低压绕组，配电网三相对地电容CA、CB、CC基本相等，三相电压互感器特性基本相同，其中三相电压互感器励磁阻抗为MΩ级，而容抗、绕组电阻、漏抗约为kΩ级，则由开口三角端注入的电流有：

信号注入后，三个电流大小相等、相位相同的电流为零序电流，不能在电源和负载之间流通，而是通过线路对地电容形成回路。测量电路的等效原理图如图2所示。

则有如下关系式：

在电压互感器开口三角端测量。使注入信号逐渐增大，当系统达到谐振时，U₀达到最小值并记下ω₁,U₀₁,I₀₁，则有：

再次改变信号频率至最大值，记下此时ω₂,U₀₂,I₀₂,则有：

利用上述三个方程即可得出电容C：

通过上文可知，在分频法测量的基础上采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，当配电网对地电容较大时，电网电容电流较低，采用高低频率搭配的信号注入模式能够准确测量出对地电容。当配电网对地电容较小时，电网电容电流较高，相当于注入两个高频信号，从而能够准确测量出较小的对地电容，相比于传统分频法测量较小电容时精度差的状况，此方法具有明显优势。

上述配电网电容电流测量中的信号测量端采用自适应数字滤波器。

通常滤除50Hz工频信号的方法大都采用有源带阻滤波器，但电网实际运行过程中，频率会有±0.5Hz的波动，滤波效果会很差。基于上述问题，本发明采用了基于自相干模板法滤波原理的自适应滤波器，其本身有一个自适应滤波算法，其噪声干扰为处理对象，通过自适应算法，自动跟踪频率和相角，并根据外部环境变化对工频噪声进行最大限度滤除工频干扰，其原理如图3所示。

上述恒流信号采用数字频率合成专用芯片和微处理器实现恒流源的注入，注入信号法测量配电网电容电流要求信号源不能影响配电网的正常工作，由于本发明采用扫频+定频的测量方法，即信号源的频率变动范围较大的情况下保持恒流，这就对信号源的精度和稳定性提出了很高的要求，所以本发明采用字频率合成专用DDS芯片AD9850和微处理器实现恒流源。DDS芯片AD9850包括依次串接的相位累加模块、幅度转换模块、数模转换模块、低通滤波模块以及比较器，在相位累加模块上设置有基准时钟模块。DDS芯片AD9850可实现全数字控制，产生一个频率相位可控的正弦波或转换成方波，其基本结构如图4所示。

AD9850可通过串行或并行接口与微处理器连接，本发明通过调整32bit的频率调整字来精确控制信号源的输出频率。

相位可以通过5bit的相位控制字改变，在每个基准时钟到来时，通过频率和相位累加器产生实时相位信息，从而转换成正弦数字幅值，而后D/A部分将数字幅值转换为模拟幅值，从而达到控制信号源频率和相位的目的。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，其特征在于：在传统分频法测量的基础上采用扫频加定频的方式测量电网电容电流，即改进后的测量方法综合了扫频法和分频法的特点，它从母线电压互感器二次侧开口三角端注入幅值相同、频率不同的恒流信号，同时测量开口三角端的零序电压，根据系统反映到电压互感器二次侧的信息，通过计算得到对地电容电流。

2.根据权利要求1所属的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，其特征在于：所述对地电容电流的计算方法是：

当HC-1型电容电流测试仪从母线PT二次侧开口三角端注入恒流信号时，由开口三角端注入的电流有：

$I_A=I_B=I_C=\frac{I_0}{n}$

信号注入后，三个电流大小相等、相位相同的电流为零序电流通过线路对地电容形成回路，则有如下关系式：

$U_0=3\frac{I_0}{n^2}\sqrt{R^2+{(X_L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}$

在电压互感器开口三角端测量，使注入信号逐渐增大，当系统达到谐振时，U₀达到最小值并记下ω₁,U₀₁,I₀₁，则有：

${\mathrm{\ω}}_{1}L=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{1}C}$

$Z_1=\frac{U_{01}}{I_{01}}=\frac{3R}{n^2}$

再次改变信号频率至最大值，记下此时ω₂,U₀₂,I₀₂,则有：

$Z_2=\frac{U_{02}}{I_{02}}=\frac{3\sqrt{R^2+{(X_L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{2}C})}^2}}{n^2}$

利用上述三个方程即可得出电容C：

$C=\frac{3({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_1^2)}{n^2{\mathrm{\ω}}_1^2{\mathrm{\ω}}_2\sqrt{Z_2^2-Z_1^2}}.$

3.根据权利要求2所属的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，其特征在于：在所述的配电网电容电流测量信号测量端加入自适应数字滤波器。

4.根据权利要求2所属的基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法，其特征在于：所述恒流信号在使用数字频率合成DDS芯片AD9850和微处理器实现恒流信号的注入。利用其带宽较宽、信号分辨率高、相位连续等优点，提高注入信号的频谱纯度，从而提高电容电流测量精度和减小注入信号源对电力系统的影响。