CN109839536B - 一种变电站cvt谐波测量判断装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站CVT谐波测量判断装置，适用于35kV及以上电压等级变电站的空载线路，其包括电容式电压互感器、电流互感器、信号调理电路、抗混叠滤波器、数据采集卡和DFT分析模块。本发明装置可在拥有空载线路的变电站现场快速判断CVT谐波测量的准确性，具有便携、结果可视化等特征，为高压变电站CVT谐波测量提供了可行的解决装置。

Description

一种变电站CVT谐波测量判断装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是一种变电站CVT谐波测量判断装置。

背景技术

电力系统中，对电压的测量是必不可少的，最早110kV～220kV等级的发电厂升压站和降压变电站的母线，多采用电磁式电压互感器(TV)对电压和功率进行测量，但电磁式电压互感器存在诸多缺陷，造成多起事故。而且随着电力系统输电电压的提高，TV体积越来越大，成本也越来越高，因此需要寻求其他形式的的电压互感器来满足电力系统日益发展的要求，在这种背景下，电容式电压互感器被应用于电力系统中。它建立于原有电容套管电压抽取装置的基础上，可供110kV及以上电压等级中性点直接接地系统电压测量、高频通讯和继电保护使用，发展至今已有60多年的历史，在电力系统中广泛应用于发电厂升压站和降压变电站的母线上。CVT与TV相比较，具有体积小，重量轻，维护工作量小，电场强度裕度大，绝缘可靠性高，且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用，不会与开关端口电容形成铁磁谐振、价格便宜等优点。

在我国110kV(甚至是35kV)及以上的发电厂升压站和变电站母线及出线上广泛采用CVT。目前高压电网中采用的电容式电压互感器(CVT)，在基波电压的测量以及系统保护和自动装置的基波信号变换中完全能够满足系统的要求。但存在谐波分量的系统中CVT却不能正确反映实际情况，在进行系统电能质量谐波的测量时，通过CVT变换装置得到的二次侧信号，存在很大的误差。《电能质量公用电网谐波GB/T 14549-1993》附录D中也规定：“电容式电压互感器不能用于谐波测量”，在IEC标准和相关技术报告中也有类似的规定。近年来，中国电力需求的增长以及能源和负荷中心的分布特点使得我国采用特高压直流输电这种经济高效的输电方式成为必然。直流输电的发展可能导致高压交流系统谐波水平的增高。另一方面，随着电力电子化技术的发展，更多、容量更大的非线性负荷直接接入110kV及以上电压等级的电网，大大增加了110kV及以上电压等级的谐波水平。

因此，如何通过CVT测试掌握正确的电网谐波水平和确切的电压畸变数据，采取什么样的测量方法，使用哪种测试设备进行谐波电压测试，成为电网电能质量监督技术人员所关注的焦点，也是必须解决的首要问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种变电站CVT谐波测量判断装置，适用于35kV及以上的变电站对空载线路谐波电压测量准确性的判定，为高电压等级电网的谐波监管与治理提供参考。

本发明采用如下技术方案：

一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：包括电容式电压互感器、电流互感器、信号调理电路、抗混叠滤波器、数据采集卡和DFT分析模块；该电容式电压互感器用于检测电网线路的电压信号；该电流互感器用于检测电网线路的电流信号；该信号调理电路与电容式电压互感器和电流互感器相连以对电压信号和电流信号的幅值进行调理；该抗混叠滤波器与信号调理电路相连以限制调理后的信号的频率；该数据采集卡与抗混叠滤波器相连以将模拟信号采样转换成数字信号；该DFT分析模块与数据采集相连以对数字信号进行分析处理并判断电容式电压互感器检测的电压信号是否为真实的网侧谐波电压。

所述信号调理电路包括第一调理电路，该第一调理电路与所述电容式电压互感器相连，且设有分压电阻、隔离放大器和运算放大器。

所述分压电阻采用无感电阻，其分压比根据所述电压信号和所述数据采集卡的工作电压确定。

所述信号调理电路包括第二调理电路，该第二调理电路与所述电流互感器相连，其设有隔离放大器。

所述抗混叠滤波器为6阶巴特沃斯低通滤波器。

所述数据采集卡频率至少为被采样信号的最高频率的两倍。

所述DTF分析模块的对数字信号进行分析处理并判断电容式电压互感器检测的电压信号是否为真实的网侧谐波电压，具体包括如下：

对数字信号进行离散傅里叶变换得到频域分量，根据频域分量计算基波平均功率：

U(1)为基波电压有效值；I(1)为基波电流有效值；θ_U(1)为基波电压相位；θ_I(1)为基波电流相位；P(1)为基波有功功率；Q(1)为基波无功功率；

当P(1)≈0，Q(1)＜0时，CPU按照下式计算判断CVT谐波测量准确性的参数：

式中：h为谐波次数；U(h)为h次谐波电压有效值；I(h)为h次谐波电流有效值；k(h)为CVT测量h次谐波电压放大倍数；

当k(h)＝1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压准确；

当k(h)≠1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压发生误差，

其中：k(h)＞1+δ时通过CVT测量的h次谐波电压被放大，放大倍数为k(h)；

k(h)＜1-δ时通过CVT测量的次h次谐波电压被缩小，缩小倍数为k(h)。

其中δ为装置测量误差。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明装置简便易行，实用性强，效果较好，涉及到的硬件电路结构较为简单，易于实现，能够为高电压等级电网的谐波监管与治理提供参考。

2、本发明装置采用数据采集卡对电压电流信号进行采样，并采用快速傅里分析算法对采样数据进行分析，具有较好的实时性，能够实现CVT谐波测量准确性的在线判定。

3、本发明装置，不增加其它的测量装置，结构简单、成本低、便于大范围推广。

附图说明

图1为本发明原理流程图；

图2为装置结构示意图；

图3为电压电流信号调理电路示意图；

图4为6阶巴特沃斯低通滤波器电路拓扑结构。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1至图4，一种变电站CVT谐波测量判断装置，主要包括：直接对电网电压进行测量的电容式电压互感器(CVT)；对电网电流进行测量的电流互感器(CT)；对电压电流信号幅值进行调整的信号调理电路；限制信号频率的抗混叠滤波器；对模拟信号进行采样转换成数字信号的数据采集卡；对数字信号进行分析处理并判断电容式电压互感器检测的电压信号是否为真实的网侧谐波电压的DFT分析模块。

根据测量仪器的安全性、准确性和抗扰性，在互感器输出信号特征的基础上设计的信号调理电路，其包括第一调理电路和第二调理电路，该第一调理电路与电容式电压互感器的两输出端相连，包括有两路且分别与母线电压互感器二次侧输出端口A和N相连，均设有分压电阻和隔离放大器，包括有两分压电阻R1、R2实现分压，两电阻之间连接隔离放大器进行信号放大，之后两隔离放大器的输出端连接运算放大器以将两路输入信号合并成一路输出信号。该第二调理电路与电流互感器相连，其设有隔离放大器对电流信号进行隔离放大，参见图3。

分压电阻的目的是将母线电压互感器二次侧输出的大电压信号转换成小电压信号，保证装置的安全性。

一般根据电压互感器二次侧输出相电压为U₂和选择的采集卡工作电压U_sample确定最终电阻分压比，且电阻需选择无感电阻，总电阻值R不小于10MΩ，此时分压电阻R₁和R₂计算方法如下。

而信号调理电路中隔离放大器切断高低压侧的电磁耦合，增强装置的抗干扰能力和测量准确性。

抗混叠滤波器的阶数和截止频率的选取取决于有用信号的特性，为了准确测量到50次谐波，选取6阶巴特沃斯低通滤波器，其通带截止频率f_c为3.2kHz，阻带截止频率12kHz，其具体电路组成参见图4，包括有三个二阶低通滤波器，分成阶段A、阶段B、阶段C。

基于奈奎斯特采样定理，根据抗混叠滤波器通带截止频率选择与之相匹配的数据采集卡采样频率。可根据采样定理，采样频率至少为被采样信号的最高频率的两倍,即f_S≥2f_max。此时，抗混叠滤波器的通带截止频率f_c直接决定被采样信号分析的最高频率f_max,且通常有f_c＝f_max,故采样频率f_S与该截至频率f_c的关系为:f_s＝k·f_c，k≥2，故选择装置的数据采集卡采样频率为6.4kHz。

该DFT分析模块选择型号为TMS 28335的DSP芯片进行离散傅里叶变换(DFT)运算的CPU，该计算机具有通讯端口、输出端口和显示屏等常规模块，其通讯端口用于接收数字信号等，判断结果通过输出端口输出，或通过显示屏显示。

本发明装置，其测量判断方法具体包括如下步骤：

DFT分析模块对数字信号进行离散傅里叶变换(DFT)，进而得到采样信号的频域分量为：

根据频域分析得到的电压电流幅值和相位，并计算基波平均功率。

式中：U(1)为基波电压有效值；I(1)为基波电流有效值；θ_U(1)为基波电压相位；θ_I(1)为基波电流相位；P(1)为基波有功功率；Q(1)为基波无功功率。

当P(1)≈0，Q(1)＜0时，CPU按照下式计算判断CVT谐波测量准确性的参数：

式中：h为谐波次数；U(h)为h次谐波电压有效值；I(h)为h次谐波电流有效值；k(h)为CVT测量h次谐波电压放大倍数。

当k(h)＝1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压准确；

当k(h)≠1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压发生误差。

其中：k(h)＞1+δ时通过CVT测量的h次谐波电压被放大，放大倍数为k(h)；

k(h)＜1-δ时通过CVT测量的次h次谐波电压被缩小，缩小倍数为k(h)。

其中δ为装置测量误差，当测量谐波电压U_h≥1％U_N时，测量误差为±5％U_h；当测量谐波电压U_h<1％U_N时，测量误差为±0.05％U_N。

如图2所示为本发明实施例所提供的变电站CVT谐波测量准确性的判断装置示意图，装置通过通讯或屏幕输出最终测量判断结果，。

下面结合具体示例对上述过程进行详细说明，本示例中所用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。

在本示例中，220kV变电站220kV母线直挂电气化铁路牵引变，在牵引变供电线路首端(变电站侧)分别在母线电容式电压互感器和电流互感器处测量母线电压和空载线路电流。电压互感器二次侧输出57.74V；电流互感器二次侧输出5A；数据采集卡工作电压为3.2V，总电阻值为10MΩ，则信号调理电路中的分压电阻分别为。

抗混叠滤波器采用6阶巴特沃斯低通滤波器，其通带截止频率为3.2kHz，阻带截止频率为12kHz；数据采集卡的采样频率为6.4kHz，单周波采样128点。

在220kV母线侧测得电压u、电流i，经过单周波离散傅里叶分析得到基波电压幅值U(1)＝130.4kV，基波容性无功功率为Q(1)＝-1.95Mvar，5次谐波电压幅值U(5)＝2.88kV，5次谐波电流值I(5)＝0.82A。根据如下方法计算出空载线路基波容抗：

此时，k(5)＝2.01＞1，通过CVT测量的5次谐波电压被放大，放大倍数为2.01；

CPU输出判断结果，通过通讯或屏幕告知最终测量结果为5次谐波测量不准确，放大2.01倍。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：包括电容式电压互感器、电流互感器、信号调理电路、抗混叠滤波器、数据采集卡和DFT分析模块；该电容式电压互感器用于检测电网线路的电压信号；该电流互感器用于检测电网线路的电流信号；该信号调理电路与电容式电压互感器和电流互感器相连以对电压信号和电流信号的幅值进行调理；该抗混叠滤波器与信号调理电路相连以限制调理后的信号的频率；该数据采集卡与抗混叠滤波器相连以将模拟信号采样转换成数字信号；该DFT分析模块与数据采集卡相连以对数字信号进行分析处理并判断电容式电压互感器检测的电压信号是否为真实的网侧谐波电压；

所述DFT分析模块的对数字信号进行分析处理并判断电容式电压互感器检测的电压信号是否为真实的网侧谐波电压，具体包括如下：

对数字信号进行离散傅里叶变换得到频域分量，根据频域分量计算基波平均功率：

U(1)为基波电压有效值；I(1)为基波电流有效值；θ_U(1)为基波电压相位；θ_I(1)为基波电流相位；P(1)为基波有功功率；Q(1)为基波无功功率；

当P(1)≈0，Q(1)<0时，CPU按照下式计算判断CVT谐波测量准确性的参数：

式中：h为谐波次数；U(h)为h次谐波电压有效值；I(h)为h次谐波电流有效值；k(h)为CVT测量h次谐波电压放大倍数；

当k(h)＝1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压准确；

当k(h)≠1±δ时，则通过CVT测量的h次谐波电压发生误差，

其中：k(h)>1+δ时通过CVT测量的h次谐波电压被放大，放大倍数为k(h)；

k(h)<1-δ时通过CVT测量的次h次谐波电压被缩小，缩小倍数为k(h)；

其中δ为装置测量误差。

2.如权利要求1所述的一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：所述信号调理电路包括第一调理电路，该第一调理电路与所述电容式电压互感器相连，且设有分压电阻、隔离放大器和运算放大器。

3.如权利要求2所述的一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：所述分压电阻采用无感电阻，其分压比根据所述电压信号和所述数据采集卡的工作电压确定。

4.如权利要求1所述的一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：所述信号调理电路包括第二调理电路，该第二调理电路与所述电流互感器相连，其设有隔离放大器。

5.如权利要求1所述的一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：所述抗混叠滤波器为6阶巴特沃斯低通滤波器。

6.如权利要求1所述的一种变电站CVT谐波测量判断装置，其特征在于：所述数据采集卡频率至少为被采样信号的最高频率的两倍。

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