CN111913023B - 降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法及系统，属于高压电技术与测量技术领域，包括以下步骤：对CVT进行现场标定，结合CVT的输入输出电压信号建立CVT补偿模型；基于补偿模型对故障发生后CVT电压测量信号进行补偿以获得CVT的一次侧电压信号；基于各频段频率分量的前两个分析窗口内CVT一次侧信号进行衰减系数拟合；基于各频段衰减系数获取CVT一次侧信号的近似函数表达式；基于近似函数表达式预测前两个分析窗口后CVT一次侧信号。本发明基于CVT补偿模型补偿所得信号作为先验信号，将CVT补偿模型补偿所得信号分频段分解，获取各频段信号的近似函数表达式，能够降低CVT补偿模型累积误差的影响。

Description

降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法及系统
技术领域
本发明属于高压电技术与测量技术领域，更具体地，涉及一种降低电容式电压互感器补偿模型累计误差的方法及系统。
背景技术
现代社会中各行各业对电能的依赖程度越来越高，电网的安全性、稳定性越来越受到重视。其中电网中不同工作状态下暂态电压仿真和现场过电压实测，为分析研究电力系统中绝缘配合、电力故障提供了重要参考；而现场传感器测量所得的电压波形是验证基于仿真信号的分析报告的首要依据，因此准确测量过电压波形对保障电网安全稳定运行至关重要。
电力系统中过电压类型十分丰富，要判断故障类型，需要获得相对准确的过电压。电容式电压互感器CVT(Capacitance type voltage transformer)因绝缘强度高、制造简单、体积小、重量轻、经济性显著等优点广泛应用于电力系统，但是CVT自身结构导致对暂态电压的测量存在误差。因此，有诸多专家学者考虑基于补偿模型对CVT的输出进行补偿，从而基于CVT获取的过电压波形为分析绝缘配合、电力故障提供依据。但是补偿模型受限于累积误差无法完成较长波形的补偿。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了降低电容式电压互感器补偿模型累计误差的方法及系统，由此解决补偿模型在补偿电容式电压互感器一次侧电压时，由于迭代使用导致误差累积现象的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，所述方法包括以下步骤：
S100，建立电容式电压互感器的补偿模型；
S200，使用所述补偿模型对故障发生后的电容式电压互感器测量信号进行补偿，得到电容式电压互感器一次侧信号；
S300，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式；
S400，根据所述近似函数表达式预测前两个分析窗口后的电容式电压互感器一次侧信号。
优选地，所述步骤S100包括以下步骤：
S101，对电容式电压互感器进行标定；
S102，获取标准电压源输出的电压信号经过标准测量系统的输出信号；
S103，获取所述标准电压源输出的电压信号经过所述电容式电压互感器的输出信号；
S104，将所述标准测量系统的输出信号经过标准变比转换后作为电容式电压互感器的输入信号，结合所述电容式电压互感器的输出信号建立所述补偿模型。
优选地，所述标准电压源为冲击电压源或者可调频宽频的正弦交变电压源。
优选地，所述标准测量系统为阻容式高压分压器。
优选地，所述步骤S200中使用所述补偿模型进行补偿前，还包括以下步骤：
基于故障发生前的电容式电压互感器测量信号设置所述补偿模型的初始值。
优选地，所述步骤S300中，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，包括以下步骤：
S301，设置信号的频率精度和频带范围，根据所述频率精度在所述频带范围内进行分段，得到多个频段；
S302，将所述多个频段内的频率分量分别设置分析窗口宽度，得到多个分析窗口，每个分析窗口宽度内至少含有两个周期及以上的对应频段内的频率分量；
S303，将电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上，从各频段上前两个分析窗口内的电压信号中选取至少两个峰值点，根据所选取的峰值点的时间和电压信息获取各频段信号衰减系数。
优选地，所述步骤S300中，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式，包括以下步骤：
S304，根据电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上的信号波形获取各信号波形第一个峰值时刻；
S305，根据各频段内第一个峰值时刻、中心频率和衰减系数计算得到各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式。
优选地，所述步骤S400包括以下步骤：
S401，根据各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式对各频段前两个分析窗口后的信号进行预测；
S402，合成预测所得的各频段信号以获取预测所得全频段信号。
本发明的另一方面提出一种电容式电压互感器系统，包括：电容式电压互感器和补偿模块；
所述补偿模块，用于使用如上文所述的降低电容式电压互感器补偿模型累计误差的方法预测所述电容式电压互感器一次侧的电压信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过补偿模型补偿所得信号作为先验信号，将补偿模型补偿所得信号分频段分解，获取各频段信号的近似函数表达式，基于近似函数表达式预测之后的电容式电压互感器一次侧电压信号，无需补偿模型的迭代使用，能够降低补偿模型累积误差的影响；
2、本发明通过现场标定，建立基于电容式电压互感器输入输出信号的电容式电压互感器模型，充分考虑到现场环境中存在的杂散因素对测量装置传递特性的影响，能够准确补偿电容式电压互感器在现场安装后的测量误差。
附图说明
图1是本发明的实施例的流程图；
图2是本发明的实施例用于电容式电压互感器的校准布局示意图；
图3是本发明的实施例用于补偿所得电容式电压互感器一次侧信号的小波分解示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明公开了降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，所述方法包括以下步骤：
S100，建立电容式电压互感器的补偿模型。
具体的，所述步骤S100包括以下步骤：
S101，对电容式电压互感器进行标定；
S102，获取标准电压源输出的电压信号经过标准测量系统的输出信号；
S103，获取所述标准电压源输出的电压信号经过所述电容式电压互感器的输出信号；
S104，将所述标准测量系统的输出信号经过标准变比转换后作为电容式电压互感器的输入信号，结合所述电容式电压互感器的输出信号建立所述补偿模型。
更进一步的说明，将标准电压源输出的电压信号经过标准测量系统的输出信号设为y(t)，标准电压源输出的电压信号经过所述电容式电压互感器的输出信号设为x(t)。如图2本发明的一个实施例中获取电容式电压互感器输入输出信号的布局示意图所示，现场试验时，包括：标准电压源、标准测量系统和电容式电压互感器。所述标准测量系统和所述电容式电压互感器并联，所述标准电压源作为所述标准测量系统和所述电容式电压互感器的共同输入。
更进一步的说明，所述标准测量系统的接入应保证不对所述电容式电压互感器的传递特性产生较大影响，即所述电容式电压互感器的传递特性变化不超过1％。；所述标准电压源的幅值波动范围小于1％，频率范围达到纳秒级，输出电压的频率分量应涵盖所述电容式电压互感器的频率补偿范围，可选择冲击电压源或者可调频宽频正弦交变电压源；所述标准测量系统满足国家标准GB/T 16927中标准测量系统的准确度要求，可在宽频范围内满足较好的频率传递特性，一般可采用阻容式高压分压器。
更进一步的说明，建立电容式电压互感器补偿模型，可基于电容式电压互感器输入输出信号求取电容式电压互感器s域补偿模型或者电容式电压互感器时域补偿模型。
具体的，所述电容式电压互感器补偿模型的s域补偿模型为：
Y(s)＝G(s)*X(s)
其中Y(s)为电容式电压互感器一次侧电压数据的s域表达式，X(s)为电容式电压互感器二次侧电压数据的s域表达式，G(s)为电容式电压互感器的s域补偿模型表达式。
具体的，将所述标准测量系统的输出记为y(t)，将所述电容式电压互感器的输出记为x(t)，将所述标准测量系统的输出信号经标准变比转换得到的信号视作所述电容式电压互感器的一次侧电压信号，可得电容式电压互感器的一次侧、二次侧电压信号为y(t)、x(t)，则所述补偿模型的表达式为：
y(k)+a1y(k-1)+a2y(k-2)+…+any(k-n)＝b0x(k)+b1x(k-1)+…+bmx(k-m)
其中y(t)(t＝k,k-1,…,k-n)为电容式电压互感器一次侧电压离散信号，x(t)(t＝k,k-1,…,k-m)为电容式电压互感器二次侧电压离散信号，at(t＝1,2,…,n)为电容式电压互感器的补偿模型一次侧补偿系数，bt(t＝1,2,…,m)为电容式电压互感器的补偿模型二次侧补偿系数；
补偿系数at、bt通过Matlab程序，采用基于系统辨识技术，如最小二乘法的参数辨识算法求解，可计算出参数at、bt，即可得到电容式电压互感器补偿模型，为后续的计算提供依据。
S200，使用所述补偿模型对故障发生后的电容式电压互感器测量信号进行补偿，得到电容式电压互感器一次侧信号。
具体的，所述步骤S200中使用所述补偿模型进行补偿前，还包括以下步骤：基于故障发生前的电容式电压互感器测量信号设置所述补偿模型的初始值。
更进一步的说明，故障发生之前电容式电压互感器实测电压波形真实反映了一次侧电压波形的波动，因此可基于故障发生前电容式电压互感器实测电压信号设置时域补偿模型中电容式电压互感器一次侧电压y(t)的初始值。若电容式电压互感器待补偿的实测过电压信号为x′(t)，则可基于时域补偿模型、待补偿的实测过电压信号、电容式电压互感器一次侧电压初始值获取故障发生后至少两个工频周期的电容式电压互感器一次侧电压信号。
S300，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式。
具体的，所述步骤S300中，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，包括以下步骤：
S301，设置信号的频率精度和频带范围，根据所述频率精度在所述频带范围内进行分段，得到多个频段；
S302，将所述多个频段内的频率分量分别设置分析窗口宽度，得到多个分析窗口，每个分析窗口宽度内至少含有两个周期及以上的对应频段内的频率分量；
S303，将电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上，从各频段上前两个分析窗口内的电压信号中选取至少两个峰值点，根据所选取的峰值点的时间和电压信息获取各频段信号衰减系数。
更进一步的说明，设信号的频率精度为δf，则50Hz至2kHz频带的可分段为[f1，f2]，[f2，f3]，…，[fnum-1，fnum]，其中num可由式(2)计算获得。
Figure BDA0002577218530000071
为基于补偿所得电容式电压互感器一次侧信号获取各频段上信号分解波形，可考虑基于小波分解对补偿电容式电压互感器一次侧信号进行分解。
小波分解的示意图如图3所示，通过小波分解可将原始信号划分为频率分布在[0，fs/2]和[fs/2，fs]上的分解信号(其中fs为信号采样频率)，经过不断二分即可将补偿所得电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上。
为进一步估计各频段信号的衰减系数，对频段[fk-1，fk](k＝2,3,…,num)，可设置分析窗口宽度为2/fk-1。基于频段[fk-1，fk]信号分析窗口宽度2/fk-1，可知分析窗口宽度内该频段频率分量至少含有两个周期及以上的相应频率分量，由每一个周期的信号可得一个峰值可知该频段内信号的至少两个峰值点的时间、电压信息为(t1，u1)，(t2，u2)。
同一频段内信号视作以同一衰减系数衰减，则该频段内信号表达式可如下表示：
Figure BDA0002577218530000083
其中u为电压衰减后幅值，Um为电压衰减前幅值，α为衰减系数，ω为该频段中心频率，
Figure BDA0002577218530000082
为该频段信号的初始相位。
假设频段[fk-1，fk](k＝2,3,…,num)内信号的衰减系数为αk-1，则衰减系数αk-1可由下式计算。
Figure BDA0002577218530000081
其余频段的衰减系数同理可得。
需要说明的是，所述分析窗口宽度至少为相应频段中频率区间左端点处频率对应周期的两倍。所述衰减系数为频率段内频率的幅值呈指数衰减时指数部分的系数。
具体的，所述步骤S300中，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式，包括以下步骤：
S304，根据电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上的信号波形获取各信号波形第一个峰值时刻；
S305，根据各频段内第一个峰值时刻、中心频率和衰减系数计算得到各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式。
S400，根据所述近似函数表达式预测前两个分析窗口后的电容式电压互感器一次侧信号。
具体的，所述步骤S400包括以下步骤：
S401，根据各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式对各频段前两个分析窗口后的信号进行预测；
S402，合成预测所得的各频段信号以获取预测所得全频段信号。
本发明的另一个实施例提出一种电容式电压互感器系统，包括：电容式电压互感器和补偿模块；所述补偿模块，用于使用上文所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法预测所述电容式电压互感器一次侧的电压信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100，建立电容式电压互感器的补偿模型；
S200，使用所述补偿模型对故障发生后的电容式电压互感器测量信号进行补偿，得到电容式电压互感器一次侧信号；
S300，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式；
S400，根据所述近似函数表达式预测前两个分析窗口后的电容式电压互感器一次侧信号；
所述步骤S100包括以下步骤：
S101，对电容式电压互感器进行标定；
S102，获取标准电压源输出的电压信号经过标准测量系统的输出信号；
S103，获取所述标准电压源输出的电压信号经过所述电容式电压互感器的输出信号；
S104，将所述标准测量系统的输出信号经过标准变比转换后作为电容式电压互感器的输入信号，结合所述电容式电压互感器的输出信号建立所述补偿模型；
所述步骤S300中，将所需频段划分为多个频段，获取所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内前两个分析窗口的电压分量，以确定所述电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的信号衰减系数，包括以下步骤：
S301，设置信号的频率精度和频带范围，根据所述频率精度在所述频带范围内进行分段，得到多个频段；
S302，将所述多个频段内的频率分量分别设置分析窗口宽度，得到多个分析窗口，每个分析窗口宽度内含有两个周期以上的对应频段内的频率分量；
S303，将电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上，从各频段上前两个分析窗口内的电压信号中选取至少两个峰值点，根据所选取的峰值点的时间和电压信息获取各频段信号衰减系数；
所述步骤S300中，根据所述衰减系数得到电容式电压互感器一次侧信号在各频段内的近似函数表达式，包括以下步骤：
S304，根据电容式电压互感器一次侧信号分解至各频段上的信号波形获取各信号波形第一个峰值时刻；
S305，根据各频段内第一个峰值时刻、中心频率和衰减系数计算得到各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式。
2.根据权利要求1所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，其特征在于：所述标准电压源为冲击电压源或者可调频宽频的正弦交变电压源。
3.根据权利要求1所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，其特征在于：所述标准测量系统为阻容式高压分压器。
4.根据权利要求1所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，其特征在于，所述步骤S200中使用所述补偿模型进行补偿前，还包括以下步骤：
基于故障发生前的电容式电压互感器测量信号设置所述补偿模型的初始值。
5.根据权利要求1所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法，其特征在于，所述步骤S400包括以下步骤：
S401，根据各频段内电容式电压互感器一次侧信号的近似函数表达式对各频段前两个分析窗口后的信号进行预测；
S402，合成预测所得的各频段信号以获取预测所得全频段信号。
6.一种电容式电压互感器系统，其特征在于，包括：电容式电压互感器和补偿模块；
所述补偿模块，用于使用如权利要求1-5任一项所述的降低电容式电压互感器补偿模型累积误差的方法预测所述电容式电压互感器一次侧的电压信号。
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