一起直流换流站测控装置测量电压跳变实例分析

陈桂友 朱何荣 熊慕文 刘永钢

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

测控装置在变电站综合自动化系统中发挥着不可替代的作用。测控装置采集并上送的测量数据是状态估计[1]、潮流分析[2]等应用的数据来源。因此保证测量数据的稳定可靠具有重要意义。

1 遥测跳变现象

某500kV 直流换流站，运行人员巡屏时发现500kV 母线电压由532.7kV 至537.6kV 间来回跳变。

随后现场开展测试工作，发现Ⅲ段和Ⅳ段母线出现相同现象。观察测控装置的测量值，发现Ⅲ和Ⅳ段测量电压有4～5kV 的跳变。而保护装置测量的相同电压却无跳变。

2 问题分析及排查

该现象表现为测控装置测量电压跳变，而测量相同电压的保护装置未出现此情况。测控装置和保护装置的不同点在于：测控装置测量电压的全波有效值，是包含基波和各次谐波的总有效值。而保护装置测量的仅仅是基波的有效值。结合此情况怀疑是因为存在谐波而导致了测控装置测量电压跳变。查看测控装置上电压谐波的测量值。发现确实有谐波电压分量，而且谐波分量也存在跳变现象。因此怀疑是因为谐波值的跳变，而导致最终的全波有效值的跳变。因为本站所用的测控装置虽然上送的是全波有效值，但是装置本身也会计算基波有效值。如果是因为谐波有效值的跳变引起全波有效值的跳变，则测控装置测量的基波有效值应该和保护装置测量的基波有效值一样保持稳定。查看测控装置发现，其测量的基波有效值也在跳变。这说明测量电压的跳变不是因为谐波幅值跳变引起的。

为了分析测量值跳变原因，先要了解电压输入波形的情况。使用录波装置对电压进行录波。经分析，电压谐波含量如图1所示。其中5 次、11 次、13 次、25 次和47 次谐波含量较大。因为正常情况下测控装置可以测量2～13 次谐波，因此13 次及以下的谐波不会引起测量值跳变。

因为测控装置采样率为2.4k，即每工频周期采样48 个点。而47 次谐波含量较大，约为0.47%。因此怀疑是因为产生了频率混叠而导致了测量电压跳动。而此站使用的保护装置使用1.2k 采样率，且采样前端有很低的低通滤波电路，所以保护装置测量电压不会受47 次谐波影响而发生跳变。

图1 电压谐波含量

3 频率混叠

测控装置采样率为2.4k，即每周波48 点，采样间隔为0.416666（6 循环）ms。而数字调制电路不能使用无限循环小数作为采样间隔，因此实际采样间隔为0.416650ms，即采样频率为2400.096Hz。47次谐波的频率为2350Hz。此时采样频率小于2 倍的47 次谐波频率。根据采样原理，47 次谐波经离散采样后的波形频率不再是2350Hz。由公式（1）[3]可以计算出47 次谐波经离散采样后的频率为50.096Hz。

式中，n=Int(f/SF+05)；Fa为为离散采样后波形频率；f为实际信号频率，此例中为47 次谐波频率2350Hz；SF为采样频率2400.096Hz；Int表示取整操作，保留小数点之前的数，小数点之后的全舍去。式（1）只有在采样频率小于实际频率的两倍时才适用。

47 次谐波经离散采样之后形成的波形称为混叠波形。混叠波形的频率为50.096Hz，和基波频率相差0.096Hz。此频率差会导致不同时刻的采样窗口中，基波和混叠波形的相位差有滑动。如图2所示，在采样窗口1 中基波和混叠波形的相位相同，形成正叠加。叠加后波形的幅值会大于基波幅值。当经过一段时间之后，如图3所示在采样窗口2 中基波和混叠波形相位相差180°，形成负叠加。叠加之后的波形的幅值小于基波幅值。因为叠加之后波形的幅值在基波幅值上下波动，所以最终导致测量电压幅值有跳动。

图3 采样窗口2 波形负叠加

49 次谐波和47 次谐波的离散采样后的波形频率一致，其对幅值的影响结果和47 次谐波相似。而46 次谐波的离散采样后的波形由式（1）可计算出为100.96Hz，相当于2 次谐波。在一个采样窗口中，正负叠加的效果相抵消，叠加后的波形和基波相差不大。其他次谐波类似。

图4 46 次谐波混叠波形

4 实验验证

为了验证以上分析的正确性，需要进行实验验证。给测控装置输入57.74V 正弦基波电压，再分别叠加45～51 次谐波电压。测试结果如表1所示。从表1可以看出，实验结果和上面的理论分析完全一致。47 次和49 次谐波会引起测量幅值较大的跳变，而且其他次谐波对幅值的影响很小。

表1 谐波对测量结果的影响

5 处理措施

5.1 滤除一次电网中的高次谐波

文献[4]中规定110kV 电网中电压总谐波含量不超过2%。500kV 电网中的谐波含量虽然没有规定，但也不应超过此值。从录波器分析的结果看，本站整体谐波含量较高。

本站交直流转换采用的换流器为12 脉动阀，由两个6 脉动阀串联，因此交流侧的特征谐波为12n±1次。为了滤除特征谐波，本换流站已在交流侧配置了11/24 和11/36 两种类型的交流滤波器，但对47次、49 次谐波没有配置对应的滤波器。通常认为谐波次数越高，则谐波含量越低。但从波形分析来看，本站47 次、49 次谐波含量偏多。从谐波污染源头治理的原则考虑，应增加交流滤波器（例如HP3 滤波器）或通过调整现有交流滤波器参数，从源头滤除高次谐波。

5.2 测控装置选择适中的低通滤波参数

本站是因为47 次谐波进入了测控装置采样回路，导致了采样值波动。因此在测控装置的采样回

路之前采用适中的低通滤波电路将高次谐波滤除，可以有效避免有测量效值的跳动。考虑到换流站在运行中不能完全杜绝高次谐波的产生，因此有必要在测控装置上采用低通滤波电路以防止因频率混叠引起测量值跳变。文献[5]规定了测控装置测量电流、电压的精度应达到0.2%，且应测量2～13 次谐波。所以应选择适合的低通参数，即要保证13 次及以下谐波的测量精度，也要保证47 次及以上谐波可靠滤除。

5.3 改变测控装置的采样频率

因为频率混叠与测控装置的采样频率及谐波频率密切相关。本换流站的特征谐波为12n±1，因此只要避开此谐波频率也可以很好的起到防止测量跳变的作用，比如采用2k 或4k 采样率。

6 结论

本文提出了一起直流换流站测控装置测量电压跳变现象及分析处理的实例。通过现场分析，同型装置比对，理论分析和实验验证确认是频率混叠引起测量值跳变。同时结合理论分析给出了处理措施。随着更多的直流输电项目的建设，本文为处理相似问题积累了经验。

[1] 李青芯,孙宏斌,王晶,等.变电站—调度中心两级分布式状态估计[J].电力系统自动化,2012,36(7): 44-50,91.

[2] 覃智君,侯云鹤,吴复立.大规模交直流系统潮流计算的实用化模型[J].中国电机工程学报,2011,31(10): 95-101.

[3] 应怀樵,沈松,刘进明.频率混叠在时域和频域现象中的研究[J].振动、测试与诊断,2006,26(1): 1-4.

[4] GB/T 14549—1993.电能质量公用电网谐波[S].

[5] GB/T 13729.远动终端设备[S].