220 kV电子式电压互感器带电校验系统研究*

李伟，樊博，陈勉舟，梅华，张灏，张浩淼

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川750000；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）

0 引 言

智能变电站“数字化、网络化、智能化”的发展趋势促进了电子式互感器广泛应用［1］，电压、电流和电能测量设备的精度和检测水平越来越受到业界的关注。相关标准规定，电子式互感器必须按规程进行入网检测及定期检测，通过检测才能在智能变电站中使用［2-5］。与传统的互感器离线检测相比，互感器带电检测可以在不停电的情况下，完成对互感器的检测［6-7］，及时了解互感器运行状况。目前，电子式互感器在线校验已成为互感器检测技术的研究热点。

国内外许多学者和研究机构开展了很多关于电子式互感器带电检测技术的研究工作。但大部分研究都是集中在带电检测的总体方案、电测技术、数据采集、误差计算和数据处理［8-11］。对互感器带电接入方法及安全性分析和现场复杂工况的电参量提取算法研究较少。

本文对220 kV电子式互感器带电校验系统进行了研究，设计出一种电容标准器全绝缘举升接入装置，为适应现场复杂的频率波动、噪声等，采用自适应全相位DFT电参量提取算法。试验表明，在线校验系统比差小于0.05%，角差小于2′，满足了0.2级电子式电压互感器校验要求，可以适应现场的复杂的工况。目前，该系统已进行了现场试验。

1 校验系统总体设计

1.1 校验系统

带电校验系统由标准通道、被校通道及基于PC机的校验系统等部分组成，如图1所示。标准通道包括标准电容器、积分电路、采集单元和主控制模块等。一次侧高压信号经标准电容器产生电流信号，经过积分产生正比于一次侧电压信号的小信号，采集单元将小信号采集后组帧发包，通过光纤发送给基于PC机的校验系统得到标准通道数据。PC机通过接收现场合并单元数据，得到被校互感器的采集信号，二者通过现场同步脉冲实现同步。

图1 电子式电压互感器带电校验原理图Fig.1 On-site calibration principle diagram of EVT

1.2 标准通道设计

标准电压互感器由对流经标准电容器电流积分实现，在现场试验中，电流信号抗干扰能力强，且不受线路压降影响，适合用在现场具有较强电磁干扰的情况下，可以提高测试系统的精度，系统的硬件原理如图2所示。

其传递函数为：

忽略滤波电路的误差，系统传递函数可以表示为：

图2 信号采集调理电路原理Fig.2 Principle of signal acquisition and adjustment circuit

1.3 基于LabVIEW的上位机软件设计

基于PC的校验系统采用LabVIEW开发平台设计了校验系统软件，完成采样控制，标准与被校通道采样值接收、互感器比差和角差数据的计算，数据保存及报表输出等功能，通过自适应全相位DFT算法提取电参量，计算误差。软件的流程图如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Software flow chart

1.4 全相位数据处理算法

全相位是指该方法数据处理过程中将一系列连续采样点分为多个分段，在后续频谱分析中综合考虑到各个分段，数据处理后进行DFT运算得到的相位值为运算的中心点的初始相位，相位初值不随频率的波动而出现变化，从而保证信号及相位提取的准确性［12-14］。

自适应全相位数据处理是抑制DFT运算后频谱泄漏的关键，为保证参与DFT运算为整周期采样点数，必须准确的知道电网频率，自适应的调整参与DFT运算的点数，本文采用拉格郎日三次插值算法提取电网频率的方法。

1.4.1 自适应全相位数据处理

利用提取得到的电网频率f计算出参与数据处理的采样点数（2N-1），参与数据处理的点数（2N-1）随着电网频率的波动而变动，计算公式如下：

自适应全相位数据处理方法主要是为了改善后续DFT运算过程中因截断造成的频谱泄漏问题，同时，也能在DFT运算过程中抑制噪声。

以N=3为例，对数据处理的流程进行分析，处理流程如图4所示。

图4 自适应全相位数据处理流程图（N=3）Fig.4 The adaptive all phase data processing flow chart（N=3）

图4中的数据处理过程步骤如下：

（1）对（2N-1）个采样点进行分段，每段选取 N个连续的离散点；

（2）将分段的离散点进行周期延拓，并对各分段离散点进行竖直方向求和，得到新的周期序列；

（3）用矩形窗RN对新的周期序列进行截断，产生自适应全相位输入序列。

1.4.2 全相位算法仿真计算

针对上文提出的数字电能计量算法的准确性进行仿真分析，在理想的基波及谐波条件下，一般的插值算法的算法误差几乎为零，本文在基波及谐波条件下，考虑到数据采集量化误差，仿真在49.8 Hz，50 Hz，50.2 Hz条件下加入白噪声，分别比对，四项三阶Nuttall窗，hanning窗和全相位算法在信噪比20 dB，30 dB，40 dB的影响下，三种算法计算的相位误差和相位初值之间的关系，计算其相位均值和标准差，仿真结果见表1～表3。

表1 50 Hz算法的均值和标准差Tab.1 Algorithm mean and standard deviation of 50 Hz

表2 50.2 Hz算法的均值和标准差Tab.2 Algorithm mean and standard deviation of 50.2 Hz

表3 49.8 Hz算法的均值和标准差Tab.3 Algorithm mean and standard deviation of 49.8 Hz

由表1～表3可以看出加窗后，hanning窗和nuttall窗算法虽然可以较精确地算出信号的初相位，但是当加入白噪声较大时，两种加窗算法受噪声影响较大，当加入白噪声为30 dB和40 dB两种算法的角差范围3σ仍然可以控制在2′以内，但当加入白噪声达到20 dB时，hanning窗和nuttall窗算法误差将超差，但全相位算法角差范围3σ仍然在2′以内，而当频率变化时，全相位算法受频率影响更小，相位计算的精度更高，由此可见全相位算法相比较nuttall窗和hanning窗FFT具有更好的相位不变性、噪声抑制特性和抑制频谱泄漏特性，可以适应现场复杂的测试环境。

2 带电校验接入方案设计

2.1 带电校验接入方案

文中设计的一种全绝缘自动升降装置，用于标准通道的带电接入，可以实现电子式电压互感器带电校验系统安全、可靠、便捷接入与退出，电容标准器全绝缘举升接入装置如图5所示。

图5 电容标准器全绝缘举升接入装置Fig.5 Full insulation lifting access device for standard capacitor

带电接入装置具有以下特点：

（1）升降装置除下部底座外，其余全部为绝缘材料，有利于标准通道带电校验接入与退出过程的安全，装置能够负重举升，将标准电容器举升至母线高度并接触母线，这样可不将高电位引向地电位，使校验过程更为安全；

（2）装置升降采用电动机驱动，电动机置于平台底部，采用滑轮组及绝缘绳传动，便于电机供电及控制的实现，采用无线遥控的方式实现升降，可以保证操作的安全；

（3）装置底部有滚轮且具有载运标准电容器的能力，举升部分可以水平放置，以降低移动时的高度，使设备移动时满足各安全距离，设备整体移动，没有繁琐的组装过程；

（4）电容器的顶部设计了一个包含阻尼电阻和均压环的带电接入结构，抑制过电压、过电流，并使顶端的电场分布均匀，防止尖端放电。

本文采用对流经标准电容器电流积分的方案获得被测线路的电压值，据厂家出厂检验报告，标准电容器相关参数为：额定电压：220 kV，额定容量：20 pF，准确度：0.02，年稳定度：±0.02/年，电压系数：1.2×10-5，温度系数：30 ppm/℃，符合相关规程及校验系统准确度的要求。

2.2 安全性仿真分析

采用EMTP-ATP软件对带电校验系统接入的安全性建模。以220 kV三相电源、300 km的架空线及100 MVA变压器系统，电容器为20 pF，假定燃弧和熄弧过程在2 s内完成，分别以无阻尼电阻和1 MΩ阻尼电阻作为装置接入电力系统的模型，带电校验装置接入电力系统模型如图6所示。

图6 带电校验装置接入电力系统模型Fig.6 Model of on-site calibration device accessing the power system

2.2.1 对带电校验系统的安全性分析

接入过程中，若无阻尼电阻，流经标准电容器电流如图7所示，电容器两端电压如图8所示。

图7 标准电容器电流Fig.7 Current of the standard capacitor

图8 标准电容器两端电压（无阻尼）Fig.8 Voltage of the standard capacitor（undanped）

接入1 MΩ阻尼电阻时，阻尼电阻两端电压如图9所示，流经标准电容器电流如图10所示。

图9 阻尼电阻两端电压Fig.9 Current of the damping resistance

图10 标准电容器电流（1 MΩ）Fig.10 Voltage of the standard capacitor（1 MΩ）

在不使用阻尼电阻的情况下，流经电容器电流将达到安培级别，有可能造成标准电容器损坏。电容器两端电压峰值可达到500 kV，存在短暂的过电压。接入阻尼电阻后，暂态下电容器两端电压波形如图11所示，从图中可以看出，在燃弧过程中存在波形畸变，完成接入后波形回复正常，未出现明显过电压问题。

图11 暂态下电容器两端电压波形Fig.11 Transient voltage waveform of the standard capacitor

阻尼电阻的存在抑制了通过标准电容器电流，降低接入过程的损害，从而对标准电容器起到很重要的保护作用。

2.2.2 对带电校验系统的安全性分析

接入过程中，线路A相电压如图12所示，由图可知，在接入过程中，系统未出现明显过电压过程，不会对系统安全造成影响。

图12 220 kV输电线路A相电压Fig.12 A phase voltage of 220 kV transmission line

3 试验结果

为了验证系统的安全性与准确性，在220 kV高压实验室进行了测试，测试结果如图13所示，一次电压从20%额定电压升高至120%额定电压，电压互感器的比差变化范围为-0.01%～0.04%，角差的变化范围为 -1.2′～0.4′分之内。

为了验证该电子式电压互感器带电校验系统现场测试的可靠性，需要研究接线位置和升降装置上升过程对标准电压互感器的准确度有无影响。

通过改变一次导线的接入位置，分别测试该校验系统的准确度，结果如图14所示。

图13 电压互感器测试结果Fig.13 Test results of voltage transformer

图14 改变一次接线位置测试结果Fig.14 Test result of changing the primary connection position

通过在上升过程的不同位置，分别测试该校验系统的准确度，结果如图15所示。

图15 升高升降装置后测试结果Fig.15 Test results after lifting the lifting device

由测试结果可知，改变接线位置和升降装置其比差均小于0.05%，角差均小于2′，对于标准电压互感器的准确度没有影响，设计的标准电压互感器可以作为现场校验系统标准互感器，用于变电站0.2级的电子式电压互感器现场校验。

本文220 kV电子式电压互感器带电校验装置如图16所示。

图16 电子式电压互感器带电校验装置Fig.16 On-site calibration device of EVT

4 结束语

针对目前电子式电压互感器带电校验研究现状，提出了一种采用电容标准器全绝缘举升接入方式的220 kV电子式电压互感器带电校验方法，有效降低了校验过程中带电接入的安全风险。

针对要适应现场复杂负荷条件下的频率波动、噪声等问题，提出一种自适应全相位DFT电参量提取新算法，取得了良好的效果，试验表明，系统准确度满足0.2级电子式互感器带电校验要求。

互感器带电校验方式可以降低运维成本、及时发现互感器的故障，具有广阔的应用前景。本文的研究内容为电子式电压互感器带电校验技术的应用和发展奠定了基础。