諧波阻抗測量裝置的制作方法

專利名稱：：諧波阻抗測量裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種諧波阻抗測量裝置，屬于電能質量控制及治理、電能質量測量方法及裝置領域。
背景技術：
：諧波阻抗是電力生產中一個極為重要的參數，無論是設計電力濾波器，還是評估干擾負荷產生的諧波水平，系統諧波阻抗是最基本的基礎參數；采用諧波潮流計算軟件對系統網絡進行頻率掃描，得出諧波阻抗是常用方法，但由于網絡高頻參數難以獲取；此外，系統的三相幾何參數不完全對稱、各相之間及對地電容等參數對計算結果精確度影響很大，使得計算結果偏差很大。因此實測是獲取系統諧波阻抗的有效手段。但迄今為止諧波阻抗測量仍然缺乏有效、實用的方法及裝置，成為電力生產中的難題之一。“增量法”是一種較為可行的測量方法，該方法的通過測量干擾負荷的諧波電流及電壓增量計算出系統或負荷的諧波阻抗。圖1中，從PCC點向系統看進去的系統諧波阻抗為Zsh，該點的諧波電壓、電流滿足關系Esh=Uh+ZshIh(1)使畸變負荷的大小發生變化，即產生一個擾動，PCC點的h次諧波電壓、電流將從變化前采樣窗口c的穴=Uc^cuhJch=Γ,ΖφΙ，變為采樣窗口a的穴=UahZ<pauhJah=Γ,ΔφΙ(圖2中b為擾動過渡過程窗口)，而系統諧波阻抗Zsh和背景諧波電壓t基本維持不變，如下式Esh=Wfl+ZjchEsh=Wh+ZshIah由⑵式可得系統的諧波阻抗Zsh臭hο)η-ηδ/αMhZh9ih應用上式時，假定不同時間的諧波電壓和電流向量均參照于同一個相位恒定的電壓向量。由于該參照向量與系統頻率緊密相關，當頻率發生變化時，的相位會發生變化，從而引入較大的測量誤差。而電力系統的頻率總是在一定范圍內波動的，因此如何消除頻率變化引入的誤差是該方法能否滿足工程要求的關鍵。由圖2可見，任何頻率測量誤差將使采樣窗口C、a的電壓、電流向量之間的相角產生偏差，從而使電壓和電流增量AUh、AIh產生較大的偏差。即該方法存在如下問題(1)擾動產生前后，信號采樣必須具有共同恒定的參考相位外，才能測出變化前后電壓、電流的諧波相角。但負荷阻抗變化會引起公共連接點(PCC)電壓的相角隊變化；(2)外隨系統頻率&變化，因此外須能跟蹤&的變化。(3)增量產生前后，采樣頻率必須跟蹤&的變化，即必須與系統頻率&同步，否則頻率偏差Δf0將引起較大的同步誤差。現有“增量法”沒有為不同時間的諧波電壓和電流向量設置一個相位隨頻率波動可保持恒定的電壓向量作為參考向量，致使當頻率發生變化時，參考向量的相位會發生變化，從而引入較大的測量誤差。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種諧波阻抗測量裝置，根據“增量法”的測量原理及所存在的問題，本實用新型提出“雙同步增量法”旨在解決系統頻率變化引入的誤差問題，提高測量精度，使之滿足工程要求。本實用新型的技術方案是一種諧波阻抗測量裝置，包括電壓互感器，電流互感器，低通濾波器，電壓、電流程控放大器，模/數轉換器，MCU或DSP控制器，顯示操作接口依次電連接；其特征在于還包括采樣頻率與系統頻率同步電路和相位與系統周期同步電路，采樣頻率與系統頻率同步電路包括限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路、N分頻器和同步采樣脈沖回路；限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路和N分頻器依次電連接，過零點檢測電路與MCU或DSP控制器連接，同步采樣脈沖回路與鎖相倍頻回路、MCU或DSP控制器分別連接；相位與系統周期同步電路包括放大電路a、一階低通濾波器、二階高通濾波器、相位調整電路、放大電路b和信號過零點檢測電路依次電連接。本實用新型的一種諧波阻抗測量裝置，所采用的方法是為獲取擾動產生前后參考相位，引入上一級或相鄰母線的電壓信號(>作為參考向量，以該點電壓信號的過零點作為擾動前后采樣的起始點，即以該電壓信號作為擾動前后采樣窗口c、a的采樣參考相位；其特征在于參考相位與系統周期Ttl同步，以解決參考相位隨頻率變化而漂移的問題，使c、a兩個采樣窗口之間的時間間隔&。為系統周期即同步信號Ttl的整數倍，取同步信號的過零點作為參考相位或采樣起始點；通過硬件鎖相倍頻回路，跟蹤系統頻率的變化，采樣頻率則由鎖相倍頻回路產生，使采樣頻率與系統頻率同步。本實用新型裝置所用的諧波阻抗測量方法，依次包括如下步驟開始，初始化，同步信號過零點檢測、同步信號過零點時刻到，進入采樣窗口c，采樣M個周波、擾動產生命令信號、延時P個周期、同步信號過零點檢測、同步信號過零點時刻到，進入采樣窗口a，采樣M個周波、計算采樣窗口c的三相電壓、電流各次諧波向量，計算采樣窗口a的三相電壓、電流各次諧波向量；由采樣窗口c、a三相電壓、電流諧波向量計算諧波增量及諧波阻抗，諧波阻抗測量結果存儲、顯示及上傳，結束。本實用新型的工作原理是為獲取擾動產生前后參考相位，引入上一級或相鄰母線的電壓信號&作為參考向量，以該點電壓信號的過零點作為擾動前后采樣的起始點，即以該電壓信號作為擾動前后采樣窗口c、a的采樣參考相位，而該參考相位必須與系統周期T0同步、采樣頻率必須與系統頻率同步，即所謂“雙同步增量法”。本實用新型主要解決了如下問題。1)消除參考相位漂移引入的誤差φ:、祝及‘、蛇均以>的相角隊作為參考相位隊=2私,，由圖2可見，采樣窗口c、a的參考相位分別為禮=2忒~及禮=2<。ia。對電壓(電流類似)△φuh=(φai-φauh)-(φci-φcuh).顯然若f0a≠f0c、ta≠tc，則φcu≠φau:；因此系統頻率波動會引起參考相位△φu發生△φuh的變化△φuh=2tn△f/f0例如△f=0.01HZ,△φuh=0.02513,(弧度)；一般φuh很小，以弧度表示可近似為Δφuh+j△φuh，諧波阻抗測量誤差△Zsh/Zsh=j△uh/△φuh/Eshh(4)由(4)式可見，參考相位偏移會引起極大的測量誤差。各次諧波的AZslZZsJiP^1的變化曲線示于圖3。圖3中從上到下的各直線分別對應h=17、h=15、h=13、h=11、h=7、h=5、h=3*h=l。可見諧波次數越高，誤差越大。她(Puh=0.02,AUh/Eshh=2%,ΔIJlsh^13%(h=11)。2)消除頻率變化引入的誤差一般利用離散傅立葉變換(DFT)先計算出各次諧波電壓、電流的增量矢量，再由(6)式計算諧波阻抗。若電網頻率為=1/T0)，由于頻率波動，采樣頻率&不能精確跟蹤fo的變化則會引起諧波幅值測量誤差△Ch/Ch=nπΔΤ0/Τ0|(5)其中，ΔCh/Ch為h次諧波幅值的相對誤差，ΔCh/Ch與頻率偏差ΔTtl=1/ΔfQ及h成正比。例如ΔΤ0/Τ0=0.64%，對5次諧波ΔC5ZC5^10%；因此若f^不能精確跟蹤f0的變化，對諧波阻抗的測量精度影響很大。本實用新型的核心是“雙同步增量法”，參考相位引入上一級或相鄰母線的電壓信號僅是一種輔助手段，并非必要。本實用新型的有益效果是通過本實用新型提出的“雙同步增量法”，解決了“增量法”中由基準參考相位及系統頻率波動等引起的誤差問題；裝置原理簡單、易于實施；所提方法及測量裝置達到工程實用水平，可有效解決了電力生產中的諧波阻抗測量難題。圖1為“增量法”諧波等值電路示意圖。圖2為“增量法”采樣窗口示意圖。圖3為“增量法”各次諧波的ΔZJZsh隨的變化曲線。圖4為本實用新型實施例諧波阻抗測量裝置原理圖。圖5為本實用新型實施例同步信號波形圖。圖6為本實用新型實施例相位與系統周期同步電路原理圖。圖7為本實用新型實施例采樣頻率與系統頻率同步電路原理圖。圖8為本實用新型實施例工作流程示意圖。圖9為本實用新型實施例1試驗系統示意圖。圖10為本實用新型實施例1的Zh=f(h)曲線示意圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。[0037]圖4中標記的說明1_電壓互感器(TV)，2_電流互感器(TA)，3-低通濾波器，4-程控放大器，5-六路模/數轉換器，6-MCU或DSP控制器，7-顯示操作接口，8-限幅放大器，9-帶通濾波器，10-過零點檢測電路，11-鎖相倍頻回路，12-N分頻器，13-同步采樣脈沖回路。圖6中標記的說明14_放大電路a，15-一階低通濾波器，16-二階高通濾波器，17-相位調整電路，18-放大電路b。圖9中標記的說明19_10kV母線，20_400kV母線，21-六脈沖整流器，22-電阻負荷，23-諧波阻抗測量裝置。本實用新型實施例諧波阻抗測量裝置組成原理示于附圖4三相電流、電流信號經過精密電壓TVl、電流TA2衰減調理后進入低通濾波器3，濾除高于采樣截止頻率的分量；再經六路程控放大器4放大至接近模/數轉換器A/D的滿度輸入，然后進入六路模/數轉換器5將模擬信號轉換成數字信號；A/D啟動轉換由同步信號的過零點控制(附圖5)，在fi的控制下六路模/數轉換器5同時采集，確保三相電壓、電流信號無延時同步采樣。在窗口c到來時刻，由同步信號的過零點啟動A/D開始采集三相電壓、電流信號M個周波；隨之測量儀器發出產生擾動命令，并延時P個周波，以避開被測點的電壓波動；延時時刻到，測量儀器再次在同步信號的過零點啟動A/D采集三相電壓、電流信號M個周波(附圖5)。本實用新型實施例諧波阻抗方法提出同步之一，是使參考相位與系統周期Ttl同步，以解決參考相位隨頻率變化而漂移的問題。使c、a兩個采樣窗口之間的時間間隔ta。為系統周期(同步信號)Ttl的整數倍，取同步信號的過零點作為參考相位(采樣起始點)。即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0044]式中P≥1，一般取1020。如此，即使系統頻率fQ變化，但每個工頻周期Ttl的電角度均為2π，使ta。=PX(2π)XTtl,由正弦函數的周期性<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(7)由上式可見，如此可確保系統頻率波動前后具有同一參考相位外。相位與系統周期同步產生回路示于附圖6。由如下電路組成放大電路al4，一階低通濾波器15，二階高通濾波器16，相位調整電路17，放大電路bl8和信號過零點檢測電路10依次電連接。本實用新型實施例諧波阻抗方法提出同步之二，通過硬件鎖相倍頻回路11，跟蹤系統頻率變化，采樣頻率由鎖相倍頻回路11產生，使采樣頻率fi與跟蹤系統頻率&的變化。解決系統頻率fo變化引起的“泄漏效應”引入的誤差，即使A/D的采樣頻率fi與系統頻率f0同步<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0050]上式中N為每周期的采樣點數，M為采用窗口寬度。當系統頻率&變化時，每個采樣點的采樣周期τi=1/f,隨&的變化自動調節采樣周期τi=T0/N的大小，確保在一個采樣窗口內的采樣數據為系統周期的整數倍。采樣頻率&與系統頻率&同步產生回路示于附圖7，由如下電路組成限幅放大器8，帶通濾波器9，過零點檢測電路10，鎖相倍頻回路11，N分頻器12和同步采樣脈沖回路13；限幅放大器8、帶通濾波器9、過零點檢測電路10、鎖相倍頻回路11和N分頻器12依次電連接，過零點檢測電路10與MCU或DSP控制器6連接，同步采樣脈沖回路13與鎖相倍頻回路11、MCU或DSP控制器6分別連接；本實用新型實施例諧波阻抗方法實施流程圖示于附圖8，其步驟依次包括開始，初始化，同步信號過零點檢測、同步信號過零點時刻到，進入采樣窗口c，采樣M個周波、擾動產生命令信號、延時P個周期、同步信號過零點檢測、同步信號過零點時刻到，進入采樣窗口a，采樣M個周波、計算采樣窗口c的三相電壓、電流的各次諧波向量，計算采樣窗口a的三相電壓、電流各次諧波向量；由采樣窗口c、a三相電壓、電流的各次諧波向量計算各次諧波向量增量及各次諧波的阻抗，諧波阻抗測量結果存儲、顯示及上傳，結束。實施例1實驗系統示于附圖9。IOkV母線19的短路容量為319MVA；變壓器容量為315kVA，阻抗電壓為4.2%；400kV母線20的基波阻抗為0.008+j0.023(Ω)。干擾源為六脈沖整流器21，直流電阻負荷22為2臺大功率電阻器(100kVA/5Q/臺)。利用該系統進行實測試驗，以檢驗“雙同步增量法”及諧波阻抗測量裝置23。同步信號取該IlOkV變電站的照明配電變壓器220V側電壓信號。試驗時先投入一臺電阻器，隨后投入第二臺電阻器，用以產生擾動量，即產生諧波電壓、電流增量，分別提取擾動前后的諧波電壓、電流信號，由(3)式計算出系統的各次諧波阻抗。由于六脈沖整流器21的特征諧波為6k士1次，系統中其它次數的諧波含量很小，測量結果只對6k士1次諧波有效。共測量5次，三相5次測量結果的平均值列于附表1，Zh=f(h)曲線繪于圖10。在17內，5次測量結果基本一致；17次以上諧波電壓增量很小，故5次測量結果分散性較大；電阻部分亦如此。由于該系統的諧波阻抗主要由變壓器阻抗決定，因此Zh與h基本成線性關系。附表1諧波阻抗測量結果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權利要求一種諧波阻抗測量裝置，包括電壓互感器，電流互感器，低通濾波器，電壓、電流程控放大器，模/數轉換器，MCU或DSP控制器，顯示操作接口依次電連接；其特征在于還包括采樣頻率與系統頻率同步電路和相位與系統周期同步電路，采樣頻率與系統頻率同步電路包括限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路、N分頻器和同步采樣脈沖回路；限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路和N分頻器依次電連接，過零點檢測電路與MCU或DSP控制器連接，同步采樣脈沖回路與鎖相倍頻回路、MCU或DSP控制器分別連接；相位與系統周期同步電路包括放大電路a、一階低通濾波器、二階高通濾波器、相位調整電路、放大電路b和信號過零點檢測電路依次電連接。專利摘要諧波阻抗測量裝置，包括電壓互感器，電流互感器，低通濾波器，電壓、電流程控放大器，模/數轉換器，MCU或DSP控制器，顯示操作接口依次電連接；其特征在于還包括采樣頻率與系統頻率同步電路和相位與系統周期同步電路，采樣頻率與系統頻率同步電路包括限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路、N分頻器和同步采樣脈沖回路；限幅放大器、帶通濾波器、過零點檢測電路、鎖相倍頻回路和N分頻器依次電連接，過零點檢測電路與MCU或DSP控制器連接，同步采樣脈沖回路與鎖相倍頻回路、MCU或DSP控制器分別連接；相位與系統周期同步電路包括放大電路a、一階低通濾波器、二階高通濾波器、相位調整電路、放大電路b和信號過零點檢測電路依次電連接。本裝置原理簡單、易于實施；達到工程實用水平，解決了電力生產中的諧波阻抗測量難題。文檔編號G01R27/14GK201569704SQ20092027381公開日2010年9月1日申請日期2009年11月25日優先權日2009年11月25日發明者馮宇,左文霞,李澍森,石延輝,程軍照,肖遙,陳曉燕申請人:國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司