一起直流換流站測(cè)控裝置測(cè)量電壓跳變實(shí)例分析

陳桂友 朱何榮 熊慕文 劉永鋼

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

測(cè)控裝置在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。測(cè)控裝置采集并上送的測(cè)量數(shù)據(jù)是狀態(tài)估計(jì)[1]、潮流分析[2]等應(yīng)用的數(shù)據(jù)來(lái)源。因此保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠具有重要意義。

1 遙測(cè)跳變現(xiàn)象

某500kV 直流換流站，運(yùn)行人員巡屏?xí)r發(fā)現(xiàn)500kV 母線電壓由532.7kV 至537.6kV 間來(lái)回跳變。

隨后現(xiàn)場(chǎng)開展測(cè)試工作，發(fā)現(xiàn)Ⅲ段和Ⅳ段母線出現(xiàn)相同現(xiàn)象。觀察測(cè)控裝置的測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)Ⅲ和Ⅳ段測(cè)量電壓有4～5kV 的跳變。而保護(hù)裝置測(cè)量的相同電壓卻無(wú)跳變。

2 問題分析及排查

該現(xiàn)象表現(xiàn)為測(cè)控裝置測(cè)量電壓跳變，而測(cè)量相同電壓的保護(hù)裝置未出現(xiàn)此情況。測(cè)控裝置和保護(hù)裝置的不同點(diǎn)在于：測(cè)控裝置測(cè)量電壓的全波有效值，是包含基波和各次諧波的總有效值。而保護(hù)裝置測(cè)量的僅僅是基波的有效值。結(jié)合此情況懷疑是因?yàn)榇嬖谥C波而導(dǎo)致了測(cè)控裝置測(cè)量電壓跳變。查看測(cè)控裝置上電壓諧波的測(cè)量值。發(fā)現(xiàn)確實(shí)有諧波電壓分量，而且諧波分量也存在跳變現(xiàn)象。因此懷疑是因?yàn)橹C波值的跳變，而導(dǎo)致最終的全波有效值的跳變。因?yàn)楸菊舅玫臏y(cè)控裝置雖然上送的是全波有效值，但是裝置本身也會(huì)計(jì)算基波有效值。如果是因?yàn)橹C波有效值的跳變引起全波有效值的跳變，則測(cè)控裝置測(cè)量的基波有效值應(yīng)該和保護(hù)裝置測(cè)量的基波有效值一樣保持穩(wěn)定。查看測(cè)控裝置發(fā)現(xiàn)，其測(cè)量的基波有效值也在跳變。這說(shuō)明測(cè)量電壓的跳變不是因?yàn)橹C波幅值跳變引起的。

為了分析測(cè)量值跳變?cè)?，先要了解電壓輸入波形的情況。使用錄波裝置對(duì)電壓進(jìn)行錄波。經(jīng)分析，電壓諧波含量如圖1所示。其中5 次、11 次、13 次、25 次和47 次諧波含量較大。因?yàn)檎Ｇ闆r下測(cè)控裝置可以測(cè)量2～13 次諧波，因此13 次及以下的諧波不會(huì)引起測(cè)量值跳變。

因?yàn)闇y(cè)控裝置采樣率為2.4k，即每工頻周期采樣48 個(gè)點(diǎn)。而47 次諧波含量較大，約為0.47%。因此懷疑是因?yàn)楫a(chǎn)生了頻率混疊而導(dǎo)致了測(cè)量電壓跳動(dòng)。而此站使用的保護(hù)裝置使用1.2k 采樣率，且采樣前端有很低的低通濾波電路，所以保護(hù)裝置測(cè)量電壓不會(huì)受47 次諧波影響而發(fā)生跳變。

圖1 電壓諧波含量

3 頻率混疊

測(cè)控裝置采樣率為2.4k，即每周波48 點(diǎn)，采樣間隔為0.416666（6 循環(huán)）ms。而數(shù)字調(diào)制電路不能使用無(wú)限循環(huán)小數(shù)作為采樣間隔，因此實(shí)際采樣間隔為0.416650ms，即采樣頻率為2400.096Hz。47次諧波的頻率為2350Hz。此時(shí)采樣頻率小于2 倍的47 次諧波頻率。根據(jù)采樣原理，47 次諧波經(jīng)離散采樣后的波形頻率不再是2350Hz。由公式（1）[3]可以計(jì)算出47 次諧波經(jīng)離散采樣后的頻率為50.096Hz。

式中，n=Int(f/SF+05)；Fa為為離散采樣后波形頻率；f為實(shí)際信號(hào)頻率，此例中為47 次諧波頻率2350Hz；SF為采樣頻率2400.096Hz；Int表示取整操作，保留小數(shù)點(diǎn)之前的數(shù)，小數(shù)點(diǎn)之后的全舍去。式（1）只有在采樣頻率小于實(shí)際頻率的兩倍時(shí)才適用。

47 次諧波經(jīng)離散采樣之后形成的波形稱為混疊波形。混疊波形的頻率為50.096Hz，和基波頻率相差0.096Hz。此頻率差會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)刻的采樣窗口中，基波和混疊波形的相位差有滑動(dòng)。如圖2所示，在采樣窗口1 中基波和混疊波形的相位相同，形成正疊加。疊加后波形的幅值會(huì)大于基波幅值。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間之后，如圖3所示在采樣窗口2 中基波和混疊波形相位相差180°，形成負(fù)疊加。疊加之后的波形的幅值小于基波幅值。因?yàn)榀B加之后波形的幅值在基波幅值上下波動(dòng)，所以最終導(dǎo)致測(cè)量電壓幅值有跳動(dòng)。

圖3 采樣窗口2 波形負(fù)疊加

49 次諧波和47 次諧波的離散采樣后的波形頻率一致，其對(duì)幅值的影響結(jié)果和47 次諧波相似。而46 次諧波的離散采樣后的波形由式（1）可計(jì)算出為100.96Hz，相當(dāng)于2 次諧波。在一個(gè)采樣窗口中，正負(fù)疊加的效果相抵消，疊加后的波形和基波相差不大。其他次諧波類似。

圖4 46 次諧波混疊波形

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。給測(cè)控裝置輸入57.74V 正弦基波電壓，再分別疊加45～51 次諧波電壓。測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上面的理論分析完全一致。47 次和49 次諧波會(huì)引起測(cè)量幅值較大的跳變，而且其他次諧波對(duì)幅值的影響很小。

表1 諧波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

5 處理措施

5.1 濾除一次電網(wǎng)中的高次諧波

文獻(xiàn)[4]中規(guī)定110kV 電網(wǎng)中電壓總諧波含量不超過2%。500kV 電網(wǎng)中的諧波含量雖然沒有規(guī)定，但也不應(yīng)超過此值。從錄波器分析的結(jié)果看，本站整體諧波含量較高。

本站交直流轉(zhuǎn)換采用的換流器為12 脈動(dòng)閥，由兩個(gè)6 脈動(dòng)閥串聯(lián)，因此交流側(cè)的特征諧波為12n±1次。為了濾除特征諧波，本換流站已在交流側(cè)配置了11/24 和11/36 兩種類型的交流濾波器，但對(duì)47次、49 次諧波沒有配置對(duì)應(yīng)的濾波器。通常認(rèn)為諧波次數(shù)越高，則諧波含量越低。但從波形分析來(lái)看，本站47 次、49 次諧波含量偏多。從諧波污染源頭治理的原則考慮，應(yīng)增加交流濾波器（例如HP3 濾波器）或通過調(diào)整現(xiàn)有交流濾波器參數(shù)，從源頭濾除高次諧波。

5.2 測(cè)控裝置選擇適中的低通濾波參數(shù)

本站是因?yàn)?7 次諧波進(jìn)入了測(cè)控裝置采樣回路，導(dǎo)致了采樣值波動(dòng)。因此在測(cè)控裝置的采樣回

路之前采用適中的低通濾波電路將高次諧波濾除，可以有效避免有測(cè)量效值的跳動(dòng)?？紤]到換流站在運(yùn)行中不能完全杜絕高次諧波的產(chǎn)生，因此有必要在測(cè)控裝置上采用低通濾波電路以防止因頻率混疊引起測(cè)量值跳變。文獻(xiàn)[5]規(guī)定了測(cè)控裝置測(cè)量電流、電壓的精度應(yīng)達(dá)到0.2%，且應(yīng)測(cè)量2～13 次諧波。所以應(yīng)選擇適合的低通參數(shù)，即要保證13 次及以下諧波的測(cè)量精度，也要保證47 次及以上諧波可靠濾除。

5.3 改變測(cè)控裝置的采樣頻率

因?yàn)轭l率混疊與測(cè)控裝置的采樣頻率及諧波頻率密切相關(guān)。本換流站的特征諧波為12n±1，因此只要避開此諧波頻率也可以很好的起到防止測(cè)量跳變的作用，比如采用2k 或4k 采樣率。

6 結(jié)論

本文提出了一起直流換流站測(cè)控裝置測(cè)量電壓跳變現(xiàn)象及分析處理的實(shí)例。通過現(xiàn)場(chǎng)分析，同型裝置比對(duì)，理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)是頻率混疊引起測(cè)量值跳變。同時(shí)結(jié)合理論分析給出了處理措施。隨著更多的直流輸電項(xiàng)目的建設(shè)，本文為處理相似問題積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李青芯,孫宏斌,王晶,等.變電站—調(diào)度中心兩級(jí)分布式狀態(tài)估計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(7): 44-50,91.

[2] 覃智君,侯云鶴,吳復(fù)立.大規(guī)模交直流系統(tǒng)潮流計(jì)算的實(shí)用化模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(10): 95-101.

[3] 應(yīng)懷樵,沈松,劉進(jìn)明.頻率混疊在時(shí)域和頻域現(xiàn)象中的研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2006,26(1): 1-4.

[4] GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

[5] GB/T 13729.遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備[S].