高壓核相研究綜述

國網山東省電力公司臨沂供電公司 劉學強

濟南大學自動化與電氣工程學院 儲銀賀 楊海濤

臨沂大學 劉懷強 何麗萍

高壓核相研究綜述

國網山東省電力公司臨沂供電公司 劉學強

濟南大學自動化與電氣工程學院 儲銀賀 楊海濤

臨沂大學 劉懷強 何麗萍

分析了現有高壓核相方式，對直接核相與間接核相的操作方式以及優劣進行了評價。對包括過零點檢測法、波形變換法、離散傅里葉算法和相關分析法在內的四種常用高壓核相算法進行了研究，描述了各種算法的不同、優點和不足。最后對未來高壓核相儀的研究方向提出了一些建議。

高壓核相；核相方式；核相算法

0 引言

隨著人們對電力需求日益增長，對電能質量也有了很高的要求，為了避免事故的發生，為用戶提供優質的電能，在各網并網之前一定要進行相序測試，保證相位相序相同之后才能并網，這對保障系統安全性、穩定性和可靠性至關重要[1]。未經核相或核相錯誤，將會導致電力系統的惡性事故發生，造成設備損壞，甚至電力系統的崩潰[2]。而高壓核相作為電網生產運行中一項重要的基礎性工作，在電力系統的實際運行中經常需要進行。因此提高核相的效率、減少人力資源的浪費、提高工作的安全性具有非常重要的意義。

本文旨在對近年來高壓核相儀的研究現狀和成果進行綜述，從核相方式和核相算法兩個角度分別闡述、評價了現有高壓核相儀的優缺點。并對未來高壓核相儀可能的研究方向進行了展望。

1 電力系統核相方法

多年來，電力系統廣泛采用2種傳統相位核定方法：直接核定法和間接核定法[3]。

直接核定法一般適用于110kV及以下電壓等級[1]，采用有線方式進行核相工作，工作時直接將核相裝置放在待測端和參考端的高壓電力線路上。進行核相操作時裝置直接與高壓電力線路接觸，對工作人員的人身安全有很大的威脅，另外直接核相工作時需要的操作人員相對較多，如果核相時操作人員配合不當，就會發生危險[4]。

間接核定法是通過萬用表測量設備或母線電壓互感器輸出電壓完成。二次核相工作一般需要三個工作人員完成，一人監護，一人持萬用表記錄，一人操作將萬用表測量針接觸對應線端子排上。使用二次核相方法進行核相操作時，需要該操作員熟悉電壓二次接線及回路[5]。若電壓互感器一次或二次回路接線錯誤，進行核相這項工作將會得到錯誤的結果。另外二次核相需要在帶電運行的設備的端子排上進行，增加了誤碰誤跳運行設備的風險，核相成為變電站安全運行的隱患[6]。

2 高壓核相算法

2.1 過零點檢測法

過零點檢測法是一種比較直觀的相角測量方法，可以測量電力線路電壓的頻率和相位[7]。過零點檢測的原理：通過檢測相同頻率交流電電壓信號的過零點，將兩個過零點的時間差值換算為相位差值，就可以得到兩個交流信號的相位差。

過零點檢測法的原理圖如圖1所示。

圖1 過零點檢測法原理圖

設參考端電壓信號為：

待測端電壓信號為：

參考端過零點的時刻為t1，待測端過零點的時刻為t2，T為正弦信號的周期，兩個正弦信號的過零點時間差值為，相位差值為：

過零點檢測法不僅可以計算出兩正弦信號的相位差值，也可以計算出相序的關系，根據計算相位差值為120°或240°，可以判斷出相位超前或滯后，檢測出相序的關系。

2.2 波形變換法

波形變換法的原理是首先將兩個正弦電壓信號通過波形變換成為矩形波，然后進行異或處理，得到的脈沖寬度就對應相位差值[8]。波形變換法相位檢測原理圖如圖2所示。

圖2 波形變換法原理圖

電網中的諧波可以直接通過濾波電路濾除，不需要編寫復雜的算法實現，可以提高系統的測量的速度。根據脈沖延遲時間可以求出相差時間，T為正弦信號的周期，根據，可以求出相位差值。

2.3 離散傅里葉算法

經過互感器得到的電壓信號是一個正弦信號，通過模數轉換采取離序列為u(k)，假設對正弦信號的采樣次數為N，則k的取值為。采樣信號的時域表示為u(t)，按照離散傅立葉變換求出的基波分量頻譜為[9]：

參考端信號[{{u}_{1}}left( t ight)]和待測端信號u2(t)同時進行采樣，設u1(t)和u2(t)經過離散傅立葉變換的基波分量分別為：

式中a1是參考端電壓基頻分量在復平面上的實部，b1參考端電壓基頻分量在復平面上的虛部，a2、b2分別是待測端電壓基頻分量在復平面上的實部和虛部。

將U1(1)和U2(1)兩式相比可以得出：

可以求出參考端信號u1(t)和待測端信號u2(t)之間的相位差φ為：

基于離散傅立葉算法相位差測量，原理簡單，能夠消除影響結果的直流分量和高次諧波，但是每個周期需要采集樣本的數量較多時計算量大，離散傅立葉算法部分軟件復雜，計算量大，并且對模數轉換模塊性能要求較高，采樣必須在同一個周期內，容易出現混疊現象、柵欄和截斷效應。由于其計算量較大，因此實時性不如過零點檢測法。

2.4 相關分析法

兩個頻率相同的正弦信號的互相關函數過零點時刻值與兩個正弦信號相位差的余弦成正比[10]，相關分析法根據這一原理，求得兩正弦信號的相位差。

設參考端信號為u1，待測端信號為u2，表達式如下：

A、B分別為u1、u2的幅值，對u1、u2進行如下運算：

兩個正弦信號的相位差值φ的計算公式如下：

在實際計算時，采集的信號是離散點序列，相應離散計算公式為：

上式中K為采樣點數，式(10)-式（15）中幅值A、B的值如下：

通過信號u1(t)、u2(t)的自相關互相關函數的計算，可以得出兩個正弦信號的相位差。

相關分析法根據有效信號與噪聲信號相關性小的特點，可以有效的抑制噪聲的干擾，在理論上是相位檢測求取相位差的最佳選擇。

3 分析與討論

通過對傳統高壓核相方式的分析得出，直接核相精度高但安全隱患大，間接核相雖相對安全但可靠性較低。隨著電力的需求的增多，電網容量不斷增加，為使電力系統可以穩定可靠運行，研究更加安全實用的高壓核相設備就有著非凡的意義。從通信方式來看具有遠程無線功能的設備可以省去接線的困擾，更加方便快捷；從檢測方式來看可以實現非接觸檢測的設備也比以往的直接接觸設備要更加安全實用。

分析四種核相算法得出結論：過零點檢測法原理簡單，計算量小，響應速度快，但由于電壓過零點容易受到諧波的影響，容易給測量帶來誤差，另外采用器件的精度不同對結果影響也不同；波形變換法軟件部分簡單，但對硬件要求高；基于離散傅立葉算法的相位差測量以及相關分析法測量，這兩種方法的精度取決于信號采樣的點數，根據公式可以看出，隨著采樣點數增加算法復雜程度會隨之增加，另外這兩種檢測方法對電壓信號的模數轉換都提出了很高的要求。四種經典方法各有利弊，在以前由于硬件原因多選用前兩種核相算法，但隨著電子技術的發展，處理器的處理能力有著質的飛躍，模數轉換器的精度也越來越高，后兩種更加精確的檢測算法所受的制約也在慢慢減弱，運用后兩種算法的更加精準的高壓核相設備值得去研究。

4 結論

本文從高壓核相設備的核相方式以及核相算法兩個技術方面對近年來國內外研究現狀進行了總結，并提出了對未來核相設備發展方向的一些展望以供參考。

[1]蔡根,蒲正剛.一種基于單片機的相位測量方法[J].現代電子技術,2003,(05):50-51.

[2]楊學昭,任躍華,鄭河清.新型10kV高電壓相位測量儀[J].電子測量技術,2003,(03):17+19.

[3]劉子瑞,張根周,穆明建.非接觸式無線高壓核相器的研制[J].電網與清潔能源,2009,(04):16-19.

[4]陳輝,莫蘭蘭.電壓互感器的二次回路核相及接線[J].科技資訊,2011,(24):156+161.

[5]嚴文杰,吳志杭,吳劍俠.一種實用的新型單片機核相裝置[J].科技展望,2015,(07):135.

[6]黃茜.論10kV環網柜的二次側核相[J].科學之友,2010,(04):7-9.

[7]王悅.高性能同步相量測量單元(PMU)研究[D].武漢:華中科技大學,2005.

[8]陳玉輝,裘青云,連鴻波,熊正勇.基于相位差式高壓開關柜核相裝置的研究與設計[J].華東電力,2014,(05):1035-1038.

[9]謝友慧.基于GPS的相位檢測技術的研究[D].南昌:南昌大學,2009.

[10]盛春波.電力系統中相位測量的研究[D].秦皇島:燕山大學,2006.

注：本文由國網山東省電力公司科技項目資助。