电力系统测量方法-插值法的电容式电压互感器谐波电压测量方法

［全］电力系统测量方法-插值法的电容式电压互感器谐波电

压测量方法

电容式电压互感器(CVT—CapacitorVoltageTransformer)

以其独特的优点在电力系统获得了越来越多的应用。但是，

由于其工作原理的特殊性，国家标准GB/T14549—1993

《电能质量公用电网谐波》明确规定CVT不能用于谐波测量,

而随着非线性负荷的日益增加，对于谐波电压的测量已成为

电力行业确保安稳运行所必需的一项要求，形势的发展导致

了对谐波电压精准测量的需要。

现有技术中有通过设计一种包括谐波产生、高压产生、准确

值输出、被测CVT输出、数据处理和结果输出等几个主要部

分的谐波测量误差修正装置，通过对各台具体的CVT设备进

行谐波传递特性的实验后，利用实测的谐波传变特性曲线实

现对谐波测量的校正。该装置虽然能实现对谐波测量的精确

校正，但存在必须对每台CVT设备分别校正，工作量大的问

题，实际应用困难重重，具有成本高、效率低、速度慢等不

足

现有技术中还有在传统的电容式电压互感器的基础之上，在

低压端加装电容分压器作为谐波测量的测量元件的方法实

现对谐波电压信号的分析测量。该方法一个固有缺陷是必须

对CVT进行改造,从理论上来说是对CVT测量原理的颠覆

性改变，有些类似于电子式互感器的工作原理，其制造、设

计成本将完全不再具有CVT的特点，并且,由于在CVT的

内部增加了新的元器件，其安全性难以评估和预测，可以说

是不适于对现有CVT应用的改造的存在结构复杂、成本高、

有可靠性隐患等缺陷。

现有技术中还有通过在CVT的内部增加两个电流传感器利

用数据采集卡分别采集流过CVT高压电容C1、低压电容C2

的电流信号；再通过谐波分析程序对采集到的电流信号进行

谐波分析后，利用电流与电压之间的相互关系计算，从而得

到CVT电网侧电压谐波的情况。

现有技术中还有根据预设模型的等效电路元件参数进行拟

合，得到变比幅频响应曲线和相频响应特性曲线，然后对其

他型号的不同等效电路元件参数基于拟合结果采用平移等

方式调整曲线，实现校正。该方法对CVT制造时的结构参数

（即：高压电容C1、中压电容C2和分压比k参数）的差异性

引起的传变特性变化（如图1和图2所示）的实际处理的可操

作性考虑的较少，而且，对于杂散电容的影响考虑的不够充

分；并且，理论分析和计算机仿真研究表明，CVT的等效电

路元件参数随温度变化的特点虽然对于基波的传递特性影

响较小，但对于谐波信号的传变影响很大，不考虑温度影响

的谐波测量校正方法在实际具体应用时会引起较大的温服

附加误差，图3给出了考虑元件参数随温度变化的因素后,

部分次数的谐波的传感变比和相差的变化情况，可见，温度

对CVT谐波电压测量精度的影响极大，谐波次数越高，受影

响情况越严重，因此，在CVT谐波电压精准测量方法的研究

中，必须考虑温度对测量结果的影响问题。

问题拆分

该方法利用曲线拟合的方法，在离线条件下获得不同参数组

合条件下的数学插值计算方程，再针为具体的CVT装置，采

用人机对话的方式将其铭牌参数（实际参数）输入到谐波校正

装置，利用该数学插值计算方程获得任意参数在常温条件下

的网络传递函数，即获得针对具体参数下常温时下的CVT

幅频曲线和相频曲线；然后，利用温度传感器所测得的CVT

运行环境温度，通过在离线条件下获得的因温度变化引起的

等效电路参数偏移量的计算获得CVT幅频曲线和相频曲线

随温度变化的修正曲线，实现对CVT谐波含量的精确修正测

量。

101WC1C2―•-1O2HC1C2--------W7KC1C2--------104Mle21O5HC1C2

图2

S1:根据电容式电压互感器的等效电路模型，计算获得不同

主电容参数值组合情况下满足基波测量精准度要求的等效

电路结构参数；

S2:由S1中得到的等效电路结构参数,离线计算不同主电

容值组合下电容式电压互感器在常温下的各次谐波的网络

传递函数校正系数，即：相对于由二次侧输出获得的基本幅

频响应曲线和相频响应曲线的校正系数；

S3:考虑电容式电压互感器结构参数因制造时参数的差异性,

由其铭牌参数利用二维线性插值的方法得到实际待校正电

容式电压互感器在常温下在不同结构参数组合及不同温度

下各次谐波电压的传递特性的校正系数，进而由二次侧输出

信号的快速傅立叶变换结果得到常温下一次侧各次谐波电

压信号的校正值；

S4:通过温度的测量，利用一维线性插值的方法实现在不同

温度条件下对电压谐波的精准校正测量；

所述步骤S1的具体过程是：

根据电容式电压互感器生产的规范标准GB/T4703-2001

要求电容分压器应符合耦合电容器及电容分压器标准JB/T

8169-1999的规定：在电容分压器分压电容单元的选择时,

任何一个串联电容器单元的实测值与标称值之差应不超过

标称值的-5%~+10%,且相串联的任意两电容器单元实测

电容值的比值与这两单元的额定电容之比值之差应不大于

后一比值的5%,确定电容式电压互感器的高压电容C1和

中压电容C2的变化范围；并在这个变化范围内将C1和C2

分别用等差数列的形式形成数列，以组合的方式划分成不同

的C1和C2的组合；

在保证基波传变精度的前提下，由上述已知的高压电容CL

中压电容C2的各个组合，利用电容式电压互感器在基波条

件下是处于谐振测量状态的原理，计算得到中间电抗器的理

论电感值LS,并考虑到电容式电压互感器的生产制造特点,

将1.005LS设置为补偿电抗器的作为实际电感值参数；杂散

电容、阻尼回路和负载参数均按常规和额定运行参数设置;

从而获得在不同具体参数下的电容式电压互感器的等效电

路模型。

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温度<x>

图3

进一步地，所述步骤S2的具体过程是：

根据所述的C1和C2的组合，通过步骤S1中得到的参数配

置，利用仿真方法离线计算电容式电压互感器不同主电容值

参数组合在常温标称参数条件下，各次谐波传变相对于基本

变比-频率响应曲线和相移-频率响应曲线的校正系数，通过

曲线拟合的方法获得各次谐波在不同参数组合条件下的频

率响应校正系数曲面图。

进一步地，步骤S3中考虑电容式电压互感器结构参数因制

造时参数的差异性，得到实际待校正电容式电压互感器在常

温下各次谐波电压的传递特性校正系数的过程是：

1)、根据电容式电压互感器的铭牌参数额定电容C1和实测

分压比k,由计算公式：和C2=kCN,计算出电容式电压互

感器的高压电容C1和中压电容C2;

2)、在给定参数条件下，利用二维线性插值的方法计算获得

各次谐波电压的传变变比值kh和相位偏移值的值假设C1、

C2的实际值落在由(CM1),C2⑴,khl)、(Cl(2),C2(l),kh2)、

(C1(1),C2⑵,kh3)、(Cl⑵,C2⑵,kh4)构成的计算空间,其

中，第h次谐波在取值范围四个顶点的电压的传变变比值用

khi表示，第h次谐波在取值范围四个顶点的相位偏移用表

示，则kh、的计算公式为：

其中，

3)、由电容式电压互感器二次侧输出的采样值，利用快速傅

里叶变换及其校正插值算法计算获得一次侧经电容式电压

互感器(CVT)传变后的二次侧输出的各次谐波的幅值U