高压核相研究综述

国网山东省电力公司临沂供电公司 刘学强

济南大学自动化与电气工程学院 储银贺 杨海涛

临沂大学 刘怀强 何丽萍

高压核相研究综述

国网山东省电力公司临沂供电公司 刘学强

济南大学自动化与电气工程学院 储银贺 杨海涛

临沂大学 刘怀强 何丽萍

分析了现有高压核相方式，对直接核相与间接核相的操作方式以及优劣进行了评价。对包括过零点检测法、波形变换法、离散傅里叶算法和相关分析法在内的四种常用高压核相算法进行了研究，描述了各种算法的不同、优点和不足。最后对未来高压核相仪的研究方向提出了一些建议。

高压核相；核相方式；核相算法

0 引言

随着人们对电力需求日益增长，对电能质量也有了很高的要求，为了避免事故的发生，为用户提供优质的电能，在各网并网之前一定要进行相序测试，保证相位相序相同之后才能并网，这对保障系统安全性、稳定性和可靠性至关重要[1]。未经核相或核相错误，将会导致电力系统的恶性事故发生，造成设备损坏，甚至电力系统的崩溃[2]。而高压核相作为电网生产运行中一项重要的基础性工作，在电力系统的实际运行中经常需要进行。因此提高核相的效率、减少人力资源的浪费、提高工作的安全性具有非常重要的意义。

本文旨在对近年来高压核相仪的研究现状和成果进行综述，从核相方式和核相算法两个角度分别阐述、评价了现有高压核相仪的优缺点。并对未来高压核相仪可能的研究方向进行了展望。

1 电力系统核相方法

多年来，电力系统广泛采用2种传统相位核定方法：直接核定法和间接核定法[3]。

直接核定法一般适用于110kV及以下电压等级[1]，采用有线方式进行核相工作，工作时直接将核相装置放在待测端和参考端的高压电力线路上。进行核相操作时装置直接与高压电力线路接触，对工作人员的人身安全有很大的威胁，另外直接核相工作时需要的操作人员相对较多，如果核相时操作人员配合不当，就会发生危险[4]。

间接核定法是通过万用表测量设备或母线电压互感器输出电压完成。二次核相工作一般需要三个工作人员完成，一人监护，一人持万用表记录，一人操作将万用表测量针接触对应线端子排上。使用二次核相方法进行核相操作时，需要该操作员熟悉电压二次接线及回路[5]。若电压互感器一次或二次回路接线错误，进行核相这项工作将会得到错误的结果。另外二次核相需要在带电运行的设备的端子排上进行，增加了误碰误跳运行设备的风险，核相成为变电站安全运行的隐患[6]。

2 高压核相算法

2.1 过零点检测法

过零点检测法是一种比较直观的相角测量方法，可以测量电力线路电压的频率和相位[7]。过零点检测的原理：通过检测相同频率交流电电压信号的过零点，将两个过零点的时间差值换算为相位差值，就可以得到两个交流信号的相位差。

过零点检测法的原理图如图1所示。

图1 过零点检测法原理图

设参考端电压信号为：

待测端电压信号为：

参考端过零点的时刻为t1，待测端过零点的时刻为t2，T为正弦信号的周期，两个正弦信号的过零点时间差值为，相位差值为：

过零点检测法不仅可以计算出两正弦信号的相位差值，也可以计算出相序的关系，根据计算相位差值为120°或240°，可以判断出相位超前或滞后，检测出相序的关系。

2.2 波形变换法

波形变换法的原理是首先将两个正弦电压信号通过波形变换成为矩形波，然后进行异或处理，得到的脉冲宽度就对应相位差值[8]。波形变换法相位检测原理图如图2所示。

图2 波形变换法原理图

电网中的谐波可以直接通过滤波电路滤除，不需要编写复杂的算法实现，可以提高系统的测量的速度。根据脉冲延迟时间可以求出相差时间，T为正弦信号的周期，根据，可以求出相位差值。

2.3 离散傅里叶算法

经过互感器得到的电压信号是一个正弦信号，通过模数转换采取离序列为u(k)，假设对正弦信号的采样次数为N，则k的取值为。采样信号的时域表示为u(t)，按照离散傅立叶变换求出的基波分量频谱为[9]：

参考端信号[{{u}_{1}}left( t ight)]和待测端信号u2(t)同时进行采样，设u1(t)和u2(t)经过离散傅立叶变换的基波分量分别为：

式中a1是参考端电压基频分量在复平面上的实部，b1参考端电压基频分量在复平面上的虚部，a2、b2分别是待测端电压基频分量在复平面上的实部和虚部。

将U1(1)和U2(1)两式相比可以得出：

可以求出参考端信号u1(t)和待测端信号u2(t)之间的相位差φ为：

基于离散傅立叶算法相位差测量，原理简单，能够消除影响结果的直流分量和高次谐波，但是每个周期需要采集样本的数量较多时计算量大，离散傅立叶算法部分软件复杂，计算量大，并且对模数转换模块性能要求较高，采样必须在同一个周期内，容易出现混叠现象、栅栏和截断效应。由于其计算量较大，因此实时性不如过零点检测法。

2.4 相关分析法

两个频率相同的正弦信号的互相关函数过零点时刻值与两个正弦信号相位差的余弦成正比[10]，相关分析法根据这一原理，求得两正弦信号的相位差。

设参考端信号为u1，待测端信号为u2，表达式如下：

A、B分别为u1、u2的幅值，对u1、u2进行如下运算：

两个正弦信号的相位差值φ的计算公式如下：

在实际计算时，采集的信号是离散点序列，相应离散计算公式为：

上式中K为采样点数，式(10)-式（15）中幅值A、B的值如下：

通过信号u1(t)、u2(t)的自相关互相关函数的计算，可以得出两个正弦信号的相位差。

相关分析法根据有效信号与噪声信号相关性小的特点，可以有效的抑制噪声的干扰，在理论上是相位检测求取相位差的最佳选择。

3 分析与讨论

通过对传统高压核相方式的分析得出，直接核相精度高但安全隐患大，间接核相虽相对安全但可靠性较低。随着电力的需求的增多，电网容量不断增加，为使电力系统可以稳定可靠运行，研究更加安全实用的高压核相设备就有着非凡的意义。从通信方式来看具有远程无线功能的设备可以省去接线的困扰，更加方便快捷；从检测方式来看可以实现非接触检测的设备也比以往的直接接触设备要更加安全实用。

分析四种核相算法得出结论：过零点检测法原理简单，计算量小，响应速度快，但由于电压过零点容易受到谐波的影响，容易给测量带来误差，另外采用器件的精度不同对结果影响也不同；波形变换法软件部分简单，但对硬件要求高；基于离散傅立叶算法的相位差测量以及相关分析法测量，这两种方法的精度取决于信号采样的点数，根据公式可以看出，随着采样点数增加算法复杂程度会随之增加，另外这两种检测方法对电压信号的模数转换都提出了很高的要求。四种经典方法各有利弊，在以前由于硬件原因多选用前两种核相算法，但随着电子技术的发展，处理器的处理能力有着质的飞跃，模数转换器的精度也越来越高，后两种更加精确的检测算法所受的制约也在慢慢减弱，运用后两种算法的更加精准的高压核相设备值得去研究。

4 结论

本文从高压核相设备的核相方式以及核相算法两个技术方面对近年来国内外研究现状进行了总结，并提出了对未来核相设备发展方向的一些展望以供参考。

[1]蔡根,蒲正刚.一种基于单片机的相位测量方法[J].现代电子技术,2003,(05):50-51.

[2]杨学昭,任跃华,郑河清.新型10kV高电压相位测量仪[J].电子测量技术,2003,(03):17+19.

[3]刘子瑞,张根周,穆明建.非接触式无线高压核相器的研制[J].电网与清洁能源,2009,(04):16-19.

[4]陈辉,莫兰兰.电压互感器的二次回路核相及接线[J].科技资讯,2011,(24):156+161.

[5]严文杰,吴志杭,吴剑侠.一种实用的新型单片机核相装置[J].科技展望,2015,(07):135.

[6]黄茜.论10kV环网柜的二次侧核相[J].科学之友,2010,(04):7-9.

[7]王悦.高性能同步相量测量单元(PMU)研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[8]陈玉辉,裘青云,连鸿波,熊正勇.基于相位差式高压开关柜核相装置的研究与设计[J].华东电力,2014,(05):1035-1038.

[9]谢友慧.基于GPS的相位检测技术的研究[D].南昌:南昌大学,2009.

[10]盛春波.电力系统中相位测量的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2006.

注：本文由国网山东省电力公司科技项目资助。