光学电压互感器谐波测量影响因素及分析

王宇航,刘有为

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192)

0 引言

随着电力电子技术在电网中的应用[1-4],电网中谐波增加,对谐波测量和治理的需求日益增加。国标GB/T 14549[5]、GB/T 24337[6]中规定50 次谐波的允许测量误差最大为5%。GB/Z 17625.4[7]规定新型电力电子设备谐波测量要达到100 次谐波以上。近年来,国际上开始关注超高次谐波(Superharmonics,2～150 kHz) 的测量问题[8-10],IEC 61000-4-7[11]、IEC 61000-4-30[12]也提及超高次谐波的测量。但电网中的谐波占基波的比例较小。电磁式互感器因铁磁材料存在磁饱和现象和谐振现象,仅适用于1 kHz 以内的谐波测量[13]。电容式电压互感器由于中间变压器的存在,其谐波测量缺乏统一定量规律[14]。光学电压互感器(optical voltage transformer,OVT)频率响应范围宽、动态范围大[15],在高次谐波测量领域具有优势。但以往的研究侧重点未涉及50 次谐波[16-18],因此有必要对其高次谐波的测量性能进行分析。

1 光学电压互感器幅频特性试验及仿真

1.1 试验方法及装置

幅频特性是谐波测量性能的核心指标。为了系统研究OVT 的幅频特性,对OVT 采集单元上传的数字信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析,计算的时间窗口为0.2 s,并以3 s 内的平均值作为输出值[5-6,19]。OVT 样机传感单元结构如图1 所示。

图1 OVT 样机传感单元结构Fig.1 Sensor unit structure of OVT prototype

图1(a)是现场常用的结构模式。其中:SF6气体起分压和绝缘的作用,确保作用在锗酸铋(Bi4Ge3O12,简称BGO)晶体上的电压在线性工作范围内,且能承受各种类型的过电压。图1(b)样机主要用于和图1(a)样机作对比。图1(b)施加在传感晶体BGO 的电压是已知的,更容易校验传感晶体的工作情况。如无特殊说明,测试温度均为室温(约20 ℃)。

对于110 kV 电压等级的OVT,气体和晶体的分压比最高能达到36∶1。对于谐波分量,实际作用在晶体上的电压有可能从上百伏到几伏。由此分析可知,校验互感器的电压范围为5～200 V。

1.2 光学电压互感器的仿真模型

为了系统分析OVT 的工作情况,按照OVT 的工作原理[20-22],基于Simulink 搭建了仿真模型。

仿真模型与OVT 实际配置一致,采用的一阶滤波电路用传递函数表示为:

式中:Gf为一阶滤波器的传递函数;f为输入电压的频率。

模型的作用是抑制高频噪声混叠:作zero-orderhold 及理想16 位A/D 仿真采样量化过程。数字信号经过数学运算后获得的信号仍是数字信号,模型中的除法是针对十进制数进行的,因此需在仿真数字解调运算后引入计算产生的量化误差。对此,可利用,获得解调后对应的模拟信号,与比例系数K相乘后最终获得输出电压。

OVT 仿真模型如图2 所示。

图2 OVT 仿真模型Fig.2 Simulation model of OVT

2 试验结果及分析

2.1 高压传感单元结构对OVT 幅频特性的影响

实测图1 所示两种样机的幅频特性。有、无气-晶界面的OVT 样机幅频特性对比结果如图3 所示。

图3 OVT 样机幅频特性对比结果Fig.3 Comparison result of amplitude frequency characteristics of OVT prototype

由图3 可知,在频率为9 000 Hz 时,有气-晶界面的样机存在一个明显的台阶。这是由气-晶界面空间电荷极化引起的。空间电荷极化是一个相对缓慢的过程。随着频率的增加,电压极性反转时间缩短,空间电荷极化便来不及形成。这一现象大约造成0.6%的变比偏差,在优化设计时可以通过软件予以纠正。

2.2 量化误差对光学电压互感器幅频特性的影响

OVT 幅频特性如图4 所示。

图4 OVT 幅频特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics of OVT

由于实际的谐波电压幅值很低,为了检验OVT 对低幅值谐波电压的测量性能,对图1(b)所示无气-晶界面的OVT 样机逐步降低输入电压幅值,即如图4 所示的OVT 幅频特性。

从图4 中可以看到:当输入电压为5 V 时,输出出现明显波动,由此引起的误差高达4%。

为了找出导致这一现象的原因,应用图2 所示的仿真模型进行了研究。OVT 谐波测量特性的数字仿真结果如图5 所示。

图5 OVT 谐波测量特性的数字仿真结果Fig.5 Digital simulation results of OVT harmonic measurement characteristics

研究发现,当输入电压较小时,光强系数I0会产生波动,并导致输出结果的波动。实际OVT 采用的是超幅射发光二极管(super luminescent diode,SLD)光源,设计时要求通过“恒流+恒温”来保证光源波长和功率的稳定。但这种稳定是相对的。受控制回路精度的限制,SLD 光源的功率总会在小范围内波动[23],从而引起I0的变化。由于OVT 采用双探测器解调的方式,理论上光强的少许变化并不影响测量。但实际情况是:当输入电压幅值很低时,由于A/D 的量化误差,并不能保证双探测器的完全平衡,由此引入的误差就不能忽略。显然,如图5(b)所示,提升A/D 的位数以提升测量精度,是OVT 用于谐波测量时的优化策略之一。

2.3 噪声对谐波测量的影响

OVT 噪声来源包括光源的相对强度噪声、光电探测器的散粒噪声、光路偏振串扰引起的双折射、热噪声以及低频噪声[24-26]。

不同温度下OVT 噪声的频域分布如图6 所示。

图6 不同温度下OVT 噪声的频域分布Fig.6 Frequency-domain distribution of OVT noise at different temperatures

从图6 中可以看到,随着温度的增高,噪声整体水平变化不大,但容易出现低频“畸变”和高频“畸变”,且“畸变”的幅值会随着温度的升高而增大。这是因为温度升高改变了光学元器件的偏振态,增加了偏振串扰的影响。另外,温度还会增加载流子的热发射,导致电子元器件出现暗电流,尤其是在缺陷处。

与额定值相比,谐波幅值很小,因此噪声对谐波测量的影响不容忽视。根据研究结果,在夏季高温时段,因受噪声影响,高次谐波的测量误差可能高达8%。高频畸变的噪声信号并不在有效测量区域,低频畸变是叠加到有效测量区域的噪声量,不能用模拟滤波的方式将其滤除,而应采取数字滤波的方式将其抵消。在这里提出一个有效的数字滤波方式。OVT 的噪声具有随机性,而不同时间段噪声的频谱具有差异性。这种差异性体现在特定频率的噪声分量在不同的时间段有可能具有不同的幅值和相位。也就是说,对不同时间区域的噪声求平均值,有可能降低其噪声水平。电网中谐波分量的变化缓慢。假设谐波分量为定值,0.2 s(即10 个基波周期)为FFT 计算周期。将这个时间段采集的数据分为10 组,即每0.02 s 上传的数据串为一组列向量,记作x1,x2,...,x10,每组都包含若干谐波周期。

有、无数字滤波噪声水平对比如图7 所示。

图7 有、无数字滤波噪声水平对比Fig.7 Comparison of noise level between with and without digital filtering

2.4 多次谐波混合对谐波测量的影响

前述有关OVT 谐波测量特性的分析都是基于单次谐波。实际电压应为基波与多次谐波的混合。应用图2 仿真模型研究了多次谐波混合下OVT 的测量特性,具体混合方案如下:U1=Uf+U2H+U3H+U5H+U50H,基波Uf=UN=2 000 V,50 Hz,2 次谐波U2H=0.8%UN,3次谐波U3H=1.6%UN,5 次谐波U5H=1.6%UN,50 次谐波U50H=0.25%UN。表1 给出了单次谐波输入及混合输入下OVT 输出对比。研究表明,谐波测量存在交叉影响。产生这种现象的原因主要有:①sinθd≈θd的近似计算,施加在OVT 上的电压越高,近似计算的误差越大,主要表现为基波在频域上的泄漏;②量化误差将引起谐波分量波形的畸变,导致其在频域上的泄漏。由于基波的幅值高、能量大,其泄漏对谐波测量的影响更大。而谐波幅值低、能量小,其泄漏对谐波测量的影响可以忽略不计。经过FFT 分析,基波泄漏对3 次谐波的影响最大,在校对谐波测量精度时,不应忽视基波的影响。

表1 单次谐波输入和混合输入下OVT 输出对比Tab.1 Comparison of OVT output under single harmonic input and mixed input

3 结论

OVT 气-晶体界面存在空间电荷极化。这一现象会对OVT 的谐波测量造成一定影响,大约在9 kHz 附近分压比出现一个小的跳跃,优化设计时宜通过软件予以纠正。

与基波相比,谐波的幅值较小,对A/D 量化误差敏感,OVT 参数的微小扰动即会引起谐波测量结果的波动。这一现象可根据谐波测量需求,通过提升A/D位数予以克服。

OVT 的噪声信号特征是低频高、高频低。本文提出一种有效数字滤波形式,可以有效抑制温度造成的噪声畸变。

电网的谐波是各频次的谐波与基波的混合。基波在三次谐波频域上的泄漏,需要在测量谐波的时候予以考虑。