专利名称：一种高压电气设备在线监测中的相位测量的方法
技术领域：
本发明涉及电压或电流的相位测量的方法，特别是涉及一种高压电气设备在线监测中电压或电流的相位测量的方法。
背景技术：
在电力行业的高压电气绝缘在线监测领域中，需要实时的对电容型设备的介损、电容量进行在线测量。介损测量需要比较系统电压与末屏电流的相位(也可称之为角差)，要求精度达到1’以上。目前，在线监测领域主要采用过零比较法进行计算，即利用两个交流信号过零点时间差计算相位差，该方法仅仅利用过零点及其附近的信息，数据采集的范围有限，而且容易受到干扰，实用中效果并不理想。另外，还有一种采用硬件锁相环+FFT的方法(FFT为快速傅立叶变换的缩写)，FFT应用了采集数据的全部，计算效果明显优于过零点比较法。然而，由于锁相环是反馈型控制，加之FFT应用于有限区间，计算误差和稳定性仍然不够理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算量小、且计算精度高的高压电气设备在线监测中的相位测量的方法。
能达到上述目的的一种高压电气设备在线监测中相位的测量的方法，包括有以下步骤(1)对于任意两路包含谐波的信号x(t)、y(t)，进行采样，得到有限长采样值序列；x(k)＝{x(1)，x(2)，…，x(n)}；y(k)＝{y(1)，y(2)，…，y(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；n为采样点数，f为采样频率，T为工频分量的周期，k为采样整周期数；(2)计算算术平均值，得到信号中的直流分量a、b；公式如下a=Σi=1nxin]]>b=Σi=1nyin]]>
其中n＝fkT；(3)减掉直流分量以后，得到只包含交流信号的有限长序列；公式如下x′(k)＝x(k)-a＝{x(0)-a，x(1)-a，…，x(n)-a}＝{x′(0)，x′(1)，…，x′(n)}；y′(k)＝y(k)-b＝{y(0)-b，y(1)-b，…，y(n)-b}＝{y′(0)，y′(1)，…，y′(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；(4)将两路有限长序列对应点进行乘法运算；公式如下z(k)＝x′(k)×y′(k)＝{x′(1)×y′(1)，x′(2)×y′(2)，…，x′(n)×y′(n}＝{z(1)，z(2)，…，z(n)}(5)将第四步的运算结果进行积分运算，即可得到与两路信号的角度差δ正弦值成正比的值，再降结果除以信号基波分量幅值，并取反正弦，得到角度差δ；公式如下δ=sin-1(1X·Y∫0kTz(k)dk)=sin-1(1X·YΣi=1fkT-1z(i)+z(i+1)2×1f)·]]>在实际操作的时候，所述步骤一中采样的信号为系统电压信号或者设备的末屏电流信号。并且采样的信号按照较高的频率进行A/D变换并按照工频整周期(如40个周期)采集，得到有限长采样值序列。
本发明所提供的方法的优点是1、利用所有采样值进行计算，能够进行几十个工频周期高采样率数据的计算，不需要硬件锁相环，利用多周期数据平均，减小频率变化带来得影响。2、克服了FFT要达到同样的精度所需要的采样率、数据量、运算量急剧增加的弊端，能够克服波形崎变及谐波的影响几放大电路直流零漂的影响，数据的稳定性高、分辨率高，能够满足高压电气绝缘在线监测测量范围在3’~20’范围内精度的要求，并且运算量明显低于进行相同数据量运算的FFT。3、计算出的电压和设备末屏电流的相位后，可以直接计算出设备的介损，十分简便而且应用广泛。
具体实施例方式
本发明提供了一种高压电气设备在线监测中相位测量的方法，该方法主要包括有以下步骤(1)对于任意两路包含谐波的信号x(t)、y(t)，进行采样，得到有限长采样值序列；x(k)＝{x(1)，x(2)，…，x(n)}；y(k)＝{y(1)，y(2)，…，y(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；
n为采样点数，f为采样频率，T为工频分量的周期，k为采样整周期数；(2)计算算术平均值，得到信号中的直流分量a、b；公式如下a=Σi=1nxin]]>b=Σi=1nyin]]>其中n＝fkT；(3)减掉直流分量以后，得到只包含交流信号(工频50Hz分量及谐波分量)的有限长序列；公式如下x′(k)＝x(k)-a＝{x(0)-a，x(1)-a，…，x(n)-a}＝{x′(0)，x′(1)，…，x′(n)}；y′(k)＝y(k)-b＝{y(0)-b，y(1)-b，…，y(n)-b}＝{y′(0)，y′(1)，…，y′(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；(4)将两路有限长序列对应点进行乘法运算；公式如下z(k)＝x′(k)×y′(k)＝{x′(1)×y′(1)，x′(2)×y′(2)，…，x′(n)×y′(n}＝{z(1)，z(2)，…，z(n)}(5)将第四步的运算结果进行积分运算，即可得到与两路信号的角度差δ正弦值成正比的值，再降结果除以信号基波分量幅值，并取反正弦，得到角度差δ；公式如下δ=sin-1(1X·Y∫0kTz(k)dk)=sin-1(1X·YΣi=1fkTz(i)+z(i+1)2×1f)·]]>上述的步骤一中的采样，可以采集系统电压信号，也可以采集某一设备的末屏电流信号。采样的信号较高的频率进行A/D变换并按照工频整周期(如40个周期)采集，得到有限长采样值序列。
当既测出了系统电压的相位δU，又测出了某设备的末屏电流的相位δI后，便可以很容易的计算出该设备的介损值。
实施例1下面举一具体实施例详细说明如下介损测量应用中，在电容型设备监测单元中，以16k Sps采样率同时采集4路信号，采集长度为40个工频周期，每通道采集数据长度为12.8k。其中一路为基准信号，另外3路为设备A、B、C三相的末屏电流；利用本发明的方法，计算出设备A、B、C三相的末屏电流的相位δIA、δIB、δIC。
现列举A相电流相当于两个周期的采样数据的计算过程A相电流的采样值A为Columns 1 through 7 0.00020.03940.07860.11770.15660.19530.2336Columns 8 through 140.27160.30920.34630.38280.41880.45410.4888Columns 15 through 210.52260.55570.58790.61920.64960.67890.7072Columns 22 through 280.73440.76050.78540.80910.83160.85270.8726Columns 29 through 350.89110.90820.92390.93830.95110.96250.9724Columns 36 through 420.98080.98770.99310.99690.99921.00000.9992Columns 43 through 490.99690.99300.98770.98080.97230.96240.9510Columns 50 through 560.93810.92380.90810.89090.87240.85250.8314Columns 57 through 630.80890.78520.76030.73420.70700.67870.6493Columns 64 through 700.61900.58760.55540.52230.48850.45380.4185Columns 71 through 770.38250.34600.30890.27130.23330.19490.1563Columns 78 through 840.11740.07830.0391-0.0002 -0.0394 -0.0786 -0.1177Columns 85 through 91-0.1566 -0.1953 -0.2336 -0.2716 -0.3092 -0.3463 -0.3828Columns 92 through 98-0.4188 -0.4541 -0.4888 -0.5226 -0.5557 -0.5879 -0.6192Columns 99 through 105 -0.6496 -0.6789 -0.7072 -0.7344 -0.7605 -0.7854 -0.8091Columns 106 through 112 -0.8316 -0.8527 -0.8726 -0.8911 -0.9082 -0.9239 -0.9383Columns 113 through 119 -0.9511 -0.9625 -0.9724 -0.9808 -0.9877 -0.9931 -0.9969Columns 120 through 126 -0.9992 -1.0000 -0.9992 -0.9969 -0.9930 -0.9877 -0.9808Columns 127 through 133 -0.9723 -0.9624 -0.9510 -0.9381 -0.9238 -0.9081 -0.8909Columns 134 through 140 -0.8724 -0.8525 -0.8314 -0.8089 -0.7852 -0.7603 -0.7342Columns 141 through 147 -0.7070 -0.6787 -0.6493 -0.6190 -0.5876 -0.5554 -0.5223Columns 148 through 154 -0.4885 -0.4538 -0.4185 -0.3825 -0.3460 -0.3089 -0.2713Columns 155 through 161 -0.2333 -0.1949 -0.1563 -0.1174 -0.0783 -0.0391 0.0002Columns 162 through 168 0.03940.07860.11770.15660.19530.23360.2716Columns 169 through 175 0.30920.34630.38280.41880.45410.48880.5226Columns 176 through 182 0.55570.58790.61920.64960.67890.70720.7344Columns 183 through 189 0.76050.78540.80910.83160.85270.87260.8911Columns 190 through 196 0.90820.92390.93830.95110.96250.97240.9808Columns 197 through 203 0.98770.99310.99690.99921.00000.99920.9969Columns 204 through 210 0.99300.98770.98080.97230.96240.95100.9381
Columns 211 through 217 0.9238 0.9081 0.8909 0.8724 0.8525 0.8314 0.8089Columns 218 through 224 0.7852 0.7603 0.7342 0.7070 0.6787 0.6493 0.6190Columns 225 through 231 0.5876 0.5554 0.5223 0.4885 0.4538 0.4185 0.3825Columns 232 through 238 0.3460 0.3089 0.2713 0.2333 0.1949 0.1563 0.1174Columns 239 through 245 0.0783 0.0391 -0.0002 -0.0394 -0.0786 -0.1177 -0.1566Columns 246 through 252 -0.1953 -0.2336 -0.2716 -0.3092 -0.3463 -0.3828 -0.4188Columns 253 through 259 -0.4541 -0.4888 -0.5226 -0.5557 -0.5879 -0.6192 -0.6496Columns 260 through 266 -0.6789 -0.7072 -0.7344 -0.7605 -0.7854 -0.8091 -0.8316Columns 267 through 273 -0.8527 -0.8726 -0.8911 -0.9082 -0.9239 -0.9383 -0.9511Co1umns 274 through 280 -0.9625 -0.9724 -0.9808 -0.9877 -0.9931 -0.9969 -0.9992Columns 281 through 287 -1.0000 -0.9992 -0.9969 -0.9930 -0.9877 -0.9808 -0.9723Columns 288 through 294 -0.9624 -0.9510 -0.9381 -0.9238 -0.9081 -0.8909 -0.8724Columns 295 through 301 -0.8525 -0.8314 -0.8089 -0.7852 -0.7603 -0.7342 -0.7070Columns 302 through 308 -0.6787 -0.6493 -0.6190 -0.5876 -0.5554 -0.5223 -0.4885Columns 309 through 315 -0.4538 -0.4185 -0.3825 -0.3460 -0.3089 -0.2713 -0.2333Columns 316 through 321 -0.1949 -0.1563 -0.1174 -0.0783 -0.0391 0.0002参考电流的采样值B为Columns 1 through 7 1.0000 0.9992 0.9969 0.9931 0.9877 0.9808 0.9724Columns 8 through 14 0.9625 0.9511 0.9382 0.9239 0.9081 0.8910 0.8725Columns 15 through 21 0.8526 0.8315 0.8090 0.7853 0.7604 0.7343 0.7071Columns 22 through 28 0.6788 0.6494 0.6191 0.5878 0.5556 0.5225 0.4886Columns 29 through 35 0.4540 0.4187 0.3827 0.3461 0.3090 0.2714 0.2334Columns 36 through 42 0.1951 0.1564 0.1175 0.0785 0.0393 0.0000 -0.0393Columns 43 through 49 -0.0785 -0.1175 -0.1564 -0.1951 -0.2334 -0.2714 -0.3090Columns 50 through 56 -0.3461 -0.3827 -0.4187 -0.4540 -0.4886 -0.5225 -0.5556Columns 57 through 63 -0.5878 -0.6191 -0.6494 -0.6788 -0.7071 -0.7343 -0.7604Columns 64 through 70 -0.7853 -0.8090 -0.8315 -0.8526 -0.8725 -0.8910 -0.9081Columns 71 through 77 -0.9239 -0.9382 -0.9511 -0.9625 -0.9724 -0.9808 -0.9877Columns 78 through 84 -0.9931 -0.9969 -0.9992 -1.0000 -0.9992 -0.9969 -0.9931Columns 85 through 91 -0.9877 -0.9808 -0.9724 -0.9625 -0.9511 -0.9382 -0.9239Columns 92 through 98 -0.9081 -0.8910 -0.8725 -0.8526 -0.8315 -0.8090 -0.7853Columns 99 through 105 -0.7604 -0.7343 -0.7071 -0.6788 -0.6494 -0.6191 -0.5878
Columns 106 through 112 -0.5556 -0.5225 -0.4886 -0.4540 -0.4187 -0.3827 -0.3461Columns 113 through 119 -0.3090 -0.2714 -0.2334 -0.1951 -0.1564 -0.1175 -0.0785Columns 120 through 126 -0.0393 -0.0000 0.0393 0.0785 0.1175 0.1564 0.1951Columns 127 through 133 0.2334 0.2714 0.3090 0.3461 0.3827 0.4187 0.4540Columns 134 through 140 0.4886 0.5225 0.5556 0.5878 0.6191 0.6494 0.6788Columns 141 through 147 0.7071 0.7343 0.7604 0.7853 0.8090 0.8315 0.8526Columns 148 through 154 0.8725 0.8910 0.9081 0.9239 0.9382 0.9511 0.9625Columns 155 through 161 0.9724 0.9808 0.9877 0.9931 0.9969 0.9992 1.0000Columns 162 through 168 0.9992 0.9969 0.9931 0.9877 0.9808 0.9724 0.9625Columns 169 through 175 0.9511 0.9382 0.9239 0.9081 0.8910 0.8725 0.8526Columns 176 through 182 0.8315 0.8090 0.7853 0.7604 0.7343 0.7071 0.6788Columns 183 through 189 0.6494 0.6191 0.5878 0.5556 0.5225 0.4886 0.4540Columns 190 through 196 0.4187 0.3827 0.3461 0.3090 0.2714 0.2334 0.1951Columns 197 through 203 0.1564 0.1175 0.0785 0.0393- 0.0000 -0.0393 -0.0785Columns 204 through 210 -0.1175 -0.1564 -0.1951 -0.2334 -0.2714 -0.3090 -0.3461Columns 211 through 217 -0.3827 -0.4187 -0.4540 -0.4886 -0.5225 -0.5556 -0.5878Columns 218 through 224 -0.6191 -0.6494 -0.6788 -0.7071 -0.7343 -0.7604 -0.7853Columns 225 through 231 -0.8090 -0.8315 -0.8526 -0.8725 -0.8910 -0.9081 -0.9239Columns 232 through 238 -0.9382 -0.9511 -0.9625 -0.9724 -0.9808 -0.9877 -0.9931Columns 239 through 245 -0.9969 -0.9992 -1.0000 -0.9992 -0.9969 -0.9931 -0.9877Columns 246 through 252 -0.9808 -0.9724 -0.9625 -0.9511 -0.9382 -0.9239 -0.9081Columns 253 through 259 -0.8910 -0.8725 -0.8526 -0.8315 -0.8090 -0.7853 -0.7604Columns 260 through 266 -0.7343 -0.7071 -0.6788 -0.6494 -0.6191 -0.5878 -0.5556Columns 267 through 273 -0.5225 -0.4886 -0.4540 -0.4187 -0.3827 -0.3461 -0.3090Columns 274 through 280 -0.2714 -0.2334 -0.1951 -0.1564 -0.1175 -0.0785 -0.0393Columns 281 through 287 0.0000 0.0393 0.0785 0.1175 0.1564 0.1951 0.2334Columns 288 through 294 0.2714 0.3090 0.3461 0.3827 0.4187 0.4540 0.4886Columns 295 through 301 0.5225 0.5556 0.5878 0.6191 0.6494 0.6788 0.7071Columns 302 through 308 0.7343 0.7604 0.7853 0.8090 0.8315 0.8526 0.8725Columns 309 through 315 0.8910 0.9081 0.9239 0.9382 0.9511 0.9625 0.9724Columns 316 through 321 0.9808 0.9877 0.9931 0.9969 0.9992 1.0000两路信号点对点相乘并积分
d＝3.4907e-006取反正弦运算，得到角度δIA＝0.01同样，在系统电压单元中，同样计算出三相系统电压信号相对于同一个基准信号的相位差δUA、δUB、δUC。
利用上述方法计算出δUA＝0.0005利用这些相位差值，可以计算出三相设备分别的介损tgδA=tg(π2-(δIA-δUA))]]>tgδB=tg(π2-(δIB-δUB))]]>tgδC=tg(π2-(δIC-δUC))]]>因此tgδA＝0.0165806％对比128点FFT，计算出电流信号相对于基准信号的相位差δIA＝0.010071，系统电压信号相对于同一个基准信号的相位差δUA＝0.0005391因此tgδA＝0.0166363％两者计算结果比较接近，但是当需要进行多采样周期的计算时，FFT算法运算量就会急剧增加。实际应用表明，采用多周期采样运算的该算法数值的稳定性和抗干扰能力明显优于FFT算法。
权利要求
1.一种高压电气设备在线监测中的相位测量的方法，包括有以下步骤(1)对于任意两路包含谐波的信号x(t)、y(t)，进行采样，得到有限长采样值序列；x(k)＝{x(1)，x(2)，…，x(n)}；y(k)＝{y(1)，y(2)，…，y(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；n为采样点数，f为采样频率，T为工频分量的周期，k为采样整周期数；(2)对步骤一中的结果进行计算算术平均值，得到信号中的直流分量a、b；公式如下a=Σi=1nxin]]>b=Σi=1nyin]]>其中n＝fkT；(3)减掉直流分量以后，得到只包含交流信号的有限长序列；公式如下x′(k)＝x(k)-a＝{x(0)-a，x(1)-a，…，x(n)-a}＝{x′(0)，x′(1)，…，x′(n)}；y′(k)＝y(k)-b＝{y(0)-b，y(1)-b，…，y(n)-b}＝{y′(0)，y′(1)，…，y′(n)}；其中1＜k＜n，n＝fkT；(4)将两路有限长序列对应点进行乘法运算；公式如下z(k)＝x′(k)×y′(k)＝{x′(1)×y′(1)，x′(2)×y′(2)，…，x′(n)×y′(n}＝{z(1)，z(2)，…，z(n)}(5)将步骤四的运算结果进行积分运算，再降结果除以信号基波分量幅值，并取反正切，得到相位差δ；公式如下δ=tg-1(1X·Y∫0kTz(k)dk)=tg-1(1X·YΣi=1fkT-1z(i)+z(i+1)2×1f).]]>
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤一中采样的信号为系统电压信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤一中采样的信号为设备的末屏电流信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述步骤一中采样的信号较高的频率进行A/D变换并按照工频整周期采集，得到有限长采样值序列。
全文摘要
本发明公开了一种高压电气设备在线监测中的相位测量的方法，包括有以下步骤(1)对于任意两路包含谐波的信号x(t)、y(t)，进行采样，得到有限长采样值序列；(2)计算算术平均值，得到信号中的直流分量a、b；(3)减掉直流分量以后，得到只包含交流信号的有限长序列；(4)将两路有限长序列对应点进行乘法运算；(5)将第四步的运算结果进行积分运算，再降结果除以信号基波分量幅值，并取反正切，得到角度差δ。该方法数据的稳定性高、分辨率高，能够满足高压电气绝缘在线监测测量范围在3’～20’范围内精度的要求，并且运算量明显低于进行相同数据量运算的FFT。
文档编号G01R31/12GK1955745SQ20051011438
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者刘有为, 李忠晶, 鞠登峰 申请人:北京伏安电气公司