一种基于相位因子变换插值的介损在线精确测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电变量的测量领域，尤其是涉及一种基于相位因子变换插值的介损在 线精确测量方法。
【背景技术】
[0002] 介质损耗角正切作为综合反映电介质损耗特性优劣的一项指标，是测量和监控各 种电力设备绝缘性能的重要参考量，可以反映出设备绝缘受潮、裂化、气隙放电等缺陷，是 预防电力系统设备故障、监测设备绝缘性能的重要项目。近年来，随着电气设备状态检测技 术的快速发展，人们越来越重视介损的在线测量技术，因此形成了不同的方法。根据介损的 测量方式和原理的不同，其测量方法可以分为两大类:一是基于"硬件"的测量方法，二是依 靠"软件"来实现测量。基于"硬件"的介损在线测量方法主要是依靠硬件电路装置来实现绝 缘设备的电流、电压相位差比较，如传统的电桥法和文献"介质损耗角的数字化测量"（作 者:赵秀山，谈克雄，清华大学学报，1996，36(9): 51-56.)中的零点相位比较法等，由于其受 硬件影响较大，测量精度较低，而介质损耗角本身较小，对测量精度要求较高，故基于"硬 件"的介损在线测量方法目前已较少使用。依靠"软件"的介损在线测量方法的典型是谐波 分析法，通过对在线绝缘设备两端的电压和电流模拟信号通过传感器等装置，再进行模数 转换，得到电压和电流的数字信号，对数字信号进行谐波信号分析即可求出介损角。目前基 于谐波分析的介损在线测量方法由于能消除谐波畸变、直流偏置，并具有抗干扰性和温度 性而成为较常用的测量手段。
[0003] 基于谐波分析的介损在线测量方法的核心思想是对电压、电流数字信号进行离散 傅立叶或快速傅立叶变换(DFT/FFT)，因此傅立叶变换固有的栅栏效应和频谱泄漏是影响 介损测量精度的关键因素。同时，电力系统中的频率处于动态波动中，导致难以对电压、电 流进行整周期采样，非同步采样导致了频谱泄漏无法完全消除。针对谐波分析方法中普遍 存在的栅栏效应和频谱泄漏问题，文献"用加 Hanning窗插值高阶正弦拟合法测介损角"（作 者:徐志钮，律方成，汪佛池，李和明，高电压技术，2007，33(4): 50-53)提出了加 Hanning窗 插值来测量介损角，提高了介损角的实时性和精度，算法实现了介损的在线测量，但是其角 度测量精度有限，在高干扰和大噪声环境中测量结果受影响较大。
[0004] 由于介损角一般很小，往往在0.001~0.02rad之间，对其进行在线测量时容易受 到噪声干扰、非同步采样和非周期信号截断等影响。因此，寻求一种高精度、抗干扰、实时性 的测量方法是有必要的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于相位因子 变换插值的介损在线精确测量方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种基于相位因子变换插值的介损在线精确测量方法，包括以下步骤：
[0008] 1)对电力容性设备两端的电压、电流进行数字采样，获取电压和电流的离散采样 值；
[0009] 2)对电压和电流的离散采样值进行加 Hanning窗后的离散傅氏变换，并对其频谱 作相位因子变换得到电压和电流的新频谱；
[0010] 3)分别对电压和电流的新频谱的基频分量进行3谱线叠加插值，得到电压和电流 的基频相位值；
[0011] 4)将得到的电压和电流基频相位值进行换算，求取介损角δ和介损值ta#。
[0012] 所述的步骤1)中的电压离散采样值u(mA t)N和电流离散采样值i(mA t)N的表达式 为：
[0015]其中，Μ为电压采样信号中的频率分量个数，P为电流采样信号中频率分量个数，U 为第i个分量的电压幅值山为第j个分量的电流幅值，h为第i个分量的电压频率山为第j 个分量的电流频率，钱为第i个分量的电压相位，％为第j个分量的电流相位，A t为采样间 隔，N为采样个数，m为自然数且m = 0、1、…、N-1。
[0016] 所述的步骤2)具体包括以下步骤：
[0017] 21)对电压和电流的离散采样值进行加 Hanning窗后的离散傅氏变换得到变换后 的电压频谱值X(k)和电流频谱值Y(k):
[0023]其中，k为谱线序号，Af为频率分辨率，W( ·)为Hanning窗谱函数，fhf/为第i个 分量的电压频率、电流频率，Ui、Ii为第i个分量的电压幅值、电流幅值，为第i个正 频率分量对应的电压相位因子、电流相位因子，为第i个负频率分量对应的电压 相位因子、电流相位因子，N为采样个数，Θ为窗谱函数的变量因子
为窗谱函数的相 位因子，为第i个分量的归一化电压频率、归一化电流频率；
[0024] 22)对电压频谱值X(k)和电流频谱值Y(k)进行乘相位因子
压频谱值f (?和新电流频谱值f (?::
[0029] 其中，ki为第i个频率分量fi的峰谱线序号，(η、(Λ为第i个频率分量的频偏 值，△ (ki)、△ ' (ki)为干扰分量对频率分量的干扰叠加值，Ui、Ii为第i个分量的电压 幅值、电流幅值，N为采样个数，队、^^为第i个分量的归一化电压频率、归一化电流频率， eM、为第i个正频率分量对应的电压相位因子、电流相位因子。
[0030] 所述的步骤3)具体包括以下步骤：
[0031] 31)对新频谱进行3谱线叠加插值，通过相邻频谱值叠加抑制频谱泄漏并消除栅栏 效应，得到相位初始值栲为：
[0033]其中，arg( ·)为求取弧度制相位函数，叉^ ±丨）为谱线序号ki±l对应的新频谱值 之和，尤(先）为谱线序号h对应的新频谱值，
为归一化频率私的相位因子。
[0034] 32)根据相位初始值約:获取同一时段容性设备的电压基频相位值和电流基频 相位值％:
[0037] 其中，为基波电压、基波电流的峰谱线序号，万认±1)为谱线序号lu±l对应 的新电压频谱值之和，F(<±1)为谱线序号k/1±l对应的新电流频谱值之和，X(A)、F(/<) 为峰谱线序号khV i对应的新电压频谱值、新电流频谱值
为归一化基波 频率βι1的电压相位因子、电流相位因子。
[0038] 所述的步骤4)中的介损角δ的表达式为：
[0040]所述的电力容性设备包括变压器套管、親合电容器和电缆。
[0041 ]与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0042] -、本发明方法针对电力容性设备(如变压器套管、耦合电容器、电缆等)的电介质 进行在线测量，可以在不停电的情况下通过简单的采样信号进行分析测量，相比停电测试 的电桥法更具有可操作性和实际意义。
[0043] 二、本发明方法具有较高的真实性和灵活性，其自动化水平较高，可以完全设定自 动化操作，为电力设备在线监测提供较好的方法，达到能够随时进行测量和不间断地进行 连续测量。
[0044] 三、本发明方法通过相位因子变换插值可以抑制频谱泄漏和消除栅栏效应，通过 相邻谱线叠加消除了其它分量的干扰，原理简单可行，相比其余谐波分析方法具有更高的 测量精度和抗噪性能，可及时、准确地发现电力设备绝缘装置的整体性缺陷或较集中性局 部缺陷，减少事故的发生。
【附图说明】
[0045]图1是介损值测量电路原理图；
[0046]图2是介损角矢量图；
[0047]图3是本发明整体流程图；
[0048]图4是电压信号的时域图和频域图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0050] 实施例：
[0051] 图1中，电力容性设备的电路简化原理图，给出了电流向量间的关系。
[0052] 图2中，电力设备电压、电流相位与介损角δ之间的关系，通过测量电压、电流基波 相位角度来计算介损角δ。
[0053] 图3中包含了本发明的整体流程图，包括以下步骤：
[0054] Α、对容性设备两端的电压、电流进行数字采样，得到电压、电流离散采样值；
[0055] Β、对采样的电压、电流信号进行加 Hanning窗后FFT，并对其频谱作相位因子变换 得到电压、电流新频谱；
[0056] C、对新频谱的基频分量进行3谱线叠加插值，分别得到电压、电流基频相位值； [0057] D、将所得的电压、电流基频相位值进行换算，求取介损角δ和介损值taM。
[0058]表1为仿真试验所得的介损角测量结果。其中本发明的方法(方法1)和文献"用加 Hanning窗插值高阶正弦拟合法测介损角"方法(方法2)，方法2相比方法1误差增大了 1倍。 [0059]表1介损