- 頭條學術簡報｜準確測量介質損耗角的新方法：精度高、實現簡單、抗噪性好2019-07-01 作者：王永、滕召勝等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南大學電氣與信息工程學院、中國電力科學研究院的研究人員王永、滕召勝等，在2018年第23期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于采樣序列重構的高精度介質損耗角測量方法”），為準確測量介質損耗角，克服基波頻率波動、采樣率不同、模數轉換器位數變化及噪聲干擾等因素影響，提出一種基于時域采樣序列重構的介質損耗角測量方法。通過對原始采樣序列進行移頻濾波實現對基波頻率的準確估計，結合估計基波頻率和三次樣條插值方法實現實際電壓和電流采樣序列的重構，通過對重構后的電壓和電流采樣序列分別進行快速傅里葉變換實現介質損耗角的準確求取。仿真結果表明所提算法能夠實現對介質損耗角的準確測量且不受非同步采樣限制和噪聲的影響。實際構建的硬件測試平臺驗證了該算法的準確性。
隨著電網的不斷發展，大量的高壓電力設備投入運行，其運行狀態直接影響電網的安全和經濟運行。作為高壓電力設備，特別是電容型設備的重要參數，介質損耗角（簡稱介損角）最直接地反映了電力設備的絕緣狀態。通過高壓電容型設備介損角的準確測量，可監測設備的絕緣狀態，了解絕緣設備在物理和化學方面的狀態變化，及時發現由于設備絕緣問題帶來的潛在危險，從而避免危險事故的發生。
現有介損角檢測方法主要包含兩類：
①硬件實現方法，主要包括瓦特計法、電橋平衡法、過零點時差比較法和過零點電壓比較法[等，該類方法較為繁瑣，效率不高，很難滿足介損角自動檢測要求；
②軟件實現方法，主要包括相關函數法、正弦波參數法、諧波分析法及其他軟件計算方法，諧波分析法基于傅里葉變換，是目前介損角測量較常采用的方法。但由于非同步采樣的存在，基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）的諧波分析法存在頻譜泄漏和柵欄效應，導致相位計算存在較大誤差，從而影響介損角測量準確度[20]。
為此，研究者提出了基于Kaiser窗、Nuttall窗、三角自卷積窗、Rife-Vincent窗、Blackman-Harris窗等多種加窗插值FFT算法的介損角測量方法，在一定程度上提高了介損角測量的準確度。
然而基于加窗插值FFT的介損角測量方法中，窗函數的性能容易受到窗函數的選擇以及窗函數主瓣寬度和旁瓣電平的影響。另一方面，對于嵌入式系統而言，插值擬合算法的計算量偏大，很難直接在測量設備中求解擬合系數，通常先在上位機中求解擬合系數，再將系數導入測量設備中進行測量，使用過程比較繁雜、缺乏靈活性。
為克服加窗插值FFT算法測量介損角的不足，實現在較強噪聲環境下介損角的準確測量，本文提出一種基于序列重構的高精度介損角測量方法。
首先通過對原始采樣序列進行簡單移頻濾波實現基波實際頻率的準確估計；再通過三次樣條插值結合得到的實際頻率和原始采樣序列實現對一個周期的實際等效電壓、電流序列的重構；最后通過對重構后的電壓、電流采樣序列使用FFT分別求取兩者的初相角，實現介損角的準確測量。
相對于諧波分析法，本文算法由于不需要進行頻率方程求解及加窗插值擬合計算，因此計算復雜度較低，同時算法能有效抑制非同步采樣情況下頻譜泄漏和柵欄效應造成的測量準確度低的問題。最后通過仿真和實際測試，證明了本文提出的算法在準確度、實時性、精度和抗噪聲干擾等方面具有優異的性能。
圖9 硬件測試平臺
結論
本文提出一種基于時域采樣序列重構的高精度介損角測量方法，給出了算法實現流程與詳細的測量模型推導過程。與目前廣泛使用的加窗插值FFT介損角測量方法相比，所提出的方法不用進行加窗處理和譜線插值運算，算法實現簡單，提高了介損角的測量速度。
在基波實際頻率、介損角真值、采樣頻率、ADC量化位數改變及白噪聲干擾等條件下進行了仿真和實際測試，介損角測量結果表明，本文提出的算法具有測量精度高、實現簡單、抗噪性能好等優點。
