2017, Vol. 40
2. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044
2. State Key Laboratory of Power Transmission & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China
电压测量在电力系统中有着十分重要的地位，其准确性、实时性、响应速度对电力系统故障诊断和分析有着非常重要的作用。随着电力系统的发展，智能电网对电力系统中电压传感器的精度、准确性和实时性的要求越来越高。目前在电力系统中投入使用的电压互感器主要有光学电压、电容式和电磁式电压互感器，但它们均存在一些固有缺陷[1]。电磁式电压互感器存在铁芯饱和、体积大、暂态性能差、易发生铁磁谐振的问题。高压侧需要具有非常高的绝缘强度以及复杂绝缘结构才能够耐受高电压。随着电压等级的提高，绝缘结构的复杂化必然会使得互感器的体积增大、重量增大，继而导致绝缘结构的设计和制造成本将随之增大。传统的光学电压传感器过于敏感，受环境和机械因素影响过大，安装和运维成本过高，不适于工程运行中安装和使用。智能电网高电压测量需要一种非接触、小型化和智能化的电压互感器[2-3]。通过电场耦合原理对导体电位进行非接触测量是解决这一问题的新思路。
文献[4]提出了一种非接触式电场耦合的D-dot电压传感器模型，该传感器通过测量输电线周围空间电场的变化实现电位测量，是一种新型电子式传感器。
采用差动输入电路结构和多重电级并联结构，具有较大的测量带宽和动态范围、能够抑制非线性负载的感应电压过冲[5-8]。由检测电路和以LabVIEW为核心的终端处理软件组成了D-dot电压传感器，将D-dot传感器实现电压测量，成为能用于工程测量的电压传感器。设计了一套基于D-dot传感器的单相模拟试验系统[9]，该电压传感器体积小、重量轻、实时性绝缘性能好，动态范围宽、响应速度快，模拟试验系统稳定、可靠、测量精度高符合未来智能电网的发展需求。
1 D-dot传感器原理 1.1 D-dot传感器测量原理传统的电压测量是通过电磁式电压互感器的铁芯传递能量的方式来实现的，由于铁芯磁化曲线的非线性，使得电压测量受到原边与副边电流的影响[10-11]。而D-dot传感器只是通过测量导体周围的电场强度对导体电位进行间接测量[12-14]，这个过程中并无直接的能量传递。
D-dot传感器在被测导体附近的电极会通过电场耦合感应电荷，当变化的感应电荷流过与电极相连接的测量电阻会产生压降，该电阻压降与传感器所处测量点的电场变化率成正比[16-19]。
对于导线，单一电极输出与被测电压关系可表示为
| $ {{V}_{0}}=\frac{{{\varepsilon }_{0}}{{A}_{\text{eq}}}{{R}_{\text{m}}}{{r}_{0}}}{{{R}_{0}}^{2}}\frac{\text{d}}{\text{d}t}\varphi \left( t \right), $ | (1) |
式中：Aeq为传感器等效面积，该参数的值与电场强度及高斯面法相分量的夹角、传感器形状有关；Rm为测量电阻；R0为被测点距离导线距离；φ(t)为被测电位；E(t)为被测点电场强度；r0为导线半径。
1.2 传感器结构分析为了达到更高的测量精度和减少相位误差，在试验中，D-dot传感器采用多重环状并联的电极结构，并将其加工成印刷电路板PCB(printed circuit board, PCB)，同时使每块PCB参数标准化。传感器是由若干PCB叠加组成，理论上，PCB板越多，传感器测量精度越高[4]，并增加了绝缘强度。
1.3 D-dot传感器试验系统该系统是由D-dot传感器、后续的检测电路和PC端3部分构成，其能对单相的电压进行有效的实时监测。将D-dot传感器用于对三相导线测量时，其结构图如图 1所示。
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图 1 D-dot传感器三相结构 Figure 1 Three-phase structure of D-dot transformer |
在对三相线路进行监测中，测量点存在邻相电场干扰的问题。因此，本设计使导线穿过传感器，距离导线r处，r远小于相间距，使邻相电场干扰分量很小，可以暂时忽略相间电场影响。在此只对单相D-dot传感器雏形结构进行了研究探讨。
2 系统硬件结构设计 2.1 系统设计基于电场耦合原理的电压传感器，设计了与传感器相对应的电压检测电路[18]，测量系统结构如图 2所示。
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图 2 测量电路结构 Figure 2 The structure of measuring circuit |
在检测电路中，差分放大电路的输入信号为传感器输出信号，该信号为电压信号。经过模拟信号处理后，进入单片机进行模数转换。D-dot传感器与硬件检测电路图如图 3所示。
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图 3 D-dot传感器实物图 Figure 3 The physical map of D-dot transformer |
信号离散处理后，离散数据打包为UDP传输协议格式的数据包，通过WiFi模块发送至PC端程序对应的接收端口。
2.2 硬件电路设计1) 差分放大电路。
实际测量中干扰信号为传感器极板间的共模干扰。因此，采用差动放大电路对D-dot传感器输出信号进行采集并放大，并抑制环境中共模干扰信号，差分放大电路如图 4所示。
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图 4 差分放大电路 Figure 4 A differential amplifier circuit |
INA111的输入级具有高阻抗的特点，使传感器在极低的频率也能工作在自积分模式[4, 17]，增大Rm还能有效地改善传感器的幅频、相频特性。
如图 4所示，由于传感器输出电压比较大，R1与R3、R2与R4构成分压电路，缩小进入差分放大器INA111输入值，同时又能有效地抑制共模信号的干扰。保证有效的测量带宽前提下，提高放大倍数。传感器及测量系统没有与地线有直接的电气连接，因此，即使传感器被击穿也不会对二次侧造成损坏，不会对电力系统造成影响。
2) 数据处理与控制。
数据处理主要功能为模数转换，将信号波形离散化，将离散数据按串口(UART)协议格式发送至WiFi模块单元。
整个系统的核心处理器是单片机C8051F410。通过单片机内部的定时器中断达到来控制AD转换的周期和采样频率，并且定时器的中断服务程序具有最高优先级，其溢出时间即为采样周期。
3) WiFi通信模块。
在安全距离的前提下，为了实现对被测导线电压的测量与监控，文中采用无线数据传输模块(WiFi)达到传感器与PC端通讯的目的。通过无线网络与标准协议，可以构建多目标的监控。设计中UART与WiFi的传输波特率保持一致，均为115 200 bps。由WiFi模块构建无线网络，PC端通过UDP协议与之通讯。
3 LabVIEW实验系统LabVIEW软件拥有良好的人机交互界面，可塑性强[21]。利用LabVIEW软件编写UDP数据接收模块接收WiFi发送至PC端口的数据，再将数据进一步处理。经过计算分析后，还原采集数据的波形，与相应分析的数据结果一起显示在可视化的界面上。
1) 人机界面模块。人机界面主要功能为实现初始化参数设定，时域波形及其有效值、基波频率的显示和谐波失真度记录等。
2) 数据通信模块。UDP协议具有处理速度快、资源消耗小的优点。通过LabVIEW中UDP协议，PC端程序与硬件电路在WiFi模块建立的无线网络中实现相互通讯。软件程序中提前设定需要监听的本地端口地址，这样PC端可以接收无线模块发送的数据。
3) 数据分析模块。软件程序通过UDP协议进行数据处理以数组为基础，而发送至PC端口的数据类型为字符串型，因此，必须将字符串数据转换为字节数组。在获得相应电压离散值数组后，通过捆绑控件将得到电压离散值波形点与采样间隔进行捆绑，这样即可实现用于显示波形数据的重构。同时为了便于分析和显示，PC端程序将接收到的数据还原为十进制。
4) 波形分析模块。重构的波形在界面显示，其波形数据也被传送至波形分析模块中，以便计算并显示当前时刻电压的基波频率、有效值、谐波失真度及频谱信号等波形信息。波形分析模块程序框图如图 5所示。
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图 5 波形分析程序图 Figure 5 The LabVIEW diagram of data analysis module |
搭建相应的实验平台，建立LabVIEW模拟实验系统，测试D-dot电压传感器性能。调压器与升压变压器用以产生幅值可控的工频电压，升压变压器的输出端接至高压母线，由测量电路将采集到的电压数据经无线模块发送至PC端，经LabVIEW软件处理后，实时地显示出波形及其相关参数。D-dot电压传感器实验系统如图 6所示。
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图 6 传感器实验平台 Figure 6 Test platform of transformer |
在Labview程序对结果进行比例系数校正，传感器输出电压信号的波形、有效值、频率等关键参数在PC端LabVIEW的显示控件中显示出来。如图 7所示，给出了被测电压为10kV时LabVIEW的显示界面。
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图 7 PC端监测系统操作界面 Figure 7 The interface of monitoring system on PC |
由图 7可以看出，波形失真度小，与文献[6]相对比，试验系统保持了D-dot传感器的原始输出信号；双边FFT分析中，可以看出频率为准确的50 Hz，这里的1 950 Hz实际上是-50 Hz。谐波失真度为2.06%，谐波失真(THD)指原有频率的各种倍频的有害干扰。理论上此数值越小，失真度越低，该谐波失真度满足GB/T14549—1993规定。
按照IEC60044-7标准，通过标准高压探头和传感器进行对比试验，其测量值比差和相差计算结果如下表所示。其中UH为高压探头测量电压数值，UD-dot为新型传感器测量数据。比差定义为
| $ \varepsilon \% = \frac{{{K_{\rm{n}}}{U_{\rm{s}}} - {U_{\rm{p}}}}}{{{U_{\rm{p}}}}}, $ | (3) |
式中：Kn为传感器额定电压下的变比；Up为一次侧折算电压有效值；Us为电压传感器输出有效值。
根据实验结果，在标准IEC60044-7规定的80%~120%额定电压范围内，D-dot电压传感器有较高的准确度，假如选用具有较高的准确度，根据对比试验测得数据做出传感器与高压探头输出电压校正曲线以及比差曲线如图 8所示。
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图 8 D-dot电压传感器与高压探头输出电压校正曲线以及比差曲线 Figure 8 Calibration curve and ratio curve of D-dot voltage sensor versus the HV-probe at different voltage level |
通过对表 1测量数据进行一次拟合，经计算得拟合平方误差为0.0144，表明D-dot传感器具有良好的动态范围。而且，在标准规定的2%~120%额定电压范围内，设计的传感器电压比值误差ε%小于0.5%，表明D-dot电压传感器具有较高的稳态精度。
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表 1 D-dot互感器准确度测试结果 Table 1 Accuracy testing of D-dot voltage transformer |
为满足智能电网对电力系统安全、高效、稳定运行的要求，设计了一种基于D-dot传感器的电压传感器模拟试验系统，给出了其信号处理、通信系统，并进行相关试验，结果表明该系统不仅实时性好、失真度小及具有较宽的带宽测量范围，而且系统结构设计时传感器成本大大降低，较传统的电压测量设备具有更好的实用性。信号处理电路对D-dot传感器影响小，保持了其优良特性，能对D-dot传感器输出信号无失真的放大采集。该模拟实验系统论证了D-dot传感器作为一种新型电压传感器的可行性，并为智能电网电压传感器设计提供了参考，为智能电网的数字化发展提供新的思路。
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