陳桂友 朱何榮 熊慕文 劉永鋼

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

測控裝置在變電站綜合自動化系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。測控裝置采集并上送的測量數(shù)據(jù)是狀態(tài)估計[1]、潮流分析[2]等應用的數(shù)據(jù)來源。因此保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠具有重要意義。

1 遙測跳變現(xiàn)象

某500kV 直流換流站，運行人員巡屏時發(fā)現(xiàn)500kV 母線電壓由532.7kV 至537.6kV 間來回跳變。

隨后現(xiàn)場開展測試工作，發(fā)現(xiàn)Ⅲ段和Ⅳ段母線出現(xiàn)相同現(xiàn)象。觀察測控裝置的測量值，發(fā)現(xiàn)Ⅲ和Ⅳ段測量電壓有4～5kV 的跳變。而保護裝置測量的相同電壓卻無跳變。

2 問題分析及排查

該現(xiàn)象表現(xiàn)為測控裝置測量電壓跳變，而測量相同電壓的保護裝置未出現(xiàn)此情況。測控裝置和保護裝置的不同點在于：測控裝置測量電壓的全波有效值，是包含基波和各次諧波的總有效值。而保護裝置測量的僅僅是基波的有效值。結(jié)合此情況懷疑是因為存在諧波而導致了測控裝置測量電壓跳變。查看測控裝置上電壓諧波的測量值。發(fā)現(xiàn)確實有諧波電壓分量，而且諧波分量也存在跳變現(xiàn)象。因此懷疑是因為諧波值的跳變，而導致最終的全波有效值的跳變。因為本站所用的測控裝置雖然上送的是全波有效值，但是裝置本身也會計算基波有效值。如果是因為諧波有效值的跳變引起全波有效值的跳變，則測控裝置測量的基波有效值應該和保護裝置測量的基波有效值一樣保持穩(wěn)定。查看測控裝置發(fā)現(xiàn)，其測量的基波有效值也在跳變。這說明測量電壓的跳變不是因為諧波幅值跳變引起的。

為了分析測量值跳變原因，先要了解電壓輸入波形的情況。使用錄波裝置對電壓進行錄波。經(jīng)分析，電壓諧波含量如圖1所示。其中5 次、11 次、13 次、25 次和47 次諧波含量較大。因為正常情況下測控裝置可以測量2～13 次諧波，因此13 次及以下的諧波不會引起測量值跳變。

因為測控裝置采樣率為2.4k，即每工頻周期采樣48 個點。而47 次諧波含量較大，約為0.47%。因此懷疑是因為產(chǎn)生了頻率混疊而導致了測量電壓跳動。而此站使用的保護裝置使用1.2k 采樣率，且采樣前端有很低的低通濾波電路，所以保護裝置測量電壓不會受47 次諧波影響而發(fā)生跳變。

圖1 電壓諧波含量

3 頻率混疊

測控裝置采樣率為2.4k，即每周波48 點，采樣間隔為0.416666（6 循環(huán)）ms。而數(shù)字調(diào)制電路不能使用無限循環(huán)小數(shù)作為采樣間隔，因此實際采樣間隔為0.416650ms，即采樣頻率為2400.096Hz。47次諧波的頻率為2350Hz。此時采樣頻率小于2 倍的47 次諧波頻率。根據(jù)采樣原理，47 次諧波經(jīng)離散采樣后的波形頻率不再是2350Hz。由公式（1）[3]可以計算出47 次諧波經(jīng)離散采樣后的頻率為50.096Hz。

式中，n=Int(f/SF+05)；Fa為為離散采樣后波形頻率；f為實際信號頻率，此例中為47 次諧波頻率2350Hz；SF為采樣頻率2400.096Hz；Int表示取整操作，保留小數(shù)點之前的數(shù)，小數(shù)點之后的全舍去。式（1）只有在采樣頻率小于實際頻率的兩倍時才適用。

47 次諧波經(jīng)離散采樣之后形成的波形稱為混疊波形?；殳B波形的頻率為50.096Hz，和基波頻率相差0.096Hz。此頻率差會導致不同時刻的采樣窗口中，基波和混疊波形的相位差有滑動。如圖2所示，在采樣窗口1 中基波和混疊波形的相位相同，形成正疊加。疊加后波形的幅值會大于基波幅值。當經(jīng)過一段時間之后，如圖3所示在采樣窗口2 中基波和混疊波形相位相差180°，形成負疊加。疊加之后的波形的幅值小于基波幅值。因為疊加之后波形的幅值在基波幅值上下波動，所以最終導致測量電壓幅值有跳動。

圖3 采樣窗口2 波形負疊加

49 次諧波和47 次諧波的離散采樣后的波形頻率一致，其對幅值的影響結(jié)果和47 次諧波相似。而46 次諧波的離散采樣后的波形由式（1）可計算出為100.96Hz，相當于2 次諧波。在一個采樣窗口中，正負疊加的效果相抵消，疊加后的波形和基波相差不大。其他次諧波類似。

圖4 46 次諧波混疊波形

4 實驗驗證

為了驗證以上分析的正確性，需要進行實驗驗證。給測控裝置輸入57.74V 正弦基波電壓，再分別疊加45～51 次諧波電壓。測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，實驗結(jié)果和上面的理論分析完全一致。47 次和49 次諧波會引起測量幅值較大的跳變，而且其他次諧波對幅值的影響很小。

表1 諧波對測量結(jié)果的影響

5 處理措施

5.1 濾除一次電網(wǎng)中的高次諧波

文獻[4]中規(guī)定110kV 電網(wǎng)中電壓總諧波含量不超過2%。500kV 電網(wǎng)中的諧波含量雖然沒有規(guī)定，但也不應超過此值。從錄波器分析的結(jié)果看，本站整體諧波含量較高。

本站交直流轉(zhuǎn)換采用的換流器為12 脈動閥，由兩個6 脈動閥串聯(lián)，因此交流側(cè)的特征諧波為12n±1次。為了濾除特征諧波，本換流站已在交流側(cè)配置了11/24 和11/36 兩種類型的交流濾波器，但對47次、49 次諧波沒有配置對應的濾波器。通常認為諧波次數(shù)越高，則諧波含量越低。但從波形分析來看，本站47 次、49 次諧波含量偏多。從諧波污染源頭治理的原則考慮，應增加交流濾波器（例如HP3 濾波器）或通過調(diào)整現(xiàn)有交流濾波器參數(shù)，從源頭濾除高次諧波。

5.2 測控裝置選擇適中的低通濾波參數(shù)

本站是因為47 次諧波進入了測控裝置采樣回路，導致了采樣值波動。因此在測控裝置的采樣回

路之前采用適中的低通濾波電路將高次諧波濾除，可以有效避免有測量效值的跳動?？紤]到換流站在運行中不能完全杜絕高次諧波的產(chǎn)生，因此有必要在測控裝置上采用低通濾波電路以防止因頻率混疊引起測量值跳變。文獻[5]規(guī)定了測控裝置測量電流、電壓的精度應達到0.2%，且應測量2～13 次諧波。所以應選擇適合的低通參數(shù)，即要保證13 次及以下諧波的測量精度，也要保證47 次及以上諧波可靠濾除。

5.3 改變測控裝置的采樣頻率

因為頻率混疊與測控裝置的采樣頻率及諧波頻率密切相關(guān)。本換流站的特征諧波為12n±1，因此只要避開此諧波頻率也可以很好的起到防止測量跳變的作用，比如采用2k 或4k 采樣率。

6 結(jié)論

本文提出了一起直流換流站測控裝置測量電壓跳變現(xiàn)象及分析處理的實例。通過現(xiàn)場分析，同型裝置比對，理論分析和實驗驗證確認是頻率混疊引起測量值跳變。同時結(jié)合理論分析給出了處理措施。隨著更多的直流輸電項目的建設，本文為處理相似問題積累了經(jīng)驗。

[1] 李青芯,孫宏斌,王晶,等.變電站—調(diào)度中心兩級分布式狀態(tài)估計[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(7): 44-50,91.

[2] 覃智君,侯云鶴,吳復立.大規(guī)模交直流系統(tǒng)潮流計算的實用化模型[J].中國電機工程學報,2011,31(10): 95-101.

[3] 應懷樵,沈松,劉進明.頻率混疊在時域和頻域現(xiàn)象中的研究[J].振動、測試與診斷,2006,26(1): 1-4.

[4] GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

[5] GB/T 13729.遠動終端設備[S].