电子式高压电力互感器的设计与实用化研究

摘要

随着电力系统容量的日益扩大和电网电压运行等级的不断提高，传统的电磁式互感器表现出越来越多的弱点，难以满足电网向自动化和数字化发展的需求。电子式高压电力互感器取代传统的电磁式互感器已成为发展的必然趋势。电子式高压电力互感器可以分为两种类型：光学电子式互感器和混合电子式互感器。其中混合电子式互感器采用的传感器技术比较成熟，运行经验多，具有实用化优势。 该文主要围绕它的设计和实用化研究展开，分为传感头的工业化设计，电流传感器用积分器的实用化设计，电子式互感器标准化接口的研究、基于标准化接口的电子式互感器整体设计，双传感器信息融合的组合结构研究几部分。 Rogowski线圈是所采用的电流传感元件，该文总结了Rogowski线圈的基本原理，其中包括线圈的等效电路和相量图，线圈的稳态特性和暂态特性分析，线圈的电磁参数计算。在理论研究的基础上，讨论了线圈互换性的实现和温度补偿两个工业化问题。电容分压器是所采用的电压传感元件，该文讨论了杂散电容对测量误差的影响，分析了电网暂态现象对分压器的影响。 积分器的性能一直是影响Rogowski线圈电流传感器的精度和稳定性的重要因素之一。模拟积分器具有结构简单、响应速度快、输入动态范围大等优点；数字积分器具有性能稳定，精度高等优点。后者的优点使其成为近年来Rogowski线圈电流互感器实用化研究的一个较热点问题。该文首次提出了一套数字积分器设计的方法，其中包括了积分算法的选择，积分输入采样率和分辨率的确定，数字积分器的通用结构，处理直流偏移、积分初值和输入饱和的方法等。并实现了数字积分器样机，进行了实验研究。 标准的数据接口是工业化的要求，也是电子式高压电力互感器产品进入实用化，实现互换性和互操作性的保证。近年来IEC相关标准的陆续出台，使得电子式互感器标准化接口的研究变得更加紧迫和必要。该文以IEC的相关标准为研究对象，根据变电站自动化系统对电子式互感器的要求，讨论电子式互感器及其标准化接口的结构和模型，归纳电子式互感器标准化接口的设计方法，其中包括模拟接口和IEC61850-9-1中的数字接口。 结合电子式互感器标准化接口的研究，该文提出以标准化接口为核心，同时兼顾系统可靠性与电磁兼容的互感器整体设计思想。其中关于标准化接口，讨论了互感器的时间同步，高压端电路的低功耗设计，数字接口实现三个问题。关于可靠性，讨论了可靠性模型的建立，系统可靠性的评估，提高可靠性的措施。关于电磁兼容，讨论了变电站中的电磁干扰和相应的电磁兼容设计措施。 目前的混合电子式电流互感器采用的都是单传感器开环结构，这种开环链结构对整个系统中每个环节的精度和可靠性要求都很高，严重限制了电子式电流互感器精度和可靠性的提高，影响了电子式互感器的实用化。本章提出一种基于Rogowski线圈电流互感器和铁心低功率电流互感器间信息融合的组合结构，该结构具有并联和前馈的特点，从而达到实现高精度测量和提高系统可靠性的效果，同时该方法还可以节约成本。最后，该文结合理论分析和实验研究，完成了220kV/1250A电子式高压电力互感器样机，并给出了样机试验结果。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1电子式高压电力互感器研究的意义

1.2电子式高压电力互感器概述

1.2.1光学电子式互感器

1.2.2混合电子式互感器

1.3混合电子式高压电力互感器的实用化问题

1.4本论文的主要研究内容

2传感器的电磁参数模型及特性分析

2.1 Rogowski线圈的模型分析

2.1.1 Rogowski线圈的基本原理

2.1.2 Rogowski线圈的特性分析

2.1.3 Rogowski线圈电磁参数的计算与测量

2.1.4 Rogowski线圈的实用化

2.2电容分压器的模型分析

2.2.1电容分压器的基本结构与电路模型

2.2.2电容分压器的结构误差分析

2.2.3电容分压器的暂态分析

2.3本章小结

3电流传感器用的积分器

3.1用于Rogowski电流传感器的模拟积分器

3.1.1常用模拟积分器

3.1.2模拟积分的误差分析

3.2用于Rogowski电流传感器的数字积分器

3.2.1数字积分器的提出

3.2.2数字积分的基本原理

3.2.3数字积分器算法的选择

3.2.4采样率和分辨率的确定

3.2.5数字积分器的结构设计

3.3数字积分器的实验研究

3.3.1数字积分器样机

3.3.2直流补偿方案

3.3.3实验与测试

3.4本章小结

4电子式互感器标准化接口的研究

4.1标准化接口的结构及数学模型

4.1.1电子式互感器的通用结构

4.1.2电子式互感器接口的数学描述

4.1.3接口对系统总准确度的影响

4.1.4接口对互感器带宽的影响

4.2电子式互感器的模拟接口

4.3电子式互感器的数字接口

4.3.1电子式互感器数字接口的形式

4.3.2基于IEC61 850的电子式互感器模型

4.3.3基于IEC61 850-9-1的数字接口

4.4本章小结

5电子式高压电力互感器的整体设计

5.1基于互感器的标准化接口的结构设计

5.1.1互感器的时间同步

5.1.2高压端电路的低功耗设计

5.1.3互感器数字接口的实现

5.2电子式高压电力互感器的可靠性设计

5.2.1可靠性的一般理论

5.2.2电子式互感器可靠性模型的建立

5.2.3电子式互感器的可靠性评估

5.2.4电子式互感器的可靠性设计

5.3电子式高压电力互感器的电磁兼容设计

5.3.1变电站中的电磁骚扰

5.3.2电子式互感器的EMC设计

5.4本章小结

6基于信息融合的组合电流互感器研究

6.1信息融合理论简介

6.2基于信息融合的组合电流互感器原理

6.3基于Kalman滤波的状态估计

6.3.1自适应Kalman滤波算法

6.3.2系统的数学模型

6.4基于小波变换的铁心电流互感器饱和检测

6.4.1小波变换及其用于信号突变的检测原理

6.4.2铁心电流互感器饱和实时检测判据

6.5组合电流互感器的器件参数和仿真

6.6本章小结

7电子式高压电力互感器的试验研究

7.1电子式互感器的试验标准

7.1.1误差的定义

7.1.2误差试验和误差限值

7.2电子式互感器的校验系统

7.2.1校验系统的构成

7.2.2误差的计算

7.3电子式互感器样机的试验结果

7.3.1线性度试验

7.3.2误差试验

7.3.3其他试验

7.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢