基于拓撲變換的非接觸式電壓傳感器

　　摘要設立線路電壓監(jiān)測點獲取節(jié)點電壓數據對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行評估，若采用接觸式電壓傳感器在某些無法破壞線路絕緣層的節(jié)點處將無法獲得電壓數據。相對于傳統(tǒng)電壓傳感器，非接觸式電壓傳感器具有裝卸簡便、施工安全性高、不受線路絕緣影響等優(yōu)勢，將成為未來電壓測量裝置的發(fā)展方向。

　　該文對傳統(tǒng)電場耦合式非接觸電壓傳感器測量原理進行分析，針對傳統(tǒng)方法下線路與極板間寄生電容無法實地求解的問題提出改進方案。改進后的電壓傳感器通過拓撲變換法獲得一系列原始數據，原始數據經Butterworth數字高通濾波、小波降噪后進行寄生電容計算，最終重構待測電壓。對基于拓撲變換的非接觸式電壓傳感器進行穩(wěn)態(tài)響應、暫態(tài)響應測試，測試結果表明，改進后的電壓傳感器具有較好的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能，幅值與相位偏移較小，且能夠較好地復現(xiàn)暫態(tài)電壓波形，具有實用價值。

　　關鍵詞：非接觸電壓測量拓撲變換寄生電容小波降噪

　　0引言

　　電力系統(tǒng)中，線路電壓作為一項基本數據，在眾多的工程項目與理論研究中具有十分重要的地位。目前中壓電網普遍使用的電壓測量方法是采用傳統(tǒng)電壓互感器將電壓隔離并降低到測量表計可承受的范圍內，在二次側通過電壓表計獲得電壓信息。然而，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器(PotentialTransformer,PT)和電容式電壓互感器(CapacitiveVoltageTransformer,CVT)因體積大、價格昂貴、絕緣結構復雜、不易安裝等缺點極大地限制了傳統(tǒng)電壓互感器的應用場景[1-5]。在低壓配電網電壓監(jiān)測中，盡管不需要電壓互感器進行隔離降壓，但在一些不便于破壞絕緣層的線路節(jié)點，接觸式電表無法有效獲得電壓值。我國當前正處于大力發(fā)展配電網的時期[6,7]，實現(xiàn)對配電網進行大量的實時數據采集對配電網發(fā)展將有重要的現(xiàn)實意義。

　　因此，一種小型化、低成本、無需金屬接觸、具有較好環(huán)境適應性的電壓傳感器具有極大地研究價值。文獻[8]最早提出了非接觸式的電壓測量原理，采用以一定頻率振動的探頭靠近待測線路，通過構造時變的線路-探頭電容用以獲取待測線路電位。但這種測量方案因測量帶寬受限于探頭振動頻率而在實際應用中存在極大的局限性。近年來提出的測量方案多數采用靜止耦合電容探頭，根據電壓等級的不同固定在線路絕緣表面或者線路附近，利用待測金屬線路與金屬探頭間形成的微小寄生電容將待測線路電壓作為未知電壓源耦合到測量裝置，再對流入裝置的感應電流進行信號處理，獲得未知電壓。

　　文獻[9]用金屬桿作為測量探頭，通過電位系數矩陣重構出待測三相線路電壓。但此測量方案需要待測電壓有足夠高的幅值，并且高壓線路附近較為空曠，測量方案因此進行了較大簡化，所以此測量原理并不能適應測量環(huán)境較為復雜的低壓電網。文獻[10]通過電容分壓法進行電壓測量，并考慮了電壓電網附近桿塔等接地體、溫度、濕度等測量環(huán)境對測量結果的影響，但實際環(huán)境中待測線路-探頭間電容、大地-探頭間電容均隨測量場景變化而變化，不能作定值處理。

　　文獻[11]提出一種基于電場耦合的雙探頭非接觸式測量方案，可以有效地減小來自其他方向干擾源造成的誤差，但測量環(huán)境變化導致寄生電容變化的問題仍未得到解決。本文基于電場耦合原理，分析了傳統(tǒng)非接觸式電壓傳感器在不同測量環(huán)境、測量不同型號線路時將金屬探頭-待測線路電容、金屬探頭-大地電容用固定數值來替代所造成的誤差，以所處環(huán)境變化較大的低壓配電網電壓監(jiān)測作為研究目標，提出一種新的非接觸式電壓測量方法，解決了金屬探頭-待測線路電容、金屬探頭-大地電容未知造成的誤差，并通過實驗驗證本測量方案的可行性。

　　1電壓傳感器測量原理

　　1.1傳統(tǒng)電場耦合式電壓傳感器測量原理

　　傳統(tǒng)電場耦合式電壓傳感器的金屬極板探頭(以下簡稱“極板”)靠近待測線路時，會在極板與待測線路金屬部分間形成數值極其微小的寄生電容Cp，其上下極分別為線路金屬部分和極板，絕緣介質為待測線路絕緣層材料。兩側極板各連接一組并聯(lián)電容C、電阻R到大地。文獻[12]提出，在測量過程中，采用平行板分布的差分探頭可以大大減少來自其他方向干擾源的影響，即可減少相對探頭到待測線路距離較遠位置處的其他帶電線路影響至忽略不計。將電極改進后，傳統(tǒng)電場耦合式電壓傳感器的電路拓撲，Cp1、Cp2分別為兩金屬極板與待測線路金屬部分形成的寄生電容，Cs1、Cs2分別為兩金屬極板與大地形成的寄生電容，Ca為兩極板間的寄生電容，UI為待測線路對地電壓。

　　為避免在不同測量環(huán)境下對地電容變化造成電壓傳感器的測量誤差，需將傳感器電路接地，即傳感器的電源地(弱電地)與強電地直接相連，此時兩金屬極板與大地之間的寄生電容即為極板與PCB電源地層之間形成的固定電容[11]。在配電網掛網在線檢測中，為便于進行地理位置信息采集，傳感器一般固定在輸電桿塔附近。根據國家標準《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》(GB50169—2006)，輸電線路桿塔必存在有效接地點，故通過傳感器引出的金屬掛鉤或夾具即可實現(xiàn)傳感器接地。

　　1.2改進的電場耦合式電壓傳感器測量原理

　　傳統(tǒng)電場耦合式電壓傳感器進行低壓配電網電壓測量中無法解決的關鍵問題在于：金屬探頭靠近待測線路時，線路與探頭間形成的寄生電容未知。由1.1節(jié)可知，如果將寄生電容值視為固定系數，則將導致測量不同型號線路時測量誤差較大。所以本文提出一種基于拓撲變換的電壓重構法，先計算出寄生電容值，再進行電壓值計算。

　　2后級信號處理

　　2.1Butterworth高通濾波器

　　獲得未知電容Cp1、Cp2以及輸出電壓Vo后，可通過T(S)=1/H(S)得到輸入電壓波形。T(S)由一個積分環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)構成，因為選取的差分器為儀表放大器INA332，失調電壓帶來的直流分量在積分過程中將造成極大的信號失真。故需要在輸出電壓后加上一級高通濾波器，濾除無用的直流分量。為減小通頻帶幅頻特性波動及相位偏移，本文選用Butterworth高通濾波器，并將截止頻率設置在無限接近于0處。

　　2.2小波閾值降噪

　　信號降噪有多種方法，為獲得良好的暫態(tài)電壓變化波形，本文選用小波閾值降噪去除高頻噪聲干擾。信號經過小波變換，有用信號的小波系數幅值大，高頻噪聲的小波系數幅值小。通過在不同尺度上選擇恰當的閾值，消去小于閾值的小波系數，保留大于閾值的小波系數，從而剔除信號中的噪聲。再通過逆小波變換，得到較為平滑的有效信號。

　　小波降噪首先需要選擇合適的小波基函數(symN、dbN、coifN等)。在不同小波基上進行信號處理，對同一個信號將會得到差異較為明顯的分解結果，去噪效果也有所差異。小波基函數的選取通常考慮小波變換的通用性、有用性和系數的單一性[15]。但在具體到某一問題的小波基函數選取中，為針對目標信號獲得最佳的濾波效果，往往根據濾波后效果與理論效果偏差來確定最適合的小波基函數。通過實驗測試及效率權衡，本文選用db6小波。

　　3傳感器實驗測試

　　在理論推導的基礎上，制作出了基于拓撲變換的電壓傳感器樣機進行測試。本設計中傳感器擬對低壓配電網復雜環(huán)境下的待測線路進行電壓監(jiān)測，需要獲取的信息為穩(wěn)態(tài)電壓幅值及暫態(tài)電壓波形，電壓測量范圍設定為0~1000V。固定在1.5mm2三芯排插電源線上的實際測量圖。因為樣機采用四層板結構，靠近線路的兩層作為極板連接到電路，故不需要另接極板，直接將樣機固定在線路上進行測量。

　　4結論

　　本文通過對傳統(tǒng)電場耦合式非接觸電壓傳感器測量原理進行分析，指出傳統(tǒng)測量原理在測量不同型號線路時將出現(xiàn)較大誤差。為滿足能夠準確測量未知型號線路電壓、適應復雜的低壓測量環(huán)境的目的，設計了基于拓撲變換的電場耦合式電壓傳感器，并對樣機進行了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)響應測試，均獲得了能夠滿足測量要求的結果，能夠實現(xiàn)較為準確的測量不同型號線路的電壓，在暫態(tài)下復現(xiàn)線路電壓波形。本設計在實現(xiàn)電壓傳感器小型化、低成本、無需金屬接觸的基礎上，克服了測量中線路與探頭間寄生電容未知的問題，對電網電壓監(jiān)測點的推廣具有實際應用意義。本文對基于拓撲變換原理的電壓傳感器進行了初步研究，但在某些方面仍需開展進一步的研究。比如：設計利用互感器原理的感應取電模塊為傳感器供電，而將鋰電池設為后備電源[18];研究無需掛接地線的傳感器測量原理。

　　參考文獻

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　　電力方向論文范文：電容器電壓保護試驗方法

　　【摘要】文章總結分析了電容器0壓和差壓保護傳統(tǒng)的投產調試方法所存在的問題，提出了從電容器放電壓變1次側加壓試驗的方案，以提高電容器0序電壓和差電壓保護的可靠性及檢驗2次回路接線的正確性，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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