高次谐波对测控装置测量影响解决方案设计与实现
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员朱何荣、王敏、孙颂林、朱英魁、陈桂友，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，为解决高次谐波引起的频谱混叠，测控装置一般会在采样前端增加低通滤波器，本文针对测控装置采用低通滤波器引起的2~15次谐波衰减问题，以及传统的固定补偿方式在频率偏差情况下的局限性，设计了频率自相关补偿算法，根据实际计算频率进行幅值和相位的实时补偿，从而保证了电压电流功率有效值以及15次及以下谐波计算的精度。
同时，针对高次谐波对频率计算的影响，设计了旋转向量频率测量方法，有效解决了谐波存在导致频率计算误差较大的问题。经过测试以及现场实际应用，证明了改进方案的有效性。
随着直流输电系统的大量建设，各种电力电子、大容量整流、变频电器等设备广泛应用，导致系统中出现多种谐波源[1]。同时，新能源并网发电迅速增长，风力发电和光伏发电并网系统均会配有电力电子装置，也会产生一定的谐波[2]。
测控装置作为变电站自动化系统的测量与采集终端，主要功能是实现电力系统运行状态的采集与一次设备的防误闭锁与运行控制[3]。在数据采集的过程中，根据采样定理，要求采样频率至少高于实际信号最高频率的两倍[4]，否则就会出现频谱混叠的情况。
电力电子设备应用引入高次谐波，导致测控装置采样频率不满足采样定理要求，从而引起频谱混叠，最终导致测量结果数据精度下降，甚至不满足标准对测控装置测量精度要求，针对此问题，测控装置一般采用低通滤波器，在模数转换前端先对高次谐波进行抑制，再根据低通滤波参数对低通滤波引起的低次谐波幅值及相角偏差进行补偿。
本文针对测控装置采用低通滤波器引起的2~15次谐波衰减问题，以及传统的固定补偿方式在频率偏差情况下的局限性，设计了一种频率自相关补偿算法，该算法依据低通滤波器参数形成15次及以下各次电压电流幅值及相角初始补偿系数表，测控装置运行过程中，通过计算得到的基波频率结果，实时调整补偿系数，从而保证了电压电流以及功率的测量精度。
同时，针对电网中高次谐波的存在造成频率计算精度下降的问题，设计了旋转向量频率计算方法，该算法大幅提高了电网电压谐波干扰下的频率计算精度，从而为低通补偿系数的准确计算提供了保证。
测试结果及实际运行情况证明，经过本文提供的方案改进后的测控装置，在电网高频谐波含量符合《GB/T 14549-1993公用电网谐波》[5]要求的情况下，电压电流以及功率的测量精度完全满足《GB_T 13729-2002远动终端设备》标准的要求。
图4 改进方案实现流程图
结论
本文针对测控装置采用低通滤波器解决频谱混叠引起的2~15次谐波衰减问题，以及传统的固定补偿方式在频率偏差情况下的局限性，设计了一种频率自相关补偿算法，通过实时基波频率计算结果，自动调整15次及以下各次电压电流幅值及相角补偿系数，从而保证了电压电流以及功率的测量精度。
同时，设计了旋转向量频率计算方法，大幅提高谐波干扰下的频率计算精度，从而为低通补偿系数的准确计算提供了保证。
测试结果表明，经过本文方案改进后的测控装置，在高频谐波影响以及电网基波频率偏离50Hz环境下，电压电流以及功率的测量精度依然可以完全满足GB/T 13729标准的要求。
改进后的测控装置已经广泛应用于高压换流站及其周边变电站以及分布式发电系统升压变电站。实际运行效果表明，改进后的测控装置在一次电网中存在高频谐波的情况下依然可以正确测量电网的电压电流功率等数据，遥测精度高于GB/T 13729标准的允许误差要求。