摘 要

互感器作为电力系统中重要的测量装置，对于稳定性和可靠性有很高的要求，因此需要对使用前和使用中的互感器进行检定，确认互感器工作状态是否正常。目前的互感器检定方式已离线检定为主，离线检定耗时耗力并且难免造成经济损失，因此，提出一种不需要停电检定，基于数据实时反映互感器运行状况的检测、校准方法显得尤为重要。本文为方便进行基于数据的在线互感器校准方法的研究，设计一个变电站模拟运行系统，从主要特征反映电网运行状态。

首先，本文介绍了目前常见互感器的分类和原理，分析了各类互感器之间的优点和缺点，总结了不同互感器使用环境的不同。

其次，本文介绍了变电站运行模拟系统的组成，从发、输、变、用四个部分来搭建运行模拟系统。参考各种实际资料对电源、输电导线、变电站一次接线形式、互感器安装位置等等考虑要素进行选择，综合完成变电站运行模拟系统的线路设计。然后选取合适的Simulink模块来搭建仿真模型。最后根据实际铭牌数据和设计要求，计算出各个仿真模块的参数设置。利用实际的互感器数据为固定不变的仿真输出增加了误差和噪声。此外还编写了一个MATLAB脚本实现仿真的自动运行和数据保存。

最后，分析了用于互感器评估的变电站运行模拟系统仿真得到的数据是否满足设计预期，验证产生的数据能否一定程度上体现电网和互感器的运行状态。

关键词：互感器；状态评估；在线校准；变电站；仿真模型

Abstract

Instrument transformers, as important measuring equipment in power system, have high requirements for their stability and reliability. Therefore, instrument transformers before and during using need to be verified in order to confirm whether the instrument transformers work normally. Nowadays, the instrument transformers verification method has been mainly based on offline verification. It takes time and effort to perform off-line verification and inevitably results in economic losses. Therefore, a detection and calibration method based on real-time data which monitor the instrument transformers’ status is necessary. In order to facilitate the research of data-based online instrument transformer calibration method, this paper designs a substation simulation operation system to reflect the grid operation status from the main features.

First of all, this paper introduces the classification and principle of common instrument transformers, analyzing the advantages and disadvantages of various types of transformers, and summarizing the differences in the use environments of different instrument transformers.

Secondly, this paper introduces the composition of the substation operation simulation system, and builds the operation simulation system from the four parts of generation, transmission, transformation and consumption. With reference to various actual data, the factors for consideration including power supply, transmission conductors, wiring form of substations, instrument transformer installation locations, etc. are selected, and the circuit design of the substation operation simulation system is comprehensively completed. Then select the appropriate Simulink module to build the simulation model. Finally, according to the actual nameplate data and design requirements, the parameters of each simulation module are calculated. The use of actual transformer data adds error and noise to a fixed simulation output. In addition, a MATLAB script file was written to achieve the automatic operation and data saving of simulation.

Finally, it is analyzed whether the data obtained from simulation of substation operation simulation system for instrument transformer evaluation meets the design expectations, and whether the generated data can reflect the status of the power grid and instrument transformer to some extent.

Key Words：Instrument transformer; State assessment; On-line calibration; Substation system; Simulation model.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 互感器的分类与特点 5

2.1 电磁式互感器 5

2.1.1 电磁式电压互感器 5

2.1.2 电磁式电流互感器 6

2.2 电容分压式电压互感器 7

2.3 光电式互感器 8

2.4 本章小结 9

第3章 变电站运行模拟系统结构及各单元建模 10

3.1 发电部分 10

3.2 输电部分 10

3.3 变电部分 12

3.3.1 电气一次接线设计 12

3.3.2 变压器参数计算 15

3.3.3 互感器设计 18

3.3.4 误差模拟 23

3.4 用电部分 25

3.5 运行模拟系统模型仿真结果 25

3.6 数据存储 27

3.7 本章小结 28

第4章 变电站模拟运行系统运行结果分析 29

第5章 总结与展望 32

参考文献 34

致 谢 36

附录 运行脚本代码 37

1. 绪论
   1. 课题研究背景与意义

互感器作为所有继电保护装置及电能计量装置数据的来源，在智能电网的发展中具有重要的地位。互感器一般用于将输电线路中较大的电流或电压，转换成较小的电流或电压后用于控制或是测量。互感器出现故障或严重误差可能造成严重的后果。众所周知，电磁式互感器较为精确，现场表现良好。然而由于成本较大且易于损坏，在超高压线路（220kV及以上）上大多数互感器均为电容分压式电压互感器。依据IEC60044-7[1]和IEC60044-8[2]标准，经过校验满足误差限值规定的互感器才允许上线使用。类似的，国家标准GB/T 20840.7—2007[3]和GB/T 20840.8—2007[4]中也对互感器的校验规程和误差限值做出了相关规定。在长时间运行后，互感器设备老化，误差逐渐增大，尤其电容分压式电压互感器由于其开环结构，稳定性较低，更是容易造成不可逆的误差增加现象。因此不仅要在使用前对互感器进行检定，使用中也要定期进行检定，保证互感器的正常工作状态，确认其误差未超过限值，以确保互感器可靠和稳定。

对于传统的电磁式互感器，常规且成熟的检定方法是比较法，此外还发展出低校高法和负荷误差曲线外推法等间接比较的方法[5]。目前电子式互感器正在逐渐替代传统的电磁式互感器，成为超高压线路中使用的互感器的主流，其原理结构都与电磁式互感器有较大差异。许多新的适用于电子式互感器的校验方法也应运而生。电子式互感器分模拟输出和数字输出，对于模拟输出的电子式互感器又分为直接比较的模拟式校验和包含直接比较法和差值比较法的数字式校验，数字输出的电子式互感器往往采用直接比较法[4]。以上提到的这些方法都需要将互感器离线才能够检定，并且在检定时还会使用到标准电压互感器、升压器、调压器等辅助设备。许多在线运行中的互感器无法停电，即使互感器具有停电检定的条件，搬运庞大器材进行现场检定也是一项耗时耗力的工作，难免带来经济损失[6]。因此，需要提出一种不需要将互感器停电，不需要标准器对比，基于数据实时反映互感器运行状况的检测、校准方法。为了探索这种方法，验证研究方向的可行性，需要得到真实的互感器测量数据来进行各类尝试。而真实变电站中的互感器数据往往由于传输原因导致部分电流、电压或是功率信息的缺失，并且互感器可能在接受检定一段时间后才会上线，检定报告不具有即时性，此外由于检定只是确认互感器误差是否超过了国家标准中的误差限值，变电站提供的检定报告并不一定准确反映了互感器的实际误差。因此需要搭建一个实验室模型，建立一个可以从主要特征反映电网运行状态的包含变电站的局部网络，生成理想的变电站运行数据，从而进行数据挖掘，找到互感器状态的判据。

• 1. 国内外研究现状

电磁式互感器校准的雏形来自Kusters和Moore提出的补偿电流比较器[7]，该方法使用互感器标准器与被测互感器进行比较来评估互感器误差，除此之外还需要四绕组电磁电路和其他一些辅助电子设备，经过发展演变为现在常规使用现场离线校准的互感器检定方式，称为直接比较法。这种方法不仅需要将互感器离线，而且需要拖运体积庞大的标准器，耗费人力物力[8]。1985年，赵修民提出了低校高法，根据低电压测量点的误差值、互感器绕组阻抗信息和负荷信息计算出高电压侧的误差，减小了辅助电子设备的体积和重量，但由于需要测量互感器参数，引入了新的测量误差[9]。2007年，文献[10]中提出了负荷误差曲线外推法，该方法测量低电压下负荷和电压的对应关系，计算出误差补偿值，然后推算出额定电压下的比差及相差。

随着电子式互感器的发展，其造价低，动态范围大，体积小，易于与计算机连接等优点令其得到广泛的应用[11]。而传统的高精度电磁式互感器需要使用高性能的电磁电路来保证高精度，这使得它们非常昂贵，并且不适合在高于50-60Hz的频率下测量。而电子式互感器的输出方式与电磁式互感器有很大的差别，必须研究新的校准方法。在国外，Brandolini和Faifer提出了一种可以同时用于电磁式互感器和电子式互感器的校准方法[12]。不同于测量比差和角差，该方法同时收集互感器二次侧采集的信号和收到相同一次侧信号的参考互感器的二次侧信号。由于不需要电磁电路，该方法经济简单。但由于最精确的互感器还是传统电磁互感器，这种方法会将非传统互感器的被测信号与传统互感器的信号进行比较，这两个信号可能是不同数量级，在电流-电压互感器情况下，甚至可能是不同的量进行比较。参考文献[12]的作者也注明该方法只适用于50Hz-1kHz范围内，精确等级要求为0.1的情况。Siegenthaler和Mester通过模数转换器将被测信号和参考信号独立数字化，然后用软件计算误差。该原理不要求输入信号具有同样的数量级，甚至不需要两个电压或是两个电流。不确定度能够达到 数量级的校准装置已经在METAS成功开发[13]。在国内，谭洪恩等人针对电子式互感器现场校准技术进行了一系列实验分析[14]。基于有源电子式电流互感器、有源电子式电压互感器、无源电子式电流互感器和无源电子式电压互感器四种电子式互感器的工作和校准原理，对校准信号点的选择进行了实验分析，并分别提出了有源电子式互感器和无源电子式互感器的考核标准。对于电子式互感器的模拟输出，目前常分为模拟式和数字式两种校验方法。模拟式校验将一次信号源通过标准互感器得到的二次信号通过调节可变电容和可变电阻分为和一次信号同向及和一次信号正交的两组分量，再通过平衡指示计判断是否和被校互感器平衡，最后通过可变电容和可变电子的值计算出被校互感器的比差和角差。数字式校验即将标准互感器和被校互感器的二次输出信号通过标准通道信号采集装置采集数据后直接比较或是差值比较。电子互感器的数字输出都基本采用直接比较法进行校验[15]。

上述的方法都需要将使互感器下线，来对互感器一次侧输入测量用的一次信号。而大量正在工作中的互感器难以安排停电检定或校准，停电下线也需要断开互感器所在线路，造成经济损失。因此，需要提出一种方法能够不停电，不用标准器就能够判断互感器的工作状态。

在国外，1986年，Adibi和Thorne提出了远程仪表校准问题，提出了一种方法来判断工作状态异常的互感器并加以校准[16]。通过重复测量确定了由于互感器，传感器，设备间的次级引线，模数转换器和缩放导致的误差。然后通过改变电流、电压、功率或是这些变量的比例来补偿误差，从而获得更加准确的结果。这种方法可以在不干扰正常运行的情况下，远程校准某一项电流，电压，有功或无功功率的测量值，现场技术人员只需要检查严重超差的仪器，大大减少了工作量。随后，在1990年，Adibi等人进一步完善了远程仪表校准方法，使用电力系统电压、有功功率和无功功率的遥测值，消除了安装误差，最大限度减小了系统误差、评估测量中的随机误差并且通过估计节点处的电压幅值和相角大大提高了检测到粗大误差的能力[17]。此外，Adibi等人还在1992年证明了，当远程校准数据被用于状态估计时，估计结果得到了显著提升[18]。

在国内，李鹤、李前等人研制了一种测量准确度可达0.05级的110kV变电站用电量互感器在线校准系统，验证了在线校准的合理性和可行性[6]。张秋雁等人针对有源式电子式互感器的功能激光器故障在线监测进行了研究[19]。通过测量功能激光器所在合并单元电源电流并以一次电流值作为辅助判据，经过消噪处理后利用Bayesian方法从概率角度进行故障分析，实现了监测有源电子式电流互感器中的供能激光器是否失效的功能。

以上提到的研究中，有的采用采集数据与标准器进行对比的方式实现在线状态评估，这种方法准确度较高，但依旧存在设备限制；有的采用分析数据本身并加以补偿的方式进行远程校准，这种方式不需要标准器，但准确度与前者相比较低，并且需要反复补偿，无法实时得到互感器的误差值。本课题旨在为开发基于线路稳态数据，不需要标准器的在线互感器状态检测方法提供实验环境，即需要建立一个能够反映电网运行状态的稳态模型，为测试基于稳态数据演算互感器误差的算法提供能够体现电力系统信息的数据。

• 1. 本文主要研究内容

本文针对当前基于互感器稳态数据评估互感器状态，估计互感器误差的研究方向的空白，设计建立了一个可以从主要特征反映电网运行状态的变电站运行模拟系统。在该方案下，本文分析了互感器的分类与结构，明确各类互感器的应用环境，收集互感器运行的典型故障形式和对应的误差特征资料。结合资料设计一个包含发、输、变、用四个部分的局部网络。本文在MATLAB中的Simulink平台下搭建了变电站运行模拟系统仿真模型，对变电站运行模拟系统的结构设计和参数选择进行了仿真，验证了设计的可行性和稳定性。最后，本文分析了变电站运行模拟系统的输出数据，验证了数据是否能够体现互感器稳态特性及互感器误差特性。具体内容分为以下部分：

1. 分析了各类互感器原理、结构和特点，明确搭建互感器运行环境所需的各类设备及其对应参数，收集互感器运行的典型故障形式以及对应的误差特征资料；
2. 从发、输、变、用四个部分设计变电站运行模拟系统的各个组成部分，其中主要包括电源和负荷的接线方式设计，仿真模块选择，变电站电气一次接线设计等等；
3. 根据设计在仿真软件中搭建仿真模型，并选择各模块参数；
4. 整理分析变电站运行模拟系统输出数据，验证其稳态特性是否贴近互感器真实特性，从数据上能否反映设置的互感器典型误差。
5. 互感器的分类与特点

互感器往往还被称为仪表变压器，包括电流互感器和电压互感器。互感器具有和变压器十分接近的工作原理，它们都是基于电磁感应原理实现电能在一次侧和二次侧的传输。根据互感器的不同作用，互感器的二次绕组可以接入测量仪表作为测量互感器、接入继电保护装置用于保护电路或是接入其他自动装置的线圈以进行控制。本章主要从电流电压变换原理的角度对互感器进行分类并分别总结了各类互感器的特点。

1. 1. 电磁式互感器
      1. 电磁式电压互感器

图2.1为单相双绕组电压互感器原理图。互感器二次侧未接负载时，单相双绕组电压互感器工作的原理如下，为一次绕组输入电压，二次绕组开路。一次绕组输入电压产生励磁电流，该电流流经一次绕组，产生励磁磁势，在的作用下，主磁通在铁芯中产生，其幅值受磁路饱和的影响。主磁通会穿过所有缠绕在一次绕组和二次绕组上的线圈，并分别在一次绕组和二次绕组上产生感应电势和 ，其有效值分别为和。将两式相除可得到

（2.1）

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