基于全相位频谱分析的无线相位伏安表设计

李新洪,杨铭,赵腾藻,段晓

云南电网有限责任公司保山供电局 678000

摘要：本文对于全相位谱分析的时移相位差法应用在电力信号检测中进行分析探讨。基于全相位频谱分析方法的无线相位伏安表设计通过充分利用全相位谱分析的“相位不变性”及其抑制谱泄露能力的卓越能力，实现了无线相位伏安表的优越性能。经过对于该无线相位伏安表进行仿真，结果表明，该方案能够很好地满足无线相位伏安表的精度要求。该方法具有创新性，设计的无线相位伏安表具有实现简单、使用方便、测量精度高等优点。

关键词：全相位频谱分析；无线相位伏安表；电力信号检测

无线相位伏安表是变电站设计中继电保护、电能计量、电力建设和变送电 工程中二次回路检查的理想仪器。传统相位伏安表电流钳通过有线连接相位伏安表主机[1] 。如果电压测量点和电流测量点不在一起，这一方式非常不方便。相位伏安表可以方便地在现场测量U-U、I-I和U-I之间的相位，识别电感和电容电路的相序和三相电压，检测变压器外壳，并测试差动保护系统和母线。本文设计的无线相位伏安表基于全相位频谱分析技术，可以将电流测量模块和电压测量模块无线连接到无线相位伏安表主机。它非常适合电压测量点和电流测量点不在一起的情况，这对用户来说使用非常方便。

1.全相位频谱分析在无线伏安表中应用

无线相位伏安表是指相位电流表电流终端和相位电流表主机之间的无线连接，用于测量相关参数。由于相电流表的电流端子与主机不在一起，因此很难同时检查电流和电压。这个问题可以通过上文分析的双窗全相位谱分析的时移相位差法来解决。主机通过无线模块在t0时刻向电压测量模块和电流测量模块发送无线信号。无线信号将在短距离内同时到达两个测量模块以实现时间同步[2] 。图1所示为仪表主机。

图1 仪表主机

电压测量模块与电流测量模块主要负责电压和电流信号的采集与参数估计。图2为幅值显示界面。电压测量模块与电流测量模块与同步定时信号后采样点连接，定为第m点开始起，取2N-1点，得到电压采样序列与电流采样序列，从第m+N点开始，同样取2N-1点，得到另一个电压采样序列与电流采样序列。电压测量模块可以杜序列、开展双窗全相位频谱分析，从而获得电压信号的相角、幅值A以及频率。与上述相同，电流测量模块可以对序列、进行双窗全相位频谱分析，从而获得电压信号的相角、幅值A以及频率。

图2    幅值显示界面

电压测量模块和电流测量模块通过无线模块向主机发送计算出的相位角、频率和幅度。这样主机可以计算电压和电流之间的相位差，由电压模块和电流模块计算的平均频率值，以获得更准确的频率值。因此，电压和电流之间的相位差、电压频率以及电压幅值Au和电流幅值Ai可以显示在主机LCD屏幕上[3] 。

2.仿真实验

为了对于基于全相位频谱分析应用在无线相位伏安表设计中的精确性进行验证，本文对于以下信号开展频谱分析仿真。设定电流信号为：

    

设定电压信号为：

   

仿真结果表明，在没有噪声的情况下，基基于全相位频谱分析估计的电压和和电流信号的相位差和频率f0 的可以达到10-6分辨率级，幅度和电压幅度估计误差可以到达10-5分辨率级，尽管存在强幅度谐波信号干扰。这一结果表明全相位频谱分析方法的估计精度比较高。当信噪比为30dB时，全相位谱分析方法的估计精度出现了一定程度的下降，但是依旧可以实现检测，满足检测精度的需求。

3. 结束语

     综上所述，本文通过应用基于全相位频谱分析方法对于无线相位伏安表进行设计，其仿真结果证明可以比较好地满足相位伏安表的精度要求，具有使用方便、实现简单、测量精度高等优势。无线相位伏安表通过无线连接，可以单机测量交流电压、交流电流及电压、电流之间的相位，实现了同步测量变电站内部不同位置之间电流和电压的相位，并且还可以进行无线带负荷测试、无线 PT 核相测试等功能。设计的无线相位伏安表不仅操作简单、测量快速、测量稳定，并且还具有可靠的结果，可以作为电力系统电能计量和继电保护专业开展二次回路现场检测的新一代仪表。除此之外，在电气设备制造、教学科研、钢铁冶金、 铁路电气化、石油化工等行业也可以应用。

1) 测量电流电压相位，检测继电保护之间的相位关系,检查变压器接线组别；检查电能表接线情况，判断是否；

2) 可以作为电能质量分析仪和电量参数记录仪使用；

3) 具有较高的电流测量精度，可充当漏电流表。

参考文献

[1] 姚跃华,王晓东,周云英. 数字式双钳相位伏安表校准装置的研制[J]. 数字通信世界,2018(2):266.

[2] 曹欣,吴海益,石劭毅. 基于单片机的双钳相位伏安表校准装置的设计[J]. 电子世界,2018(5):154-155.

[3] 陈仁威,吴智海. 便携式相位伏安表功能检查仪的推广应用[J]. 机电工程技术,2019,48(11):164-165.