电磁兼容用测量仪器高频传递函数的建模方法
|
摘要
变电站的柔性交流输电(FACTS)设备在运行过程中，因大功率器件的频繁开关过程将产生很陡的瞬态脉冲，经近场耦合和远场辐射形成较严重的高频传导和辐射干扰，影响周围的电磁环境并且威胁附近敏感性二次电子设备的正常工作。
理论分析和仿真计算固然重要，但对于最后的成功验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈地依赖于实际测量，特别是当所研究的电磁干扰的时域和频域特性都很复杂时。电磁兼容的研究与分析一般都是建立在实测数据的基础上，因此，测试手段及其准确度显得十分重要。
受各种设计因素限制，实际的测量传感器(如高频电流探头)和电磁场天线的频率特性(增益曲线)并不平坦，而FACTS设备的高频干扰一般具有多频率成分，频带在5kHz—20MHz之间，属于多频率分量信号，这就使得由测试仪器的输出来恢复实际的被测信号时产生困难。因此，必须校正传感器和天线的频率特性，否则测量误差较大。本文的研究目的，就是根据传感器和电磁天线的(厂家提供并由计量部门校准)典型增益曲线，建立其频域的等效传递函数，籍此在时域内对所测数据序列进行离散化处理，实现对传感器和天线频率特性的数字化补偿，以提高其测量准确度。
变电站中使用的PT和CT一般为工频50Hz设计，要建立其精确的基于物理参数的模型相当困难，关键是一些杂散参数难以确定，为此可利用数学方法构建其等效传递函数。论文提出了一种连乘式的高频传递函数模型，便于实现测量仪器测试误差的数字化校正；在进行频谱处理时，综合考虑幅频与相频信息，并采用寻优方法获取模型的各个参数，有效提高了频域等效模型的准确度。研究结果为进一步实现电磁干扰预测提供了一般分析方法。
Steep transients will be caused by FACTS equipments operational within substations due to frequent switching of power electronic devices, which thereby results in serious high-frequency conducted and radiated interference through near-field coupling and far-field radiation. This affects the surrounding electromagnetic environment and poses potential threats to normal operation of the sensitive secondary electronic equipments positioned nearby.
Theoretic analysis and digital simulation is important, however, measurements and experiments, normally as the last ditch for validation, render even more significance in EMC investigation, especially when the time- and frequency-domain characteristics of the electromagnetic interference being studied are complicated. So methodology with instrumentation and measurement in EMC are extremely emphasized.
In fact, the frequency characteristics of a sensor or an antenna does not present a flat line, which poses difficulty in recovering the input signal from a sensor's output, especially when the original signal possesses multi-frequency components. Therefore the frequency characteristics of a sensor or an antenna must be rectified, otherwise big error will be caused. Based on the available frequency response characteristics of a measurement transducer, an equivalent frequency-domain transfer function can be established and digital compensation can be realized to the measured data series in the time domain, which can effectively improve the measurement accuracy.
PT and CT are normally designed specifically for applications at SOHz, thus physical modelling is quite difficult due to lack of the model parameters at high frequency. The practical way is to establish their equivalent models with mathematical methodology based on frequency response. A equivalent model of high frequency transfer function was proposed, in order to realized the digital compensation of measurement equipment's error. The information of amplitude and phase is considered in the frequency domain, at the same time, optimization algorithm is used to get the parameter of the model, in order to improve the accuracy of model in the
理论分析和仿真计算固然重要，但对于最后的成功验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈地依赖于实际测量，特别是当所研究的电磁干扰的时域和频域特性都很复杂时。电磁兼容的研究与分析一般都是建立在实测数据的基础上，因此，测试手段及其准确度显得十分重要。
受各种设计因素限制，实际的测量传感器(如高频电流探头)和电磁场天线的频率特性(增益曲线)并不平坦，而FACTS设备的高频干扰一般具有多频率成分，频带在5kHz—20MHz之间，属于多频率分量信号，这就使得由测试仪器的输出来恢复实际的被测信号时产生困难。因此，必须校正传感器和天线的频率特性，否则测量误差较大。本文的研究目的，就是根据传感器和电磁天线的(厂家提供并由计量部门校准)典型增益曲线，建立其频域的等效传递函数，籍此在时域内对所测数据序列进行离散化处理，实现对传感器和天线频率特性的数字化补偿，以提高其测量准确度。
变电站中使用的PT和CT一般为工频50Hz设计，要建立其精确的基于物理参数的模型相当困难，关键是一些杂散参数难以确定，为此可利用数学方法构建其等效传递函数。论文提出了一种连乘式的高频传递函数模型，便于实现测量仪器测试误差的数字化校正；在进行频谱处理时，综合考虑幅频与相频信息，并采用寻优方法获取模型的各个参数，有效提高了频域等效模型的准确度。研究结果为进一步实现电磁干扰预测提供了一般分析方法。
Steep transients will be caused by FACTS equipments operational within substations due to frequent switching of power electronic devices, which thereby results in serious high-frequency conducted and radiated interference through near-field coupling and far-field radiation. This affects the surrounding electromagnetic environment and poses potential threats to normal operation of the sensitive secondary electronic equipments positioned nearby.
Theoretic analysis and digital simulation is important, however, measurements and experiments, normally as the last ditch for validation, render even more significance in EMC investigation, especially when the time- and frequency-domain characteristics of the electromagnetic interference being studied are complicated. So methodology with instrumentation and measurement in EMC are extremely emphasized.
In fact, the frequency characteristics of a sensor or an antenna does not present a flat line, which poses difficulty in recovering the input signal from a sensor's output, especially when the original signal possesses multi-frequency components. Therefore the frequency characteristics of a sensor or an antenna must be rectified, otherwise big error will be caused. Based on the available frequency response characteristics of a measurement transducer, an equivalent frequency-domain transfer function can be established and digital compensation can be realized to the measured data series in the time domain, which can effectively improve the measurement accuracy.
PT and CT are normally designed specifically for applications at SOHz, thus physical modelling is quite difficult due to lack of the model parameters at high frequency. The practical way is to establish their equivalent models with mathematical methodology based on frequency response. A equivalent model of high frequency transfer function was proposed, in order to realized the digital compensation of measurement equipment's error. The information of amplitude and phase is considered in the frequency domain, at the same time, optimization algorithm is used to get the parameter of the model, in order to improve the accuracy of model in the
引文
[1] 沈善德．电力系统辨识[M]．北京：清华大学出版社，1993
[2] 黄海，张辉，华栋．变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题[J]．电力建设，2002，23(2)：32-33
[3] 赵坤，李庆民，赵彤，等．安装FACTS设备的变电站高频电磁干扰测试系统[J]．高电压技术，2004，30(12)：32-34
[4] 张宝珠．互感器的应用及选用[J]．机电技术，2004，1：90-91
[5] Qingmin Li, W. H. Siew, Martin G. Stewart, et al. Digital correction method for an H-Field sensor in Power System EMC measurements[J]. IEEE transations on power delivery, July 2004, 19(3): 952-956
[6] 李庆民，徐国政，W．H．Siew，等．基于STATCOM的变电站中电磁辐射测试分析
[7] 张重远，梁贵书，崔翔．GIS电站内传导干扰计算模型的建立[J]．高压电器，2003，39(4)：11-13
[8] 张重远，梁贵书，崔翔，等．GIS隔离开关操作对二次设备的影响[J]．高电压技术，2002，28(2)：5-7
[9] A.oguz Soysal,Adam Semlyen.Practical transfer function estimation and its appfication to wide frequency range representation of transformers.IEEE Transactions on Power Delivery,July 1993.8(3):1627-1637
[10] 文锋．自动控制理论[M]．北京：电力出版社，1998
[11] 王立秋，魏焕彩．工程数值分析[M]．济南：山东大学出版社，
[12] B. Gustavsen, A. Scmlyen. Rational approximation of frequency domain responses by vector fitting . IEEE Transactions on Power Delivery, July 1999, 14(3): 1052-1061
[13] 张重远，梁贵书，崔翔．气体绝缘变电站内PT的特快速暂态仿真建[J]．中国电机工程学报，2003，23(7)：84-87
[14] 刘云鹏，律方成，张重远．基于矢量拟合法的局部放电电流传感器的模型参数辨识[J]．电力科学与工程，2003，6：16-18
[15] 梁贵书，王晓辉，张喜乐，等．基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应的计算[J]．高压电器，2004，40(6)：412-414
[16] 张重远，梁贵书，崔翔．气体绝缘变电站内电压互感器高频传输函数模型的建立[J]．电工技术杂志，2002，12：26～28
[17] Wu maolin, Cui xiang. Modeling of wide frequency characteristic of potential transformer[J]. 中国电机工程学报, 2003, 10:1-5
[18] 刘钦圣．最小二乘问题的计算方法[M]．北京：北京工业大学出版社，1989
[19] 王新和，程世洲．曲线拟合的最小二乘法[J]．新疆职业大学学报．2004，12(2)：84～86
[20] 宗殿瑞，宋文臣，刘朋振．最小二乘法应用探讨[J]．青岛化工学院学报．1998，19(3)：296～301
[21] 张继龙，甄蜀春，曹鹏，姚广锋．实验数据的曲线拟合方法及其应用[J]．测试技术学报，2003，17(3)：255～257
[22] 袁亚湘，孙文瑜．最优化理论与方法[M]．北京：科学出版社，2004
[23] 张春晓．解决非线性最小二乘问题的两种方法[J]．青海大学学报(自然科学版)，2003，21(5)：60～65
[24] 钮群．解非线性的最小二乘法拟合曲线的数值延拓法[J]．河海大学学报(自然科学版)，2003，31(5)：597～600
[25] XiaoAiling.Somealgorithmsofnonlinearleastsquares[J]．数学理论与应用，2004，24(2)：86～90
[26] 李述山，陶华学．一个非线性最小二乘混合算法及其在多源多维多类型测量数据联合非线性处理中的应用[J]．测绘科学，2004，29(5)：51～52
[27] 张云，柯水洲．应用最速下降法推求暴雨强度公式的参数[J]．中国给水排水，2003，19(2)：67～69
[28] 曲英杰，宫献军，孙光亮．工程优化中最速下降法的加速技巧[J]．山东工业大学学报，1996，24(6)：495～498
[29] 赵明旺．基于遗传算法和最速下降法的函数优化混合数值算法[J]．系统工程理论与实践，1997，7：59～64
[30] 王晓丽，孙萍．一种全局优化的计算方法[J]．吉林建筑工程学院学报．2000，3：31～36
[31] 周明征．基于遗传算法的曲线拟合和应用[J]．安徽机电学院学报，2000，15(3)：1～5
[32] 田松礼，陈亚民．遗传算法用于电力系统频率特性参数辨识[J]．福州大学学报，2000，28(4)：36～39
[33] 田勇，朱云鹏，冯权．遗传算法在神经网络中的研究与应用[J]．电气传动自动化，2000，22(6)：35～38
[34] 耿新青．遗传算法及其应用[J]．鞍山钢铁学院学报，2000，23(6)：424～429
[35] 戴晓晖，李敏强，寇纪淞．遗传算法理论研究综述[J]．控制与决策，2003，15(3)：263～273
[36] 吴茂林，崔翔，张卫东．电压互感器宽频传递特性的时域测量方法[J]．华北电力大学学报，2004，31(1)25～28
[37] 王泽南．频率响应法中相频特性计算式的错误与修正．合肥工业大学学报，2000年第23卷第3期，437-440
[38] 石立华，周璧华，陈彬，高成．基于幅—频曲线的系统时域响应特性评价方法．电波科学学报，2005，12(15)：467-452
[39] 用频谱分析仪测量网络的频率响应．国外测量电子技术，1997，1
[40] 陈剑，陈心昭，李登啸．测量系统存在幅值和相位误差时准确测量频率响应函数的方法，1995，4(20)：128-133
[41] 邓莉．面向传递函数的数字仿真．重庆工商大学学报，2003，12(20)：76-80
[42] 王惠斌，常青美．基于matlab符号数学工具箱的控制系统分析，2003，11(10)：67-70
[43] 刘翀，郭煜，刘志言．一种基于非线性传递函数的变结构控制．电机与控制学报，2004，3(8)：31-37
[44] Bjorn Gustavsen , SINTEF Energy Research. Wide Band Modeling of Power Transformers
[45] S.P.Lia4 D.G.Fang, X.G.Li. garget feature extraction of frequency domain data with optimal rational approximation
[46] S.Unnikrishna, Pillai,Theodore. A new approach to systerm identification and rational approximation
[47] L.Luo, L.F.Chaparro. Parametric identification of systems using a frequency slice of the bispectrum
[48] A.Ogue Soysal, Adam Semlyen. Practical transfer function estimation and its application to wide frequency range representation of transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, July 1993
[49] 余水宝，张筱燕，成斌，郑金菊，金永贤．传感器传递函数回归算法及其应用研究．仪器仪表学报，2005，8(26)：203-205
[2] 黄海，张辉，华栋．变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题[J]．电力建设，2002，23(2)：32-33
[3] 赵坤，李庆民，赵彤，等．安装FACTS设备的变电站高频电磁干扰测试系统[J]．高电压技术，2004，30(12)：32-34
[4] 张宝珠．互感器的应用及选用[J]．机电技术，2004，1：90-91
[5] Qingmin Li, W. H. Siew, Martin G. Stewart, et al. Digital correction method for an H-Field sensor in Power System EMC measurements[J]. IEEE transations on power delivery, July 2004, 19(3): 952-956
[6] 李庆民，徐国政，W．H．Siew，等．基于STATCOM的变电站中电磁辐射测试分析
[7] 张重远，梁贵书，崔翔．GIS电站内传导干扰计算模型的建立[J]．高压电器，2003，39(4)：11-13
[8] 张重远，梁贵书，崔翔，等．GIS隔离开关操作对二次设备的影响[J]．高电压技术，2002，28(2)：5-7
[9] A.oguz Soysal,Adam Semlyen.Practical transfer function estimation and its appfication to wide frequency range representation of transformers.IEEE Transactions on Power Delivery,July 1993.8(3):1627-1637
[10] 文锋．自动控制理论[M]．北京：电力出版社，1998
[11] 王立秋，魏焕彩．工程数值分析[M]．济南：山东大学出版社，
[12] B. Gustavsen, A. Scmlyen. Rational approximation of frequency domain responses by vector fitting . IEEE Transactions on Power Delivery, July 1999, 14(3): 1052-1061
[13] 张重远，梁贵书，崔翔．气体绝缘变电站内PT的特快速暂态仿真建[J]．中国电机工程学报，2003，23(7)：84-87
[14] 刘云鹏，律方成，张重远．基于矢量拟合法的局部放电电流传感器的模型参数辨识[J]．电力科学与工程，2003，6：16-18
[15] 梁贵书，王晓辉，张喜乐，等．基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应的计算[J]．高压电器，2004，40(6)：412-414
[16] 张重远，梁贵书，崔翔．气体绝缘变电站内电压互感器高频传输函数模型的建立[J]．电工技术杂志，2002，12：26～28
[17] Wu maolin, Cui xiang. Modeling of wide frequency characteristic of potential transformer[J]. 中国电机工程学报, 2003, 10:1-5
[18] 刘钦圣．最小二乘问题的计算方法[M]．北京：北京工业大学出版社，1989
[19] 王新和，程世洲．曲线拟合的最小二乘法[J]．新疆职业大学学报．2004，12(2)：84～86
[20] 宗殿瑞，宋文臣，刘朋振．最小二乘法应用探讨[J]．青岛化工学院学报．1998，19(3)：296～301
[21] 张继龙，甄蜀春，曹鹏，姚广锋．实验数据的曲线拟合方法及其应用[J]．测试技术学报，2003，17(3)：255～257
[22] 袁亚湘，孙文瑜．最优化理论与方法[M]．北京：科学出版社，2004
[23] 张春晓．解决非线性最小二乘问题的两种方法[J]．青海大学学报(自然科学版)，2003，21(5)：60～65
[24] 钮群．解非线性的最小二乘法拟合曲线的数值延拓法[J]．河海大学学报(自然科学版)，2003，31(5)：597～600
[25] XiaoAiling.Somealgorithmsofnonlinearleastsquares[J]．数学理论与应用，2004，24(2)：86～90
[26] 李述山，陶华学．一个非线性最小二乘混合算法及其在多源多维多类型测量数据联合非线性处理中的应用[J]．测绘科学，2004，29(5)：51～52
[27] 张云，柯水洲．应用最速下降法推求暴雨强度公式的参数[J]．中国给水排水，2003，19(2)：67～69
[28] 曲英杰，宫献军，孙光亮．工程优化中最速下降法的加速技巧[J]．山东工业大学学报，1996，24(6)：495～498
[29] 赵明旺．基于遗传算法和最速下降法的函数优化混合数值算法[J]．系统工程理论与实践，1997，7：59～64
[30] 王晓丽，孙萍．一种全局优化的计算方法[J]．吉林建筑工程学院学报．2000，3：31～36
[31] 周明征．基于遗传算法的曲线拟合和应用[J]．安徽机电学院学报，2000，15(3)：1～5
[32] 田松礼，陈亚民．遗传算法用于电力系统频率特性参数辨识[J]．福州大学学报，2000，28(4)：36～39
[33] 田勇，朱云鹏，冯权．遗传算法在神经网络中的研究与应用[J]．电气传动自动化，2000，22(6)：35～38
[34] 耿新青．遗传算法及其应用[J]．鞍山钢铁学院学报，2000，23(6)：424～429
[35] 戴晓晖，李敏强，寇纪淞．遗传算法理论研究综述[J]．控制与决策，2003，15(3)：263～273
[36] 吴茂林，崔翔，张卫东．电压互感器宽频传递特性的时域测量方法[J]．华北电力大学学报，2004，31(1)25～28
[37] 王泽南．频率响应法中相频特性计算式的错误与修正．合肥工业大学学报，2000年第23卷第3期，437-440
[38] 石立华，周璧华，陈彬，高成．基于幅—频曲线的系统时域响应特性评价方法．电波科学学报，2005，12(15)：467-452
[39] 用频谱分析仪测量网络的频率响应．国外测量电子技术，1997，1
[40] 陈剑，陈心昭，李登啸．测量系统存在幅值和相位误差时准确测量频率响应函数的方法，1995，4(20)：128-133
[41] 邓莉．面向传递函数的数字仿真．重庆工商大学学报，2003，12(20)：76-80
[42] 王惠斌，常青美．基于matlab符号数学工具箱的控制系统分析，2003，11(10)：67-70
[43] 刘翀，郭煜，刘志言．一种基于非线性传递函数的变结构控制．电机与控制学报，2004，3(8)：31-37
[44] Bjorn Gustavsen , SINTEF Energy Research. Wide Band Modeling of Power Transformers
[45] S.P.Lia4 D.G.Fang, X.G.Li. garget feature extraction of frequency domain data with optimal rational approximation
[46] S.Unnikrishna, Pillai,Theodore. A new approach to systerm identification and rational approximation
[47] L.Luo, L.F.Chaparro. Parametric identification of systems using a frequency slice of the bispectrum
[48] A.Ogue Soysal, Adam Semlyen. Practical transfer function estimation and its application to wide frequency range representation of transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, July 1993
[49] 余水宝，张筱燕，成斌，郑金菊，金永贤．传感器传递函数回归算法及其应用研究．仪器仪表学报，2005，8(26)：203-205