学术简报｜准确测量介质损耗角的新方法：精度高、实现简单、抗噪性好
湖南大学电气与信息工程学院、中国电力科学研究院的研究人员王永、滕召胜等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于采样序列重构的高精度介质损耗角测量方法”），为准确测量介质损耗角，克服基波频率波动、采样率不同、模数转换器位数变化及噪声干扰等因素影响，提出一种基于时域采样序列重构的介质损耗角测量方法。
通过对原始采样序列进行移频滤波实现对基波频率的准确估计，结合估计基波频率和三次样条插值方法实现实际电压和电流采样序列的重构，通过对重构后的电压和电流采样序列分别进行快速傅里叶变换实现介质损耗角的准确求取。仿真结果表明所提算法能够实现对介质损耗角的准确测量且不受非同步采样限制和噪声的影响。实际构建的硬件测试平台验证了该算法的准确性。
随着电网的不断发展，大量的高压电力设备投入运行，其运行状态直接影响电网的安全和经济运行。作为高压电力设备，特别是电容型设备的重要参数，介质损耗角（简称介损角）最直接地反映了电力设备的绝缘状态。通过高压电容型设备介损角的准确测量，可监测设备的绝缘状态，了解绝缘设备在物理和化学方面的状态变化，及时发现由于设备绝缘问题带来的潜在危险，从而避免危险事故的发生。
现有介损角检测方法主要包含两类：
①硬件实现方法，主要包括瓦特计法、电桥平衡法、过零点时差比较法和过零点电压比较法[等，该类方法较为繁琐，效率不高，很难满足介损角自动检测要求；
②软件实现方法，主要包括相关函数法、正弦波参数法、谐波分析法及其他软件计算方法，谐波分析法基于傅里叶变换，是目前介损角测量较常采用的方法。但由于非同步采样的存在，基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）的谐波分析法存在频谱泄漏和栅栏效应，导致相位计算存在较大误差，从而影响介损角测量准确度[20]。
为此，研究者提出了基于Kaiser窗、Nuttall窗、三角自卷积窗、Rife-Vincent窗、Blackman-Harris窗等多种加窗插值FFT算法的介损角测量方法，在一定程度上提高了介损角测量的准确度。
然而基于加窗插值FFT的介损角测量方法中，窗函数的性能容易受到窗函数的选择以及窗函数主瓣宽度和旁瓣电平的影响。另一方面，对于嵌入式系统而言，插值拟合算法的计算量偏大，很难直接在测量设备中求解拟合系数，通常先在上位机中求解拟合系数，再将系数导入测量设备中进行测量，使用过程比较繁杂、缺乏灵活性。
为克服加窗插值FFT算法测量介损角的不足，实现在较强噪声环境下介损角的准确测量，本文提出一种基于序列重构的高精度介损角测量方法。
首先通过对原始采样序列进行简单移频滤波实现基波实际频率的准确估计；再通过三次样条插值结合得到的实际频率和原始采样序列实现对一个周期的实际等效电压、电流序列的重构；最后通过对重构后的电压、电流采样序列使用FFT分别求取两者的初相角，实现介损角的准确测量。
相对于谐波分析法，本文算法由于不需要进行频率方程求解及加窗插值拟合计算，因此计算复杂度较低，同时算法能有效抑制非同步采样情况下频谱泄漏和栅栏效应造成的测量准确度低的问题。最后通过仿真和实际测试，证明了本文提出的算法在准确度、实时性、精度和抗噪声干扰等方面具有优异的性能。
图9 硬件测试平台
本文提出一种基于时域采样序列重构的高精度介损角测量方法，给出了算法实现流程与详细的测量模型推导过程。与目前广泛使用的加窗插值FFT介损角测量方法相比，所提出的方法不用进行加窗处理和谱线插值运算，算法实现简单，提高了介损角的测量速度。
在基波实际频率、介损角真值、采样频率、ADC量化位数改变及白噪声干扰等条件下进行了仿真和实际测试，介损角测量结果表明，本文提出的算法具有测量精度高、实现简单、抗噪性能好等优点。