配電網(wǎng)內(nèi)外過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)裝置研究

孫慶勇 周軍

(四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000)

在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中，電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是各行各業(yè)生產(chǎn)不可缺少的動(dòng)力，也是人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚哪茉?。由于電與社會(huì)生產(chǎn)以及人民生活密切相關(guān)，電能的不足或供電質(zhì)量不好以及停電等均可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，影響正常的社會(huì)生產(chǎn)和人民的生活。因而提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，確保供電的電能質(zhì)量，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的首要任務(wù)。

目前國(guó)內(nèi)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，取得顯著成果，但也有很多亟待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)用裝置功能較為單一，大部分只能監(jiān)測(cè)并且記錄系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓和電壓暫降，畫出故障數(shù)據(jù)波形，并且一般是單臺(tái)裝置檢測(cè)1組或者2組母線并在該裝置上完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及分析，分析能力較欠缺，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)在內(nèi)部傳輸或者遠(yuǎn)傳方面的技術(shù)還有待提高［1-2］。

本次研究結(jié)合現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的基本需求和項(xiàng)目早期研制的電力系統(tǒng)電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的不足，在保證已有裝置的功能的基礎(chǔ)上，完善該裝置的監(jiān)測(cè)功能。使其不僅能夠監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓，也能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外部過(guò)電壓、電壓暫降等電壓事故。找到最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集、判斷和存儲(chǔ)方式，豐富該裝置的分析功能。

1 裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)原理

本次研究研制的裝置由高壓分壓器、二次分壓器、數(shù)據(jù)采集卡、一體化工作站和專用軟件組成。在線監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

系統(tǒng)電壓信號(hào)經(jīng)高壓分壓器和二次分壓器聯(lián)合作用降低至合適的電平，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)電壓信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換。通過(guò)設(shè)計(jì)的采集區(qū)間將數(shù)據(jù)存入RAM的循環(huán)區(qū)中，然后再利用軟件中設(shè)置好的判據(jù)判斷是否出現(xiàn)過(guò)電壓信號(hào)以及電壓暫降信號(hào)。一旦出現(xiàn)故障信號(hào)，系統(tǒng)立即響應(yīng)將故障前后的電壓信號(hào)“有效存儲(chǔ)”，以文件形式保存數(shù)據(jù)，載入數(shù)據(jù)庫(kù)。然后進(jìn)一步利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示、諧波分析等操作，實(shí)現(xiàn)智能化管理［3-4］。

1.2 裝置總體結(jié)構(gòu)

本次研究的電壓質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置為了能直接掛網(wǎng)運(yùn)行，因此要求該裝置在運(yùn)行中不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，且自身功率損耗小。該裝置主要應(yīng)用在10 kV系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電壓高，必須保證操作人員的人身安全和裝置工作的安全性。結(jié)合采集部分對(duì)輸入信號(hào)范圍的要求，該裝置總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 裝置總體設(shè)計(jì)圖

該裝置主要含有4個(gè)部分:高壓分壓器、二次分壓器、高速采集卡和工業(yè)化一體工作站(簡(jiǎn)稱工控機(jī))。高壓分壓器直接與變電站的母線相連，將高壓信號(hào)進(jìn)行第一次分壓，低壓側(cè)的電壓信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸給二次分壓器進(jìn)行第二次分壓。同樣，二次分壓器低壓側(cè)的電壓型號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸給采集部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換。最后由工控機(jī)中自主研發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷、存儲(chǔ)及分析。

2 裝置軟件設(shè)計(jì)

本次研究研制的在線監(jiān)測(cè)裝置能夠即時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓信號(hào)，而顯示分析程序不需要時(shí)刻處于運(yùn)行狀態(tài)，僅當(dāng)用戶需要對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)調(diào)用查看時(shí)才需要運(yùn)行。因此，將數(shù)據(jù)采集程序和顯示分析程序分開(kāi)設(shè)計(jì)，分別為采集軟件和顯示分析軟件。采集軟件和顯示分析軟件均采用VC++編程軟件在Windows XP環(huán)境下編寫。開(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中，使用PCI-1714U高性能數(shù)據(jù)采集卡自帶的驅(qū)動(dòng)程序drive.h和研發(fā)Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù) Adsapi32.dll4.1.1 數(shù)據(jù)的采集模式。

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的過(guò)程中，要進(jìn)行一系列的計(jì)算判斷，包括是否出現(xiàn)過(guò)電壓的判斷、是否出現(xiàn)電壓暫降的判斷以及是否有諧波采集指令的判斷。在計(jì)算中，過(guò)電壓判斷和電壓暫降處于同一個(gè)線程，過(guò)電壓判斷優(yōu)先。當(dāng)判斷出現(xiàn)過(guò)電壓以后，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，不再進(jìn)行電壓暫降的判斷;當(dāng)判斷出沒(méi)有過(guò)電壓時(shí)，再進(jìn)行電壓暫降的判斷。諧波采集單獨(dú)一個(gè)線程。采集程序流程圖，如圖3所示。

2.2 顯示分析軟件

圖3 采集程序流程圖

本次研究研制的電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的主要功能不僅僅是能夠在線監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)的故障電壓信號(hào)，還能夠通過(guò)調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)供用戶進(jìn)行故障分析。數(shù)據(jù)存盤后，由同一個(gè)運(yùn)行于Windows XP平臺(tái)下的分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)分析處理軟件是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度的直接體現(xiàn)，該部分軟件用MFC開(kāi)發(fā)，人機(jī)界面好，可操作性強(qiáng)，可以進(jìn)行波形顯示、諧波分析、相位分析等操作。用戶通過(guò)調(diào)用存盤數(shù)據(jù)，可以檢查系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，判斷影響設(shè)備安全的過(guò)電壓來(lái)源，為變電站內(nèi)設(shè)備的絕緣運(yùn)行狀態(tài)分析提供依據(jù)。分析程序流程如圖4所示。

圖4 顯示分析程序流程圖

3 裝置實(shí)驗(yàn)分析

在完成理論基礎(chǔ)研究、硬件選擇和軟件開(kāi)發(fā)以后，對(duì)裝置進(jìn)行了組裝應(yīng)用。調(diào)試分為2個(gè)方面，包括功能測(cè)定和裝置穩(wěn)定性測(cè)試。調(diào)試時(shí)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，包括操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓、電壓暫降和諧波采集，驗(yàn)證該裝置的數(shù)據(jù)采集軟件、高性能采集卡以及數(shù)據(jù)傳輸部分是否能夠正常及穩(wěn)定的工作。數(shù)據(jù)采集完成存儲(chǔ)以后，啟動(dòng)顯示分析軟件，調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)試顯示分析軟件的功能是否正常且能夠穩(wěn)定工作。然后，模擬該裝置的長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，以驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行時(shí)，該裝置的散熱能力、穩(wěn)定性是否均能滿足要求。

3.1 電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓實(shí)驗(yàn)

模擬電力系統(tǒng)內(nèi)部操作過(guò)電壓采集測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)室接線圖如圖5所示。

圖5 操作過(guò)電壓試驗(yàn)接線圖

利用模擬試驗(yàn)電路，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序，即時(shí)監(jiān)測(cè)線路電壓，當(dāng)觸頭K突然閉合模擬發(fā)生過(guò)壓時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置記錄下這一過(guò)程。數(shù)據(jù)存盤以后，啟動(dòng)顯示分析程序，調(diào)用過(guò)電壓數(shù)據(jù)，單通道進(jìn)行波形顯示如圖6和圖7所示。

圖6 單通道顯示操作過(guò)電壓波形圖

圖7 操作過(guò)電壓高頻存儲(chǔ)部分放大波形圖

由圖6、圖7分析可知，本次研制的裝置能夠準(zhǔn)確光滑地采集到模擬操作過(guò)電壓的波形，并且顯示過(guò)電壓倍數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)操作過(guò)電壓在過(guò)電壓發(fā)生后的18個(gè)周期內(nèi)消失時(shí)，本裝置也能光滑準(zhǔn)確地采集到此變化的過(guò)程。

3.2 雷擊過(guò)電壓實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行雷電過(guò)電壓的實(shí)驗(yàn)時(shí)，用高壓大廳的沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生雷電過(guò)電壓。調(diào)節(jié)發(fā)生器的電壓幅值以及分壓器的分壓比，使進(jìn)入在線監(jiān)測(cè)裝置的二次分壓器的電壓信號(hào)電平在合適的范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證裝置采集波形的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)多加了一個(gè)手動(dòng)設(shè)置電壓閾值的功能，該功能的優(yōu)點(diǎn)是:可以人為的設(shè)置任何一個(gè)電壓值作為觸發(fā)點(diǎn)，啟動(dòng)采集程序，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有疊加工頻電壓，即直接將沖擊發(fā)生器與分壓器相連接，使電壓值降到采集卡的輸入范圍內(nèi)，采用手動(dòng)設(shè)置電壓閾值的方法(本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的電壓閾值是0.7 V)。采集到的雷電過(guò)電壓波形如圖8所示。

圖8 雷電過(guò)電壓高頻存儲(chǔ)部分放大波形圖

為了檢驗(yàn)該裝置采集雷電過(guò)電壓波形的準(zhǔn)確性，同時(shí)接入TCK示波器，將示波器存儲(chǔ)的波形與該裝置采集此案時(shí)的波形相比較，驗(yàn)證該裝置采集是否準(zhǔn)確。TEK示波器顯示的波形如圖9所示。

圖9 示波器采集到的雷電過(guò)電壓波形顯示圖

可見(jiàn)，2組測(cè)試波形基本接近，波形差別的主要原因是2個(gè)裝置的采樣頻率不同，裝置采樣頻率為7 M，示波器的采樣頻率為1 G，所以從波形上看，由于裝置的采樣率低，測(cè)量的波形更光滑。

3.3 電力系統(tǒng)電壓暫降實(shí)驗(yàn)

模擬系統(tǒng)電壓暫降進(jìn)行采集測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)室接線圖同過(guò)電壓試驗(yàn)接線圖，見(jiàn)圖5。

根據(jù)裝置實(shí)際安裝情況的分壓比，調(diào)整小型分壓器的輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)R1和R0的分壓以后，兩端的輸出電壓為20 V，即系統(tǒng)正常時(shí)的高壓電容分壓器低壓臂的輸出電壓幅值為20 V。通電以后，將開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，使R2接通，則兩端的輸出電壓將下降，以此過(guò)程來(lái)模擬電力系統(tǒng)中的電壓暫降［5］。

利用模擬試驗(yàn)電路，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序，即時(shí)監(jiān)測(cè)線路電壓，當(dāng)觸頭K突然斷開(kāi)模擬發(fā)生電壓暫降，監(jiān)測(cè)裝置記錄下這一過(guò)程。數(shù)據(jù)存盤以后，啟動(dòng)顯示分析程序，調(diào)用電壓數(shù)據(jù)，單通道進(jìn)行波形顯示如圖10和圖11所示。

圖10 單通道顯示電壓暫降波形圖

圖11 電壓高頻存儲(chǔ)部分放大波形圖

由圖10、圖11分析可知，本次研制的裝置能夠準(zhǔn)確光滑地采集到模擬電壓暫降的波形，并且顯示過(guò)電壓倍數(shù)。

3.4 諧波采集分析實(shí)驗(yàn)

本裝置的采集程序中，諧波采集分為即時(shí)采集和定時(shí)采集2個(gè)部分，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試時(shí)，對(duì)這2個(gè)功能均進(jìn)行測(cè)試。將小型變壓器的輸出電壓調(diào)成20 V，用同軸電纜接入工控機(jī)中。啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件和顯示分析軟件，在顯示分析軟件中發(fā)送即時(shí)采集指令后，在諧波文件夾中出現(xiàn)一組諧波數(shù)據(jù)，若再次發(fā)送即時(shí)采集指令，則諧波文件夾中出現(xiàn)另一組諧波數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，本裝置的諧波即時(shí)采集功能能夠穩(wěn)定運(yùn)行［6］。

要驗(yàn)證裝置的定時(shí)采集功能，必須將該裝置接入電壓信號(hào)并長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，在軟件中設(shè)置諧波采集間隔對(duì)諧波進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠按照設(shè)定的時(shí)間間隔穩(wěn)定地采集電壓信號(hào)并存盤。調(diào)用存儲(chǔ)的諧波數(shù)據(jù)，如圖12所示。

圖12 諧波波形顯示圖

由圖12分析可知，本次研制的裝置能夠準(zhǔn)確光滑地即時(shí)或者定時(shí)采集系統(tǒng)中諧波信號(hào)，供用戶對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行分析。對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析和相位分析，分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 諧波分析界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

在早期研制的監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)在線監(jiān)測(cè)裝置的不足和發(fā)展趨勢(shì)，研制出一套功能齊全的電力系統(tǒng)電壓在線監(jiān)測(cè)裝置。該裝置功能齊全，性能穩(wěn)定，彌補(bǔ)了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)裝置不能兼顧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓與雷電過(guò)電壓的不足。在滿足光滑采集雷電過(guò)電壓波形的同時(shí)，解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)占用空間太大的矛盾。確保采集過(guò)程數(shù)據(jù)不丟失的情況下，能夠兼顧采集電力系統(tǒng)可能發(fā)生的內(nèi)、外過(guò)電壓，并且完善了波形顯示功能，使波形顯示得更準(zhǔn)確、更清晰。

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