牽引變電所電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

苑春剛

摘 要：針對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測日益迫切的需求，本文介紹了一種牽引變電所電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)。以LabVIEW為核心平臺，采用電壓及電流互感器和傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及工控機等硬件設(shè)備，開發(fā)維護費用低，性價比高，擴展性強，能夠?qū)崿F(xiàn)多路同步信號采集。

關(guān)鍵詞：牽引變電所 電能質(zhì)量 LabVIEW 實時監(jiān)測

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0001-02

隨著我國高速鐵路客運專線的大力發(fā)展，大容量牽引負荷對電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的負序和諧波，往往造成嚴重的電能質(zhì)量問題，不但影響供電系統(tǒng)的安全運行，還對自身用電過程造成直接或間接的危害。當前，實時性、可靠性、連續(xù)性已經(jīng)成為對牽引供電的基本要求，為了實現(xiàn)綜合治理電能質(zhì)量，必須實現(xiàn)對牽變電所電能質(zhì)量進行在線分析與實時監(jiān)測，能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量存在的缺陷，對整體或局部電能質(zhì)量進行評判，從而采取針對性的治理措施，保障整個供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量測量裝置功能以硬件為核心，比較單一，擴展性和靈活性較差，已經(jīng)逐漸無法滿足日益復(fù)雜的對牽引供電系統(tǒng)實時性、多參數(shù)同步測試的要求。而且其一般由單一功能儀器組成，每套儀器僅僅完成有限的功能，如功率測量儀器，主要用于有功功率、無功功率、功率因數(shù)測量和電能計量，要想知道諧波含量，還需要安裝諧波測量和分析裝置。其實測到的電壓電流信號既是計算功率參數(shù)的依據(jù)，也是計算諧波含量的依據(jù)，這就造成測量效率的低下和成本、體積較大，自動化程度低，而數(shù)據(jù)也難以得到進一步挖掘。

因此，本項目研制了一種新型的電能質(zhì)量參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效地對牽引變電所的電能質(zhì)量參數(shù)進行實時不間斷監(jiān)測。項目結(jié)合當前計算機、通信以及測試測量等技術(shù)領(lǐng)域的最新進展和先進技術(shù)，將系統(tǒng)的核心從硬件轉(zhuǎn)向軟件，利用計算機虛擬儀器技術(shù)，在微機采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起電能質(zhì)量參數(shù)測量系統(tǒng)。

1 技術(shù)方案及硬件設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，整個測量功能包括以下環(huán)節(jié)。

1.1 測量信號的獲取

基于對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的整體性的要求，需要獲取牽引變電所內(nèi)各關(guān)鍵位置的電壓電流信號，總計16路測量信號。包括高壓進線三相電壓和電流共6路；牽引母線電壓2路；以及若干路牽引饋線電流，考慮到復(fù)線鐵路牽引饋出線一般為4路，如果是AT供電方式，接觸線T和正饋線F的電流都需要測量，這就需要8路。

由于所測信號為高電壓、大電流，無法直接輸入測量系統(tǒng)，因此測量電壓、電流取自牽引變電所電壓互感器（PT）和電流互感器（CT），分別將高電壓和大電流轉(zhuǎn)換成100V電壓和5A電流，由測量電路進行調(diào)理。由于目前牽引變電所使用的互感器多為電磁式鐵心結(jié)構(gòu)，由于磁滯和飽和的影響，對于高精密度的電能質(zhì)量參數(shù)測量計算會帶來不利影響，但對大多數(shù)參數(shù)測量的影響在可接受的范圍內(nèi)，隨著互感器更多地更換為電子式，這種影響也會越來越小。

1.2 電壓電流變換

互感器輸出的電壓電流信號對于數(shù)據(jù)采集卡而言仍然較大，需要變換后才能輸入。結(jié)合采集卡的量程（0～10V），電壓變換將100V的壓互電壓信號變換成5V電壓，電流變換將5A的流互電流信號變換成5V電壓，既能充分利用采集卡的量程，又能適應(yīng)不同運行方式帶來的影響。

電壓信號經(jīng)兵字DVDI互感器變換為5V左右的電壓；電流信號獲取較為困難，因為流互二次側(cè)不得隨意斷開，設(shè)計采用了福祿克i200s交流電流鉗，一方面將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號以便采集；另一方面其卡鉗式探頭可以在現(xiàn)場靈活方便拆裝。

1.3 數(shù)據(jù)采集

為了用計算機分析測量數(shù)據(jù)，需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，也就是進行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換的精度與可靠性直接影響到電能質(zhì)量參數(shù)分析計算的結(jié)果。這里同步問題尤為關(guān)鍵，因為電能質(zhì)量分析過程中用到的電壓電流信號如果時間不同步，那么相互運算就沒有意義。設(shè)計采用了阿爾泰PCI2008A型采集卡，可以直接插到工控機PCI總線上運行，12位AD轉(zhuǎn)換精度，16路同步模擬輸入信號采樣，每通道可達25kS/s同步采樣頻率，可以滿足50次諧波的測量需要。

1.4 LabVIEW虛擬儀器軟件系統(tǒng)

工控機系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器平臺構(gòu)建電能質(zhì)量監(jiān)測的軟件系統(tǒng)，通過各種算法對采樣數(shù)據(jù)進行分析計算，能夠?qū)︻l率、諧波、電壓波動和閃變、三相不對稱度等電能質(zhì)量參數(shù)進行分析計算。

考慮到牽引變電所自用電的質(zhì)量并不理想，周圍存在較強的電磁干擾，設(shè)計中采用了工業(yè)控制計算機，整個采集系統(tǒng)能夠長期可靠工作，抗干擾能力較強。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)功能上分為監(jiān)測和分析兩部分，其軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)測部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計算模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，參數(shù)計算模塊又包括頻率分析、負序分析、諧波分析、電壓偏差計算、波動與閃變、故障錄波等模塊。這一部分根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)計算出電能質(zhì)量的各個參數(shù)，并通過SQL數(shù)據(jù)庫進行存儲。

分析部分對設(shè)定時間內(nèi)存儲的參數(shù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算其平均值、標準差、最大（?。┲?、95%概率值等，得出電能質(zhì)量各項指標參數(shù)的變化趨勢，最終形成電能質(zhì)量參數(shù)報表。

3 結(jié)語

本文針對鐵路牽引變電所工程現(xiàn)場，以LabVIEW虛擬儀器技術(shù)為平臺建立了電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，裝置能夠長時間在線實時監(jiān)測電能質(zhì)量的各項參數(shù)，使用方便，擴展靈活，具有良好的推廣應(yīng)用價值，先后應(yīng)用于多個牽引變電所的電能質(zhì)量監(jiān)測，反饋信息顯示達到了設(shè)計的預(yù)期目的和要求。

參考文獻

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