電網(wǎng)全頻域暫態(tài)信息記錄及分析系統(tǒng)

胡列翔，戚宣威，裘愉濤，沈?qū)毰d，陸承宇，陳 川

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.浙江華云清潔能源有限公司，杭州 310008；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

我國電網(wǎng)已發(fā)展成為世界上前所未有的特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)，系統(tǒng)的運行特征與故障特性發(fā)生了顯著的改變，電網(wǎng)的安全防護面臨嚴(yán)峻考驗[1-5]。電力系統(tǒng)故障錄波是揭示故障特性、分析事故過程、發(fā)現(xiàn)安全隱患的重要自動裝置，長期以來在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了有力的技術(shù)支撐[6-7]。

現(xiàn)有的故障錄波裝置囿于傳感器和信號采樣性能的不足，主要用于分析記錄工頻和低次諧波信息，而較難獲取電網(wǎng)中的寬頻帶暫態(tài)信息，制約了電網(wǎng)內(nèi)故障分析和安全防護水平的提升。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對錄波器采樣率的要求為不低于4 kHz，目前國內(nèi)廠家故障錄波器產(chǎn)品的采樣率一般低于12.8 kHz[8]。

電力系統(tǒng)寬頻帶信息中含有豐富的故障暫態(tài)信息。譬如，一般局部放電脈沖分布在50 kHz～1.5 GHz頻段內(nèi)；雷電波的頻譜范圍高達(dá)數(shù)百kHz，波頭上升時間為μs級；配電網(wǎng)中發(fā)生故障時頻域特征為充電頻率在100～800 Hz，放電頻率在500～2 500 Hz[9-11]。這些信息有助于及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的絕緣破損，在實際短路故障發(fā)生之前實現(xiàn)故障預(yù)警和主動安全保護[1，12]。但是，現(xiàn)有這些高頻暫態(tài)特征都被低通濾波回路過濾掉，或者混疊在基波和低次諧波中而無法獲取與分析。

另一方面，隨著大規(guī)模新能源發(fā)電的集中式和分布式接入、多回大容量直流饋入饋出、柔性直流以及新型FACTS（靈活交流輸電）設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力電子裝置已高度滲透至電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電及用電等各個環(huán)節(jié)，電網(wǎng)電力電子化特征日益凸顯[1]。大量電力電子設(shè)備控制保護系統(tǒng)在故障期間具有離散性、非線性的動態(tài)響應(yīng)過程，增加了故障暫態(tài)過程的復(fù)雜性和多變性，使得短路電流包含大量的暫態(tài)諧波分量?，F(xiàn)有低采樣率的故障錄波設(shè)備難以準(zhǔn)確獲取電力電子設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)過程，制約了復(fù)雜電網(wǎng)故障暫態(tài)特性分析水平的提升。

以下介紹全頻域暫態(tài)信息記錄及分析系統(tǒng)的架構(gòu)體系以及裝置研發(fā)情況。該系統(tǒng)利用基于TMR（隧道磁電阻）效應(yīng)的寬頻帶傳感器，可滿足10 Hz～5 MHz范圍內(nèi)故障暫態(tài)電流的寬頻帶采樣。錄波器可支撐10 kHz全程錄波和10 MHz的暫態(tài)觸發(fā)錄波?；谠撓到y(tǒng)，可實現(xiàn)電網(wǎng)暫態(tài)信息大數(shù)據(jù)的存儲與分析，支撐開展電網(wǎng)大范圍、長過程和發(fā)展性故障的研究，揭示設(shè)備故障、局部放電和雷電等暫態(tài)過程的時頻特征，實現(xiàn)系統(tǒng)不同類型暫態(tài)擾動的快速檢測與識別，支撐主動式預(yù)保護技術(shù)的發(fā)展，從而有力提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平。

1 新型全頻域互感器技術(shù)方案

為實現(xiàn)全頻域電流信息的無損采樣，采用基于TMR效應(yīng)的電流互感器技術(shù)方案。TMR元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，該元件利用磁性多層膜材料的TMR效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的Hall（霍爾）、AMR（各向異性磁電阻）和GMR（巨磁電阻）等磁傳感元件具有更大的電阻變化率和磁場敏感性[13]，目前已應(yīng)用于硬盤磁頭和磁性內(nèi)存領(lǐng)域。

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)，其利用的是磁性多層膜材料的TMR效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)。典型的TMR結(jié)構(gòu)由鐵磁層、非磁絕緣層、鐵磁層構(gòu)成，如圖1所示。當(dāng)2個鐵磁層平行時，一個磁性層中的多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，磁性隧道結(jié)為低阻態(tài)；反之，若2個磁性層反平行時，隧穿電流比較小，呈現(xiàn)高阻態(tài)。

圖1 TMR元件典型結(jié)構(gòu)

由于2個鐵磁層的矯頑力不同，當(dāng)飽和磁化時，其磁化方向互相平行；反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，2個鐵磁層的磁化方向變成反平行。因此，可以通過施加外磁場的方式改變2個鐵磁層的磁化方向為相互平行或反平行，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，即產(chǎn)生TMR效應(yīng)。由于TMR磁性隧道結(jié)的2個鐵磁層間基本不存在層間耦合，所以只需要一個很小的外磁場即可實現(xiàn)鐵磁層磁化方向的改變，進而引起TMR的巨大變化，因此TMR元件具有很高的磁敏感度。此外，TMR元件還具有電阻率高、能耗小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

圖2所示為TMR元件的R-H曲線。該曲線分別具有低阻態(tài)和高阻態(tài)2個區(qū)域。在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的線性區(qū)域為高靈敏度區(qū)域，此時對應(yīng)的工作區(qū)域位于零場附近。響應(yīng)曲線并非沿H=0的線對稱，而是存在一定的偏移量H0。H0值與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結(jié)構(gòu)和平整度有關(guān)，依賴于材料和制造工藝。圖2中，黑色箭頭代表鐵磁層1的磁矩方向，白色箭頭代表鐵磁層2的磁矩方向，磁電阻響應(yīng)曲線隨自由層磁矩和被釘扎層磁矩之間角度的變化而變化。當(dāng)鐵磁層1與鐵磁層2磁矩反平行時，曲線對應(yīng)高阻態(tài)；當(dāng)2層磁矩平行時，曲線對應(yīng)低阻態(tài)；當(dāng)2層磁矩相互垂直時，阻值是位于高阻區(qū)和低阻區(qū)之間的中間值，該區(qū)域線性度較佳，是理想的工作區(qū)域。

圖2 TMR元件的H-R曲線

TMR電流傳感器通常采用如圖 3所示的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中包含有4個TMR元件，通過輸出二次電壓表征一次電流大小。R1，R2和R3，R4的磁敏感方向相反。當(dāng)磁場變化時，R1和R2電阻變大，而R3和R4電阻變小，通過推挽全橋輸出可以增大傳感器的靈敏度和抗干擾性能。

圖3 TMR元件構(gòu)成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)

TMR電流傳感器可以采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，安裝于AIS（敞開式開關(guān)設(shè)備）屏蔽罩內(nèi)以感應(yīng)一次電流產(chǎn)生的磁場，如圖4所示。相比于傳統(tǒng)的電磁式互感器，TMR電流傳感器省去了鐵心元件，重量輕、體積小，便于安裝維護。

圖4 TMR電流傳感器結(jié)構(gòu)及安裝方式

2 全頻域暫態(tài)錄波器技術(shù)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

全頻域錄波器采用分散高速暫態(tài)采集和集中低速全程采集相結(jié)合的模式，其總體架構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)由若干個高速采集裝置和一個監(jiān)測服務(wù)器組成，可適應(yīng)多通道、高速度的數(shù)據(jù)采集和超大容量數(shù)據(jù)管理和存儲。

圖5 全頻域錄波器總體架構(gòu)

暫態(tài)檢測錄波裝置分相安裝于就地一次設(shè)備附近。暫態(tài)錄波裝置以10 MHz的速度就地采集傳感器輸出的單相二次電壓和二次電流信號（皆為電壓量），并對就地采集數(shù)據(jù)進行暫態(tài)擾動分析以實現(xiàn)觸發(fā)錄波，而后將采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果打包發(fā)送給監(jiān)測服務(wù)器。

監(jiān)測服務(wù)器單獨組屏安裝于室內(nèi)，配置了操作一體機、時鐘擴展單元、數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)交換機、光纖配線架、雙電源切換裝置等設(shè)備，其主要功能包括：

（1）監(jiān)測服務(wù)器接收暫態(tài)檢測錄波裝置上送的采樣值和相關(guān)觸發(fā)信息，同時支撐實現(xiàn)10 kHz的全程錄波功能。

（2）服務(wù)器通過人機界面設(shè)置錄波器參數(shù)，并實現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的顯示、查詢與分析等功能。

（3）通過連接的磁盤整列，長期存儲采樣數(shù)據(jù)和分析報告。

（4）監(jiān)測服務(wù)器可接收站內(nèi)時鐘同步信號，并采用光纖B碼對接入的暫態(tài)檢測錄波和全程錄波進行時鐘同步。

2.2 暫態(tài)錄波裝置

暫態(tài)錄波裝置分相就近安裝，檢測每相電壓/電流互感器輸出的二次信號。裝置位于室外絕緣防水箱中，每個裝置有2個檢測模塊，分別對應(yīng)單相電壓或者電流互感器輸出的二次電壓信號?；ジ衅鬏敵龅亩坞妷盒盘柾ㄟ^屏蔽電纜輸入至檢測模塊。

10 kHz低頻采集A/D芯片（16位）轉(zhuǎn)換輸出的電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）緩沖到內(nèi)部雙口RAM（隨機存儲器）。CPU（中央處理器）通過判斷寫滿標(biāo)記，讀取對應(yīng)區(qū)域的雙口RAM數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至后臺監(jiān)控服務(wù)器，以支撐實現(xiàn)全程10 kHz錄波功能。

10 MHz高頻采集A/D芯片（16位）轉(zhuǎn)換輸出的電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過FPGA緩沖到內(nèi)部雙口RAM，再通過內(nèi)部邏輯讀取雙口RAM數(shù)據(jù)保存到DDR3的實時波形存儲區(qū)域。當(dāng)有錄波觸發(fā)信號時，提取相應(yīng)實時波形數(shù)據(jù)、觸發(fā)時刻、觸發(fā)相、觸發(fā)方式等信息并上送至監(jiān)控服務(wù)器。單次觸發(fā)高頻暫態(tài)錄波記錄時間可長達(dá)5 s。

分相安裝的暫態(tài)錄波裝置就地檢測系統(tǒng)擾動并觸發(fā)高頻暫態(tài)錄波。當(dāng)某一相檢測到擾動時，可通過環(huán)形連接的光纖串行總線同步觸發(fā)其他兩相高頻采集裝置開始錄波，從而同時獲取系統(tǒng)擾動期間的三相電壓、電流數(shù)據(jù)。

2.3 后臺應(yīng)用功能

通過后臺服務(wù)器，可以實現(xiàn)錄波器配置以及錄波數(shù)據(jù)的顯示與分析，如圖6給出了10 kHz和10 MHz錄波數(shù)據(jù)波形。

后臺主機可以持續(xù)記錄暫態(tài)錄波裝置上送的10 kHz低頻采集數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)全程錄波功能，磁盤陣列可保存連續(xù)3個月的低頻錄波數(shù)據(jù)。

圖6 10 kHz和10 MHz錄波數(shù)據(jù)波形

10 MHz高頻暫態(tài)錄波的觸發(fā)條件包括分相電壓高/低越限、電壓暫態(tài)擾動以及分相電流高越限、電流暫態(tài)擾動。用戶可以根據(jù)實際情況靈活設(shè)置觸發(fā)定值。其中，電壓、電流暫態(tài)擾動判據(jù)將當(dāng)前采樣瞬時值（在10 MHz采樣率下）與數(shù)個工頻周期前的歷史采樣數(shù)據(jù)進行比較以得到突變量，可以在當(dāng)前單點采樣瞬時值突變的情況下觸發(fā)錄波，從而靈敏獲取電網(wǎng)中的暫態(tài)擾動。

3 結(jié)語

提出了一種全頻域暫態(tài)信息記錄及分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用TMR寬頻帶傳感器，可滿足10 Hz～5 MHz范圍內(nèi)故障暫態(tài)電流的寬頻帶采樣，可支撐10 kHz全程錄波和10 MHz的暫態(tài)觸發(fā)錄波?；谠撓到y(tǒng)，可獲取高達(dá)MHz級的電網(wǎng)暫態(tài)信息，揭示設(shè)備故障、局部放電和雷電等暫態(tài)過程的時頻特征，支撐主動式預(yù)保護技術(shù)的發(fā)展，從而有力提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平。目前該系統(tǒng)已完成裝置研發(fā)，未來將開展動模試驗和現(xiàn)場掛網(wǎng)運行等工作，后續(xù)將進一步研究該系統(tǒng)的工程應(yīng)用情況。