小電流接地系統(tǒng)諧波在線監(jiān)測(cè)裝置的研制

司渭濱，周密，黨文強(qiáng)，馬海龍

（國(guó)網(wǎng)陜西電力公司安康供電公司，陜西 安康 725000）

伴隨著各行各業(yè)智能化程度的提升，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要，這對(duì)我國(guó)電力行業(yè)的供電可靠性提出了高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。由于電力系統(tǒng)中的故障不可避免，因此在發(fā)生故障后如何快速、精確地找到故障并切除，避免產(chǎn)生故障擴(kuò)大化，在線監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)設(shè)備顯得尤為重要。

大量電力電子器件等非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷的使用以及多種無(wú)功補(bǔ)償裝置的大量投入使用，造成電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題顯得越來(lái)越嚴(yán)重，但由于電網(wǎng)環(huán)境的特殊性，不可以直觀地感受到它的變化，所以諧波污染問(wèn)題需要特殊的手段和特殊的測(cè)量才可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)也伴隨著用電量的增加，其中非線性負(fù)荷也會(huì)成比例的增長(zhǎng)，所以經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)的非線性電力設(shè)備的容量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電網(wǎng)中發(fā)電容量的增長(zhǎng)。

當(dāng)電網(wǎng)中非線性設(shè)備增多后，故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量非線性電流，也就是暫態(tài)電流，利用傅里葉變化可將其分解為不同頻域，也就是諧波。諧波對(duì)整個(gè)電環(huán)境有著嚴(yán)重的危害，所以電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的監(jiān)測(cè)和諧波源溯源的問(wèn)題相當(dāng)重要，為了確保電力系統(tǒng)中電網(wǎng)及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就需要盡量抑制或者減少諧波源的影響。

1 背景介紹

目前，國(guó)網(wǎng)安康供電公司所管轄的變電站內(nèi)中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)均采用不接地或消弧線圈接地方式，即為小電流接地系統(tǒng)。2017～2018年，安康供電公司所轄110kV小河變，35kV卡子變等變電站35kV母線電壓互感器熔斷器多次發(fā)生異常熔斷問(wèn)題，給生產(chǎn)運(yùn)維造成極大困擾。

在發(fā)生故障后，安康供電公司運(yùn)維人員根據(jù)ABB開(kāi)關(guān)柜說(shuō)明書(shū)將熔斷器由原來(lái)的0.5A換型為2A，此后再無(wú)發(fā)生熔斷器熔斷現(xiàn)象。但是熔斷器定值設(shè)置成2A僅為廠家給出的經(jīng)驗(yàn)值，存在定值設(shè)置不合理故障時(shí)燒毀一次設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，現(xiàn)場(chǎng)亟需一種諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可撲捉到熔斷器熔斷一瞬間的波形，通過(guò)傅里葉變換分析得到諧波次數(shù)，進(jìn)而采取有效措施消除掉諧波。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)110kV小河變電站主接線形式、中性點(diǎn)接地方式、消諧措施、互感器熔斷器熔斷時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)報(bào)文分析，已初步確定互感器熔斷器頻繁熔斷的大概率原因?yàn)橹C振。

因此需要對(duì)相應(yīng)三相母線電壓及零序電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。正常情況下對(duì)三相電壓的有效值、總諧波含量、各次諧波含量（最高128次諧波）、三相不平衡等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析其變化趨勢(shì)。實(shí)時(shí)計(jì)算所監(jiān)測(cè)電氣量特征及突變量，只要所監(jiān)測(cè)電壓電流的變化量超過(guò)設(shè)定門限及將突變時(shí)刻前后（一般為前4后16個(gè)周波的波形）發(fā)送至后臺(tái)軟件供進(jìn)一步的分析?？捎糜诠收戏治?、瞬時(shí)過(guò)電壓分析、瞬時(shí)性諧波分析及其他異常情況分析等。

電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置直接從PT二次側(cè)取三相和零序電壓信號(hào)。電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可同時(shí)監(jiān)測(cè)三路相電壓和一路零序電壓信號(hào)。電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)同系統(tǒng)平臺(tái)軟件進(jìn)行通信。主要的組成部分如圖1所示。

圖1 諧波采集系統(tǒng)組成圖

2.2 數(shù)據(jù)同步采集裝置概述

數(shù)據(jù)采集裝置負(fù)責(zé)PT電壓數(shù)據(jù)的同步采樣。每個(gè)采集單元支持1、3或6路電壓的采集。數(shù)據(jù)采集單元采用基于北斗和AFC技術(shù)的高精度同步采樣技術(shù)，數(shù)據(jù)采樣頻率可達(dá)12.8kHz。數(shù)據(jù)采集單元支持采用光纖或無(wú)線通信方式將采集的原始電壓波形數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集裝置包括以下部分：

（1）信號(hào)調(diào)理電路。與避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度零磁通小電流傳感器或PT輸出信號(hào)相連接，以輸入由高精度零磁通小電流傳感器所采集的避雷器泄漏電流信號(hào)或PT輸出的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路將避雷器泄漏電流信號(hào)或PT輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)消抖、濾波、電壓變換、保護(hù)、放大處理后轉(zhuǎn)換為適合并行模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）單元采樣的信號(hào)。

（2）并行模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。與信號(hào)調(diào)理電路相連接。將模擬的電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

（3）北斗單元。集成了北斗模塊，為采樣裝置提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖，供內(nèi)部精確時(shí)鐘模塊進(jìn)行對(duì)時(shí)。

（4）配置單元。包含內(nèi)部精確時(shí)鐘模塊。內(nèi)部精確時(shí)鐘同步模塊與所述北斗模塊連接，用于將來(lái)自于北斗單元的脈沖鎖定；配置單元還與所述并行模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接，以輸出與北斗單元提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖邊界對(duì)齊的周期性采樣脈沖，以作為并行模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣啟動(dòng)信號(hào)。

（5）CPU處理器單元。該部分是數(shù)據(jù)采集裝置的核心部分，負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的運(yùn)行控制、同步采樣控制、數(shù)據(jù)技術(shù)和存儲(chǔ)控制等。

（6）數(shù)模轉(zhuǎn)換和壓控晶體振蕩器（VCTCXO）。受CPU處理器單元和所述配置單元連接，以對(duì)所述CPU處理器單元和所述配置單元分別輸出相同的控制頻率，通過(guò)自動(dòng)頻率控制，實(shí)時(shí)消除壓控晶體振蕩器的頻率偏移，完成高精度同步采集，同步精度可以控制在1us以內(nèi)。

（7）電壓模塊。負(fù)責(zé)將輸入的220V AC信號(hào)轉(zhuǎn)換為裝置內(nèi)部各個(gè)模塊所需要的工作電壓。

（8）4G無(wú)線通信單元。采用工業(yè)級(jí)4G無(wú)線通信模塊，負(fù)責(zé)4G網(wǎng)絡(luò)的接入和通信功能。

（9）有線通信單元。支持RJ45和光口2種方式，可通過(guò)網(wǎng)線或光纖完成通信功能。

（10）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。包括FLASH和DDR，負(fù)責(zé)裝置內(nèi)部軟件程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)

諧波監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了非常曲折的變化歷程，最初是利用人力分析，之后轉(zhuǎn)變到辨別分析，最終轉(zhuǎn)變到機(jī)器自動(dòng)化分析上。在當(dāng)前發(fā)展階段中，借助信息技術(shù)來(lái)提高波形自動(dòng)化監(jiān)控水平，以此來(lái)通過(guò)深度學(xué)習(xí)來(lái)提高學(xué)習(xí)和識(shí)別能力，可以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程監(jiān)控，把事前預(yù)警、事中處置密切結(jié)合起來(lái)，從而極大程度提升在線監(jiān)測(cè)的效率。諧波采樣與智能分析功能結(jié)合，最大限度解放了人力，幫助人工進(jìn)行科學(xué)判斷，能夠有效迅速的解決各種實(shí)際工作中的問(wèn)題。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

本文研制的諧波檢測(cè)裝置具有微型化、安裝方便等特點(diǎn)，它通過(guò)光纖或無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)同遠(yuǎn)程分析后臺(tái)相連接，通過(guò)在智能手機(jī)或監(jiān)控終端內(nèi)運(yùn)行專用的APP來(lái)分析也顯示諧波檢測(cè)及分析結(jié)果，自動(dòng)生成包括地理位置信息、設(shè)備信息等內(nèi)容的分析結(jié)果，并上傳至數(shù)據(jù)中心。該專用的APP軟件具備人工智能分析能力，可以通過(guò)在線升級(jí)的方式升級(jí)軟件，其自檢流程圖如圖2所示。

圖2 程序初始化自檢流程圖

諧波監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部控制用DSP芯片，軟件程序在采用JAVA編程器完成。軟件主程序如圖2所示，首先進(jìn)行啟動(dòng)自檢并進(jìn)行相關(guān)元器件的初始化，根據(jù)程序流程一步一步進(jìn)行，最后進(jìn)入程序的主循環(huán)。主循環(huán)中先進(jìn)行電壓電流波形采集，采樣周期為40ms，同時(shí)利用采集得到的電壓和電流值計(jì)算各典型次諧波功率；接下來(lái)在3s的采樣周期規(guī)定下，計(jì)算出一次諧波含有率、總諧波畸變率和3s內(nèi)典型次諧波的平均功率；最后1h計(jì)算一次1h內(nèi)典型次諧波的平均功率，并與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，將上述檢測(cè)計(jì)算所得數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)中心諧波監(jiān)管軟件。

監(jiān)測(cè)終端正常運(yùn)行期間，每間隔1h向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一次用戶監(jiān)測(cè)點(diǎn)的諧波數(shù)據(jù)并接收消息回應(yīng)。通信內(nèi)容包含電網(wǎng)三相功率、19次以內(nèi)諧波的諧波含有率和總諧波畸變率、典型次諧波的諧波功率瞬時(shí)值和平均值、以及電網(wǎng)電壓電流波形數(shù)據(jù)等。各數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后均接收數(shù)據(jù)中心諧波監(jiān)管軟件的消息回應(yīng)，若消息出錯(cuò)，則監(jiān)測(cè)終端重發(fā)該幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)最多重發(fā)3次，這樣在提高通信效率的同時(shí)增加了程序的容錯(cuò)性。通信處理程序由發(fā)送數(shù)據(jù)程序和接收數(shù)據(jù)程序兩部分組成，兩者順序循環(huán)執(zhí)行，具體的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 程序操作時(shí)序圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文所研制的諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可捕捉波形有效區(qū)分故障原因，給予運(yùn)維檢修人員準(zhǔn)確的故障信息，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。該成果的實(shí)施，可以推廣到陜西省電力有限公司其他地市供電公司，或是其它級(jí)別的變電站小電流接地系統(tǒng)電壓互感器及一次熔斷器頻繁燒毀和熔斷的研究當(dāng)中，有著極大的推廣價(jià)值。其創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）諧波在線監(jiān)測(cè)分析裝置廣域同步采樣的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了能夠更好地分析電壓熔斷器熔斷的原因，需要能夠引入多個(gè)不同位置的在線監(jiān)測(cè)分析裝置的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這就要求不同位置的在線監(jiān)測(cè)分析裝置的采樣數(shù)據(jù)必須精確同步，同步誤差越小，分析準(zhǔn)確性越高。

（2）后臺(tái)分析軟件對(duì)于各類故障、諧振等錄波波形的自動(dòng)分析和識(shí)別。由于小電流接地系統(tǒng)的接地故障和諧振現(xiàn)象非常復(fù)雜，特別是在惡劣天氣條件下各種異常情況多有發(fā)生。后臺(tái)分析軟件需要能夠支持各種不同工況條件下的波形自動(dòng)分析和識(shí)別，即要根據(jù)理論分析建立分析模型，也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善分析和識(shí)別的模型。

（3）系統(tǒng)能自動(dòng)獲取熔斷器頻繁熔斷時(shí)刻波形并加以數(shù)據(jù)分析，在提取現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析特征以后如何找到真正的形成原因，這即需要數(shù)據(jù)分析和理論分析的支持，也需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)一步步確定熔斷器頻繁熔斷的主因，并進(jìn)一步提出解決方案。