張 林 包素麗 孫金華

（國電南自軌道交通公司，南京 210000）

在牽引供電電力機(jī)車運(yùn)行過程中，電力機(jī)車一方面是一個很大的非線性負(fù)載，會產(chǎn)生大量的高次諧波，另一方面電力機(jī)車對于電網(wǎng)還是不對稱負(fù)荷，會產(chǎn)生負(fù)序分量，大量非線性、沖擊性負(fù)荷的使用，給牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)重的危害[1-2]。要實現(xiàn)對電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實現(xiàn)電能質(zhì)量的在線分析與實時監(jiān)測，以了解電能質(zhì)量的水平。這有利于及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)上的電能質(zhì)量問題，便于“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，為電網(wǎng)創(chuàng)造一個良好的環(huán)境。同時，故障錄波數(shù)據(jù)是牽引供電系統(tǒng)故障分析和保護(hù)動作判斷的重要依據(jù)。本文結(jié)合多年牽引供電運(yùn)行經(jīng)驗，依據(jù)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，基于嵌入式實時多任務(wù)操作平臺，提出了一種融合了電能質(zhì)量分析及故障錄波的實現(xiàn)方案。

1 硬件設(shè)計

依據(jù)本方案設(shè)計的電能質(zhì)量分析及故障錄波裝置采用基于16位同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量高精度采集系統(tǒng)；交流輸入通道為兩路牽引所進(jìn)線電壓電流共12路通道，每周波128點采樣，并且確保所有通道完全同步；CPU采用Freescale公司的PowerQuicc II系列，高頻率，低功耗，裝置具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；采用基于商用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的通用軟硬件開發(fā)平臺，系統(tǒng)穩(wěn)定性好；采用多層印制電路板布線技術(shù)及SMT表面貼裝技術(shù)；提供靈活的通信接口方式，最多可同時配置兩個RS-485 和3個以太網(wǎng)通信接口。采用印制板背插式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，使裝置內(nèi)部強(qiáng)、弱電回路在走線上完全分開，避免了相互干擾，提高了裝置抗干擾能力；高標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容性能，密閉、抗震的機(jī)箱結(jié)構(gòu)，外殼防護(hù)符合IP50的要求。本裝置硬件主要組成模件有：交流模件、保護(hù)CPU模件、監(jiān)控MMI模件、面板模件、開入模件、電源模件。

交流模件提供多個電壓輸入和電流輸入回路，分別供啟動錄波和測量用，交流量經(jīng)壓互、流互變換后通過母板連線至CPU模件。

CPU模件是裝置的核心模件，功能包括模擬數(shù)據(jù)的采樣和處理、保護(hù)算法、與監(jiān)控模件及 I/O模件通信、事件定值的存儲等基本功能。模件以FreeScale公司的 PowerQUICC II芯片為主處理器，CPU頻率最高到400MHz，低功耗（0.8W at 266MHz）。設(shè)計有32MB NOR FLASH用于程序存儲，256MB NAND FLASH用于事件、錄波等文件存?。辉O(shè)計有32MB SDRAM，系統(tǒng)啟動后程序運(yùn)行于SDRAM，8kB FRAM（鐵電存儲器）用于電度量存儲。CPU模件高主頻和大容量存儲使 CPU具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，為故障的快速分析處理提供了保證。CPU模件采用二階RC無源抗混疊低通濾波和16位、6路同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器AD7656構(gòu)成模擬量采集系統(tǒng)，采樣精度高，采樣回路無可調(diào)元件，具備高度的可靠性。交流采樣功能框圖如圖1所示。

圖1 交流采樣功能框圖

監(jiān)控 MMI模件負(fù)責(zé)處理裝置信息的輸入輸出，并驅(qū)動面板模件提供監(jiān)視、調(diào)試和設(shè)置的人機(jī)界面。監(jiān)控模件用HDLC通信與主控模件交換信息。監(jiān)控模件一方面把主控模件的工作狀態(tài)、輸入、輸出、定值、事件記錄、錄波等信息搜集整理后傳輸給站控層監(jiān)控系統(tǒng)，同時提供裝置人機(jī)界面便于就地監(jiān)視和打印。另一方面，監(jiān)控模件將站控層和人機(jī)界面的控制、設(shè)置和調(diào)試信息傳送給主控模件。監(jiān)控模件設(shè)有硬件時鐘和 GPS對時輸入接口，作為整個裝置的時鐘源，GPS對時輸入接口的有：空接點、有源24V及RS485三種模式的選擇，可根據(jù)需要靈活選配。

面板模件完成觸摸屏位置采集、TFT液晶屏驅(qū)動、蜂鳴器和LED的控制、以太網(wǎng)、USB信號的傳遞以及與監(jiān)控模件的通信等基本功能。

2 軟件原理

本方案產(chǎn)品具有兩主變高壓側(cè)三相電壓、電流諧波分析功能[3]：分析2～25次諧波、諧波含有率、總諧波畸變率；形成諧波計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫，分析基波、諧波相互關(guān)系，存儲諧波越限報告；裝置具有三相電壓、電流不平衡度分析功能：顯示1＃、2＃進(jìn)線電壓、電流值、正序、負(fù)序分量，計算電壓、電流不平衡度。

2.1 測量量計算

本方案產(chǎn)品測量量計算包括全變電所進(jìn)線電壓、電流（基波及2～25次諧波）、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、系統(tǒng)頻率等均是基于傅里葉算法而實現(xiàn)。

2.2 錄波啟動方式

錄波啟動方式包括手動啟動、開入量啟動和交流量啟動3種方式。

手動啟動：人工啟動故障錄波裝置，可當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)方啟動。用于檢查裝置的運(yùn)行狀況，檢測正常運(yùn)行時的各路輸入量的波形。

圖2 測量量軟件流程圖

開入量啟動： 用于監(jiān)測保護(hù)裝置動作及各開入量的狀態(tài)是否發(fā)生變化。開入量可選擇設(shè)定為是否啟動錄波。

交流量啟動：根據(jù)交流量的電壓值來判斷是否存在故障，包括電壓突變量啟動，電流突變量啟動，電壓欠壓啟動，以及電壓過壓啟動。每一種啟動方式都可選擇投退。

2.3 錄波交流量啟動條件

裝置一般采集兩臺主變的高壓側(cè)3相電壓和3相電流，突變量啟動判斷用的是裝置輸入的電壓和電流，當(dāng)主變電壓輸入的為相電壓時（可在裝置運(yùn)行參數(shù)中選擇設(shè)置），裝置會計算出線電壓做過壓和欠壓啟動的判斷使用。

1）電壓、電流突變量啟動

電壓、電流突變量啟動判據(jù)為△UIφ＞△UIZD。其中：△UIφ=|UIφ(t)-2UIφ(t-T)+UIφ(t-2T)|，φ為A、B、C三種相別，T為20ms，UIφ(t)為t時刻相電壓或電流的采樣值，△UIZD為相電壓或電流突變量啟動定值。

電壓、電流突變量啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一相電壓或電流突變量連續(xù)三次大于本組突變量啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組突變量啟動壓板投入；③本側(cè)進(jìn)線隔離開關(guān)在合位（僅對電壓突變量啟動要求）。

2）電壓1組、電壓2組欠壓啟動

欠壓啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一線電壓低于欠壓啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組欠壓啟動壓板投入；③本側(cè)進(jìn)線隔離開關(guān)在合位。

當(dāng)欠壓啟動條件滿足持續(xù)時間大于3s后退出本次欠壓啟動錄波。

3）電壓1組、電壓2組過壓啟動

過壓啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一線電壓高于過壓啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組過壓啟動壓板投入；③本側(cè)進(jìn)線隔離開關(guān)在合位。

2.4 錄波記錄

錄波記錄每次錄波啟動時刻的前4后10周波數(shù)據(jù)，間隔在3s內(nèi)的錄波啟動記錄在1份錄波報告中，錄波啟動發(fā)生后3s內(nèi)沒有新的啟動發(fā)生則結(jié)束本次錄波，生成一份完整的錄波報告。如果連續(xù)啟動超過 30s則認(rèn)為啟動超時，也結(jié)束本次錄波。裝置可保存不低于20份的錄波報告。

2.5 諧波越限判據(jù)

1）諧波電壓越限

式中，Uh為第h次諧波電壓值，U1為基波電壓值，HRUh第h次諧波電壓含有率，HRUhZD為第h次諧波電壓含有率越限整定值，電壓諧波含有率大于整定值時啟動諧波越限報告記錄。

2）諧波電流越限

式中，Ih為第 h次諧波電流值，I1為基波電流值，HRIh第h次諧波電流含有率，HRIhZD為第 h次諧波電流含有率越限整定值，電流諧波含有率大于整定值時啟動諧波越限報告記錄。

2.6 不平衡度越限判據(jù)

1）電壓不平衡度越限

式中，U1為三相電壓正序分量均方根值，V；U2為三相電壓負(fù)序分量均方根值，V；εU為電壓不平衡度，εUZD為電壓不平衡度整定值。電壓不平衡度大于整定值時啟動電壓不平衡度越限報告記錄。

2）電流不平衡度越限

式中，I1為三相電流正序分量均方根值，V；I2為三相電流負(fù)序分量均方根值，V；εI為電流不平衡度，εIZD為電流不平衡度整定值。電流不平衡度大于整定值時啟動電流不平衡度越限報告記錄。

3 本方案的有益效果

隨著電氣化鐵道高速鐵路和城市軌道交通的大力發(fā)展，供電系統(tǒng)對自動化系統(tǒng)也提出新的功能需求，供電的實時性、可靠性、連續(xù)性已經(jīng)成為整個社會關(guān)心的重要問題之一，對電能質(zhì)量的實時監(jiān)測尤為重要，電能質(zhì)量裝置是解決電能質(zhì)量測試的設(shè)備，可以提供電力運(yùn)行中的諧波分析及功率品質(zhì)等數(shù)據(jù)分析，同時能夠?qū)Υ笮陀秒娫O(shè)備在起動或停止的過程中對電網(wǎng)的沖擊進(jìn)行全程監(jiān)測。

本方案產(chǎn)品已成功應(yīng)用于京滬高速鐵路、南京南京地鐵、合蚌引入“四電”系統(tǒng)集成項目綜合自動化系統(tǒng)；新建鐵路宜昌至萬州線站后設(shè)備綜合自動化系統(tǒng)；新建杭甬鐵路客運(yùn)專線設(shè)備物資購售綜合自動化系統(tǒng)；哈大客運(yùn)專線工程牽引變電所綜合自動化等。

4 結(jié)論

本方案設(shè)計從基礎(chǔ)硬件、軟件原理和工程應(yīng)用 3個方面全面提升電能質(zhì)量分析及故障錄波產(chǎn)品的功能和性能。隨著電氣化鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，本公司的銷售業(yè)績不斷提高，該產(chǎn)品將會在牽引供電高速鐵路及城市軌道交通領(lǐng)域得到日益廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。

[1]張旭俊,馬建,涂其遠(yuǎn).電能質(zhì)量分析的新概念及其測量儀器[J].電測與儀表,2005,42(2):1-4.

[2]楊淑英.電能質(zhì)量測量方法及其監(jiān)測裝置研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2003,30(5):136-140.

[3]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.