李忠奎

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京100013）

煤礦井下低壓電網(wǎng)諧波檢測(cè)分析裝置研制

李忠奎1，2，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京100013）

本文針對(duì)煤礦井下電能質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)煤礦諧波分析，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，研究設(shè)計(jì)了基于傅里葉變換和小波變換的諧波檢測(cè)算法，設(shè)計(jì)了諧波檢測(cè)硬件電路和分析軟件，最終形成了一套煤礦井下低壓電網(wǎng)諧波檢測(cè)分析裝置。通過(guò)仿真測(cè)試，該裝置諧波參數(shù)測(cè)量結(jié)果基本達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。該裝置的研發(fā)為煤礦諧波檢測(cè)提供了手段，為掌握煤礦低壓電網(wǎng)諧波規(guī)律、評(píng)估礦井電網(wǎng)電能質(zhì)量提供了技術(shù)支持。

煤礦；低壓電網(wǎng)；諧波；裝置；軟件；電能質(zhì)量

近年來(lái)，隨著大功率電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使煤礦電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，諧波的存在使得電能利用的效率降低，并引起供電設(shè)備的毀壞，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93，對(duì)供電系統(tǒng)電壓和電流的波形畸變和諧波的大小都提出了限制和要求[1]。但是由于煤礦井下供電設(shè)備和地面設(shè)備具有很大差異，井下電網(wǎng)運(yùn)行方式也不同于地面電網(wǎng)，導(dǎo)致諧波采樣和數(shù)據(jù)提取有較大難度，地面成熟的諧波分析設(shè)備無(wú)法直接應(yīng)用于井下，再加上之前我國(guó)沒(méi)有對(duì)煤礦諧波治理和設(shè)備電磁兼容（EMC）可靠性提出強(qiáng)制要求，所以用于煤礦井下的低壓電網(wǎng)諧波分析設(shè)備一直是塊空白[2]。開發(fā)該裝置，用于檢測(cè)煤礦電網(wǎng)諧波污染程度，為進(jìn)一步的諧波治理提供數(shù)據(jù)參考，對(duì)提高供電的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

1 煤礦諧波分析

電力系統(tǒng)理想的情況下，電壓和電流都是正弦波[3]，實(shí)際上都達(dá)不到理想情況。但這種非標(biāo)準(zhǔn)正弦波都可以分解成不同頻率的正弦波，且頻率是基波頻率的整數(shù)倍，這種正弦波即稱為諧波[4]。

近年來(lái)，煤礦供電系統(tǒng)中大量使用變頻器、電力電子開關(guān)設(shè)備、整流設(shè)備和非線性用電負(fù)荷等，都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。變頻器是將工頻電用三相橋電路整流成直流電，再通過(guò)濾波和逆變，轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電[5]。在整流回路或輸出回路中，輸入或輸出波形都是由基波和各次諧波組成的不規(guī)則電壓或電流波，高次諧波不僅干擾電源，而且對(duì)負(fù)載造成很大干擾；變壓器運(yùn)行也產(chǎn)生大量諧波，其是由勵(lì)磁回路的非線性造成的，尤其在負(fù)載變化和非正常運(yùn)行時(shí)，諧波電流會(huì)大大增加[6]；礦井大量使用的電纜也成為高次諧波向空間輻射的載體，其它電氣設(shè)備會(huì)受到很大干擾[7]。

煤礦電網(wǎng)諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重，其危害已不容忽視，尤其是高次諧波，會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。高次諧波會(huì)嚴(yán)重增加電動(dòng)機(jī)和變壓器的損耗；高次諧波會(huì)在交流電動(dòng)機(jī)軸承中產(chǎn)生電流，導(dǎo)致軸承損壞[8]；高次諧波會(huì)降低斷路器和保護(hù)繼電器的性能，導(dǎo)致誤動(dòng)或拒動(dòng)的產(chǎn)生[9]；高次諧波會(huì)導(dǎo)致電纜介質(zhì)損耗增加，破壞其絕緣性能；高次諧波還會(huì)對(duì)煤礦六大系統(tǒng)的安全性造成影響；高次諧波嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致越級(jí)跳閘和大面積停電等供電安全事故，造成巨大的人身及財(cái)產(chǎn)損失。

2 基于傅里葉變換和小波變換的諧波檢測(cè)算法研究

傅里葉變換是對(duì)原始信號(hào)通過(guò)疊加代替進(jìn)行分析[10]，小波變換是通過(guò)改變頻率窗和時(shí)間窗的寬度，固定其面積的時(shí)頻分析方法[11]。小波變換與傅里葉變換相比，空間和頻率上的特性分析效果很好。通過(guò)改變窗寬度，可以將信號(hào)進(jìn)行逐次細(xì)化，達(dá)到很高的分析精度，可以很好的彌補(bǔ)傅里葉變換的不足。但是，小波變換由于其濾波器的缺陷，存在頻譜泄露現(xiàn)象[12]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的將小波變換應(yīng)用于檢測(cè)電力諧波。電力諧波是由穩(wěn)態(tài)部分和暫態(tài)部分組成，傅里葉變換可以得到波形中各次諧波的幅值，小波變換可以得到其時(shí)間信息，傅里葉變換和小波變換各有優(yōu)勢(shì)且相互彌補(bǔ)[13]。因此，文中研究將兩者結(jié)合，用于低壓電網(wǎng)諧波的檢測(cè)分析。利用傅里葉變換分析穩(wěn)態(tài)部分，利用小波變換分析暫態(tài)部分。其算法流程圖如圖1所示。

圖1 諧波分析算法流程圖

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

諧波檢測(cè)分析裝置設(shè)計(jì)主要由防爆殼體、信號(hào)傳感單元、信號(hào)調(diào)理單元、MCU單元、液晶顯示單元、遠(yuǎn)程通訊單元和供電單元等組成。裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 諧波檢測(cè)分析裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

該裝置通過(guò)互感器獲取被測(cè)電網(wǎng)的諧波信號(hào)；該信號(hào)通過(guò)光電隔離等防爆措施輸入調(diào)理單元；調(diào)理單元進(jìn)行信號(hào)濾波并對(duì)幅值進(jìn)行調(diào)整；然后MCU把調(diào)理好的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算；顯示單元將分析數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并顯示裝置工作狀態(tài)等信息；通信單元負(fù)責(zé)與上位機(jī)及第三方設(shè)備進(jìn)行信息交換；按鍵單元是人機(jī)交互部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或命令輸入；存儲(chǔ)單元用于設(shè)置信息或重要數(shù)據(jù)的永久存儲(chǔ)，避免掉電丟失；供電單元提供裝置各部分所需的電源。

3.1 信號(hào)傳感電路

電網(wǎng)傳輸?shù)男盘?hào)為高電壓、大電流信號(hào)，不能直接進(jìn)行采集，需要用互感器轉(zhuǎn)換成電子電路能夠處理的范圍。非煤行業(yè)一般采用電容式電壓互感器，但其應(yīng)用于煤礦井下存在不能完全隔離、精度低等諸多問(wèn)題，一種新型的光學(xué)電壓互感器完全解決了該問(wèn)題，其是利用光學(xué)晶體在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生效應(yīng)的原理[14]，從而實(shí)現(xiàn)了高壓側(cè)與低壓側(cè)真正意義上的電氣隔離，且光信號(hào)不受電磁干擾，保障了采集信號(hào)的準(zhǔn)確性和精度。

采集諧波信號(hào)不僅要獲取其各種穩(wěn)態(tài)參數(shù)，更重要的是要獲取其擾動(dòng)或突變產(chǎn)生的各類暫態(tài)信號(hào)，因此要求信號(hào)傳感電路具有很高的性能。光學(xué)電壓互感器具有線性度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量頻帶寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)，且其實(shí)現(xiàn)真正意義的電氣隔離，為其在煤礦瓦斯條件下應(yīng)用提供了很好的條件，故本裝置選擇采用光學(xué)電壓互感器。

3.2 信號(hào)調(diào)理單元

對(duì)電信號(hào)進(jìn)行高次諧波分析時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鏡像效應(yīng)和頻率泄漏的問(wèn)題，文中采用MAX291實(shí)現(xiàn)八階巴特沃斯抗混疊濾波器[15]。煤礦電網(wǎng)基波為工頻信號(hào)，設(shè)計(jì)分析到50次諧波，諧波頻率最高為2.5 kHz。設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。MAX291大部分功能都集成到芯片內(nèi)容，設(shè)計(jì)外圍電路很簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用很方便，不僅提高了工程師的設(shè)計(jì)效率，而且提高了整個(gè)電路的性能。但其本身具有零點(diǎn)漂移大和頻譜失真的問(wèn)題，故本文設(shè)計(jì)電路中用R8和R9兩個(gè)電阻消除零點(diǎn)漂移造成誤差過(guò)大的影響，并且設(shè)計(jì)C8、C6和C9電容用來(lái)對(duì)電源和時(shí)鐘信號(hào)的濾波，減少開關(guān)電容濾波器帶來(lái)的頻譜失真。設(shè)計(jì)的電路通過(guò)測(cè)試，能很好的濾除雜波信號(hào)，避免信號(hào)的鏡像效應(yīng)問(wèn)題，信號(hào)畸變率小，電路穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)，很好的達(dá)到了所需要的應(yīng)用效果。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路圖

3.3 通訊單元

裝置設(shè)計(jì)采用485通訊接口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊功能，并且設(shè)計(jì)采用MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可以滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與其它通訊平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配接。RS485通訊接口采用了平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的方式，抗干擾性好，工業(yè)應(yīng)用成熟穩(wěn)定。其最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)為1 200 m，頻率低的情況下可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，并可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信方式。電路原理圖如圖4所示。電路采用模塊化設(shè)計(jì)，U11為單片機(jī)串口轉(zhuǎn)485通訊驅(qū)動(dòng)模塊。電路中設(shè)計(jì)R83電阻為120 Ω，并配合S6開關(guān)組成通訊線路匹配電阻投切電路，在需要增加匹配電阻時(shí)，打開S6開關(guān)即可，方便了設(shè)備的安裝維護(hù)。設(shè)計(jì)R71、R72、R77、R804個(gè)電阻和F9和F10兩個(gè)保險(xiǎn)電阻實(shí)現(xiàn)通訊電路的抗干擾，提高了通訊的穩(wěn)定性。

4 裝置軟件設(shè)計(jì)

為了保證諧波分析時(shí)間的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)用定時(shí)中斷完成讀取采樣數(shù)據(jù)以及諧波分析功能，另外為了提高實(shí)時(shí)性，485通訊、按鍵解析以及定時(shí)保存數(shù)據(jù)這些功能均采用中斷方式完成。主程序首先對(duì)所有功能以及數(shù)據(jù)完成初始化任務(wù)，初始化的內(nèi)容包括:系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)鐘、定時(shí)器的初始化、電能分析模塊的初始化、485通訊的初始化、顯示屏初始化、存儲(chǔ)初始化、實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化等。初始化完成之后，進(jìn)行故障診斷，系統(tǒng)診斷正常即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理程序，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，之后由顯示屏顯示相應(yīng)的內(nèi)容。如果有按鍵按下轉(zhuǎn)到按鍵中斷處理程序，處理完成后，返回主程序。如果有485通訊指令，轉(zhuǎn)到485通訊中斷處理程序，完成后返回主程序。系統(tǒng)主程序和中斷處理程序框圖如圖5所示。

圖4 通訊單元電路原理圖

圖5 系統(tǒng)主程序和中斷處理程序框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

諧波檢測(cè)是諧波治理的基礎(chǔ)，通過(guò)諧波檢測(cè)計(jì)算出電網(wǎng)中各次諧波的頻率、幅值和相角等基本電力諧波參數(shù)，在知道這些信息后，通過(guò)計(jì)算可以進(jìn)一步對(duì)電網(wǎng)中諧波做出更詳盡的諧波質(zhì)量分析，進(jìn)而為后續(xù)的諧波治理提供理論上的指導(dǎo)。文中根據(jù)當(dāng)前我國(guó)煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中存在大量諧波的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)對(duì)諧波檢測(cè)相關(guān)理論與技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套以傅立葉變換和小波變換算法相結(jié)合的電網(wǎng)諧波檢測(cè)分析裝置。文中對(duì)裝置的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過(guò)仿真測(cè)試，該裝置諧波參數(shù)測(cè)量結(jié)果基本達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Development on harmonic detection and analysis device for underground low voltage power network in coal mine

LI Zhong-kui1，2，3
（1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing 100013，China；3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology，Beijing 100013，China）

In view of the power quality problem of coal mines，by harmonic analysis and combined with actual productions，the paper designs the harmonic detection algorithm based on Fourier transform and wavelet transform，and designs the harmonic detection hardware circuit design and the analysis software，finally it formed a set of harmonic detection analysis device in the coal mine with low voltage power grid. Through the simulation test，the results of harmonic parameters measurement from this device are basically meets the requirements of national standards.The research and development of this device provided the harmonic detection methods for coal mine，and offered the technical supports for mastering the harmonic rule of low voltage power grid and evaluating the power quality of power grid in coal mines.

coal mine；low voltage grid；harmonic；device；software；power quality

TN7

：A

：1674-6236（2017）02-0085-03

2016-01-26稿件編號(hào)：201601240

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金支撐項(xiàng)目（2013MS012）；煤炭科學(xué)研究總院技術(shù)創(chuàng)新基金支撐項(xiàng)目（2012CX06）；煤炭科學(xué)技術(shù)研究院技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2015CX04）

李忠奎（1981—），男，河北滄縣人，碩士，副研究員。研究方向：供電安全。