陳金木，陳 冠，蔣斯琪，沈小軍

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800；2.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海 200092)

0 引言

直流電源系統(tǒng)是變電站繼電保護(hù)裝置、自控裝置及照明裝置的工作電源[1]。近年來，直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)受到高度重視，另外直流系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要性也備受關(guān)注，Q/GDW1969—2013《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定應(yīng)對(duì)變電站直流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。理論分析及工程總結(jié)表明，變電站直流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量應(yīng)包含直流電壓幅值波動(dòng)、正負(fù)極直流電壓幅值偏差、高次諧波分量、工頻交流竄入等指標(biāo)。傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置不具備變電站直流電源系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估功能，相關(guān)領(lǐng)域的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置也不支持變電站直流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)同步綜合量測(cè)評(píng)估。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種變電站直流電源系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀，并基于Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了儀表設(shè)計(jì)功能的可行性及參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，為減少或避免因電能質(zhì)量惡化引發(fā)事故提供工具。

1 變電站直流電源電能質(zhì)量劣化因素及特征分析

直流電源系統(tǒng)電能質(zhì)量會(huì)受到電壓波動(dòng)、電壓偏移、交流電壓竄入等的影響，電能質(zhì)量下降的原因通常是直流系統(tǒng)出現(xiàn)了一些故障，目前常見的直流系統(tǒng)的電能質(zhì)量劣化故障主要有以下幾點(diǎn)：

(1)直流電源系統(tǒng)接地故障。直流電源系統(tǒng)故障多為系統(tǒng)中某一點(diǎn)與地之間發(fā)生短接或?qū)Φ亟^緣性能發(fā)生劣化[2]，直流系統(tǒng)的接地故障會(huì)造成母線電壓波動(dòng)與正負(fù)極電壓不對(duì)稱現(xiàn)象[3]，導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降。

(2)直流電源系統(tǒng)交流竄入。變電站現(xiàn)場(chǎng)除了直流回路外，還存在著大量而廣泛的交流回路，當(dāng)直流回路與這些交流二次回路相連時(shí)，會(huì)使交流信號(hào)竄入直流系統(tǒng)正負(fù)極母線[4]，導(dǎo)致母線對(duì)地等效電壓不再等于其正常工作狀態(tài)的電壓值，電壓出現(xiàn)明顯波動(dòng)，出現(xiàn)工頻分量。

(3)直流系統(tǒng)蓄電池組故障。蓄電池的工作電壓會(huì)受其自身特性與充電設(shè)備等的影響[5]，導(dǎo)致蓄電池組不能輸出額定電壓，使直流系統(tǒng)母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)和偏差，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

(4)交流充電機(jī)故障造成諧波超標(biāo)。當(dāng)諧波引起系統(tǒng)諧振時(shí)，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)[6]，干擾通信裝置，損壞系統(tǒng)設(shè)備，引發(fā)系統(tǒng)事故，威脅直流系統(tǒng)的電能質(zhì)量和其安全運(yùn)行[7]。

2 直流系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)儀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

研制的直流系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)儀通過接線端子接入直流電源正負(fù)極(母排)，由信號(hào)采集終端依次采集正、負(fù)極母線的相關(guān)電壓參數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整合，利用通信模塊將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄茉\斷后臺(tái)，終端后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并展示結(jié)果?？梢娭绷飨到y(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀要實(shí)現(xiàn)直流電壓幅值波動(dòng)、正負(fù)極直流電壓幅值偏差、高次諧波分量及工頻交流竄入等評(píng)估功能，需在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確采集直流電壓信號(hào)與交流電壓采樣。檢測(cè)儀工作時(shí)不能對(duì)直流電源系統(tǒng)狀態(tài)造成干擾，影響系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量。

圖1 直流系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)儀采集交直流電壓信號(hào)次序及基本策略如下：按照直流電壓信號(hào)、工頻交流信號(hào)、高次諧波信號(hào)的順序依次采集評(píng)估，每次每類信息采樣時(shí)長(zhǎng)為1 s，信號(hào)采集間隔為1 s，采集過程中S1～S4的狀態(tài)如表1所示。1表示閉合，0表示斷開。

表1 信號(hào)采集開關(guān)狀態(tài)控制表

2.2 檢測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 直流電壓采樣調(diào)理模塊

設(shè)計(jì)的母線直流電壓檢測(cè)電路如圖2(a)所示，為使待測(cè)量電壓U1在主控制器ADC電壓輸入范圍內(nèi)，利用電阻R1與R2組成的檢測(cè)電阻對(duì)直流母線電壓進(jìn)行分壓。設(shè)計(jì)將正極母線與地之間的直流電壓等比縮小為原來的1/50，即R2與R1+R2之比應(yīng)為1:50，通常直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置電阻橋Rb為kΩ級(jí)，為了使檢測(cè)電路的接入對(duì)直流系統(tǒng)本身不造成電壓波動(dòng)與偏移，應(yīng)當(dāng)使R1+R2?Rb，綜上使R1=49 MΩ，R2=1 MΩ。

經(jīng)過分壓電路，電阻R2兩端的電壓還需要經(jīng)過調(diào)理電路輸入到主控制器模塊。對(duì)于調(diào)理電路，如圖2(a)所示，將AD623的1號(hào)引腳與8號(hào)引腳懸空，設(shè)置AD623為單增益模式(G=1)，因?yàn)閁1電壓大小已經(jīng)滿足后級(jí)的電壓輸入范圍，所以利用AD623設(shè)計(jì)電路起到隔離與緩沖的作用，可以將測(cè)量電壓在盡可能小的誤差情況下輸入至主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)模轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)的負(fù)極母線對(duì)地電壓檢測(cè)電路如圖2(b)所示，與正極母線對(duì)地電壓檢測(cè)電路原理大致相同，區(qū)別將AD623設(shè)置為雙電源供電模式，電路增益為-1，將分壓電路輸出的負(fù)值轉(zhuǎn)換為絕對(duì)值以適配主控制器A/D轉(zhuǎn)換端口的輸入電壓范圍。直流母線電壓值Ud2等于負(fù)極對(duì)地電壓的絕對(duì)值|Udf|加上正極對(duì)地電壓Udz，因此采集正、負(fù)極母線電壓直流信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算就能得到直流系統(tǒng)母線電壓。

(a)正極對(duì)地電壓檢測(cè)電路

(b)負(fù)極對(duì)地電壓檢測(cè)電路圖2 母線直流電壓采樣調(diào)理電路圖

2.2.2 交流電壓采樣調(diào)理模塊

電容具有“隔直通交”的特性，利用一階RC濾波器，可實(shí)現(xiàn)直流母線上的交流信號(hào)的提取。直流母線交流分量信號(hào)的提取分為2個(gè)部分：對(duì)竄入的工頻分量進(jìn)行提取；對(duì)系統(tǒng)的高次諧波進(jìn)行提取。設(shè)計(jì)的母線交流分量信號(hào)檢測(cè)電路及參數(shù)如圖3所示。

(a)母線工頻電壓采樣電路

(b)母線高次諧波電壓采樣電路圖3 母線交流電壓采樣電路圖

圖3(a)是設(shè)計(jì)的工頻交流電壓采樣電路，該信號(hào)傳感模塊連接在正極母線與地，以及負(fù)極母線與地之間，經(jīng)過濾波電路后，電路中的50 Hz交流分量被提取出來。

根據(jù)Q/GDW 1969—2013《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中5.7.2要求，當(dāng)竄入交流的幅值達(dá)到10 V時(shí)應(yīng)當(dāng)報(bào)警，為了對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行精確評(píng)估，采樣電路需要對(duì)10 V以下的交流電壓有較高的測(cè)量精度，同時(shí)保留一定測(cè)量裕度，因此設(shè)計(jì)電路的測(cè)量量程為0～30 V。提取的交流分量經(jīng)過一個(gè)由R2、R3組成的20∶1的分壓電路進(jìn)行分壓，再通過一個(gè)由穩(wěn)壓二極管組成的雙向±1.5 V限幅電路，使輸出電壓范圍適配后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換0～3.3 V的輸入電壓范圍。當(dāng)輸入電壓小于30 V時(shí)，電路可以精確測(cè)量電壓，當(dāng)電壓幅值超過30 V時(shí)，電路滿量程輸出。

圖3(b)是設(shè)計(jì)的高次諧波采樣電路，原理與工頻電壓采樣電路大致相同。經(jīng)過濾波電路后，電路中的大于150 Hz的交流高次分量被提取出來。由于高次諧波幅值較小，一般在5 V以內(nèi)，為了精確測(cè)量，該電路中的分壓電路變比減小為5∶1。

交流信號(hào)是有正負(fù)幅值的信號(hào)，需要將被測(cè)信號(hào)抬高至0 V以上，適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的需要。在設(shè)計(jì)中，使用了基于TL082運(yùn)放的信號(hào)調(diào)理電路。如圖4所示，電路由兩級(jí)調(diào)理電路組成，實(shí)現(xiàn)雙極性信號(hào)到單極性信號(hào)的調(diào)理。

圖4 母線交流電壓調(diào)理電路圖

2.2.3 主控制器選型

根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)?，待采樣的電壓信?hào)共有4路，其中待采樣的交流電壓頻率范圍在50～500 Hz之間，因此為了采集交、直流信號(hào)，主控制器的ADC采樣速率至少在2 kHz以上，同時(shí)至少具備4個(gè)ADC轉(zhuǎn)換通道，主控器還應(yīng)通過控制繼電器S1、S2、S3、S4的關(guān)斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過通信模塊與智能診斷后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，本裝置選擇基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407單片機(jī)作為主控制器。該型MCU的ADC采樣頻率最高達(dá)6 MHz，內(nèi)置有3個(gè)獨(dú)立的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)ADC可共享16個(gè)外在轉(zhuǎn)換通道，滿足信號(hào)采樣速率和通道數(shù)量的指標(biāo)需求。

2.2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

交互通信模塊基于單芯片無線微控制器CC3200進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片支持802.11 b/g/n無線協(xié)議。同時(shí)支持Station、AP、WiFi direct工作模式。模塊通過UART串口通信與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并使用其數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ?，利用WiFi網(wǎng)絡(luò)將主控制器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給智能診斷模塊。

3 直流電源系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估規(guī)則

直流系統(tǒng)電能質(zhì)量利用電壓波動(dòng)、電壓偏移、工頻交流竄入量以及高次諧波分量等指標(biāo)評(píng)估，評(píng)估流程如圖5所示。

圖5 電能質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估流程圖

評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法如下：

(1)

式中： ΔU為電壓波動(dòng)；Umax為電壓有效值曲線上相鄰的2個(gè)極值中的最大值；Umin為電壓有效值曲線上相鄰的2個(gè)極值中的最小值；UN為額定電壓。

電壓變動(dòng)頻率f的計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中r為電壓變動(dòng)頻度，1/s，即為單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)，由小到大或由大到小各算一次變動(dòng)。

電壓偏移dU為母線對(duì)地電壓Ur與母線標(biāo)稱電壓Ue之差與標(biāo)稱電壓Ue之比的百分?jǐn)?shù)來表示。

(3)

高次諧波的分析可以使用小波變換[9]進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于函數(shù)Ψ(t)，當(dāng)且僅當(dāng)其傅里葉變換滿足條件：

(4)

對(duì)于任意的信號(hào)f(t)，其連續(xù)小波變換為

(5)

(6)

通過伸縮尺度因子a與移動(dòng)位移因子b，通過具有帶通特性的小波變換，就能在各個(gè)頻帶上得到分解后的信號(hào)波形，求得諧波。電壓諧波總畸變率等于各次諧波電壓的和方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)，如式(7)所示。

(7)

參考《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》、《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)專家經(jīng)驗(yàn)，直流電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量評(píng)估規(guī)則如下：

(1)對(duì)于專供控制負(fù)荷的直流系統(tǒng)，考慮電纜壓降，母線電壓為標(biāo)稱電壓的105%～110%；

(2)對(duì)于專供動(dòng)力負(fù)荷的直流系統(tǒng)，考慮電纜壓降，母線電壓為標(biāo)稱電壓的105%～112.5%；

(3)對(duì)于控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流系統(tǒng)，考慮電纜壓降，母線電壓為標(biāo)稱電壓的105%～110%；

(4)直流系統(tǒng)電壓波動(dòng)的變動(dòng)頻率小于1 Hz；

(5)直流對(duì)地電壓偏移值小于直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的4.5%；

(6)直流系統(tǒng)正負(fù)極母線對(duì)地電壓中交流電壓幅值小于10 V；

(7)直流系統(tǒng)正負(fù)極母線上電壓諧波畸變率小于5%。

4 直流系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行性仿真

基于Multisim軟件搭建了如圖6所示的仿真模型，以校驗(yàn)檢測(cè)儀系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性和功能的可行性。圖6中，Rb1、Rb2為絕緣檢測(cè)裝置平衡橋電阻(50 kΩ)，Rcable+、Rcable-為直流系統(tǒng)正、負(fù)極對(duì)地等效電阻(1 MΩ)，不考慮電纜壓降，開關(guān)S1連接正極對(duì)地電壓檢測(cè)電路，開關(guān)S2連接交流工頻采集電路，開關(guān)S3連接高次諧波采集電路，開關(guān)S4連接負(fù)極對(duì)地電壓檢測(cè)電路，開關(guān)S5模擬負(fù)極母線接地故障，開關(guān)S6模擬負(fù)極工頻交流竄入，開關(guān)S7模擬正極高次諧波。

圖6 直流系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀電路仿真圖

4.1 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性仿真校核

(1)當(dāng)直流電源系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，正母線對(duì)地電壓都應(yīng)接近110 V。依次閉合圖6中開關(guān)S1、S2、S3、S4，通過萬用表XMM1與XMM2數(shù)據(jù)，觀察接入系統(tǒng)檢測(cè)電路對(duì)系統(tǒng)的影響，如表2所示。

表2 正常狀態(tài)下檢測(cè)電路對(duì)直流系統(tǒng)影響 V

(2)閉合圖6中開關(guān)S5，模擬直流電源系統(tǒng)負(fù)極發(fā)生接地故障。依次閉合開關(guān)S1、S2、S3、S4，通過萬用表XMM1與XMM2數(shù)據(jù)，觀察接入系統(tǒng)檢測(cè)電路對(duì)系統(tǒng)的影響，如表3所示。

表3 接地故障時(shí)檢測(cè)電路對(duì)直流系統(tǒng)影響 V

以上仿真結(jié)果表明檢測(cè)儀電路對(duì)直流系統(tǒng)的母線電壓不造成影響，不改變直流電源系統(tǒng)原始狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置合理，具有可行性，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。

4.2 檢測(cè)儀功能可行性仿真驗(yàn)證

4.2.1 母線接地故障仿真

圖7是將圖6中S5閉合，模擬直流系統(tǒng)的負(fù)極母線單相接地故障，正、負(fù)極電壓不對(duì)稱現(xiàn)象的曲線。其中曲線1為正極對(duì)地電壓采集電路輸出波形，曲線2為負(fù)極對(duì)地電壓采集電路輸出波形。

圖7 直流系統(tǒng)接地故障直流電壓采樣仿真波形圖

由仿真數(shù)據(jù)可得該采樣電路能夠準(zhǔn)確地反映直流母線的電壓變化情況，同時(shí)調(diào)理電路輸出電壓范圍在主控制器ADC輸入電壓的范圍內(nèi)，具有可行性，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。

4.2.2 母線工頻交流竄入故障仿真

將圖6中S6閉合，模擬直流系統(tǒng)負(fù)極發(fā)生工頻交流竄入，設(shè)定工頻交流串入信號(hào)有效值為20 V。

由圖8可知，通過母線交流分量采集電路，可以有效測(cè)量母線工頻交流電壓的變化，將20 V工頻交流信號(hào)提取出來，滿足后級(jí)電路的輸入范圍。

圖8 負(fù)極工頻交流20 V竄入故障仿真波形圖

4.2.3 母線高次諧波竄入故障仿真

將圖6中S7閉合模擬電源系統(tǒng)高次諧波。由圖9可知，通過諧波分量采集電路，可以準(zhǔn)確提取母線交流高次諧波電壓的變化情況，具有可行性。

圖9 正極交流高次諧波竄入仿真電路圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套便攜式變電站直流電源系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)儀，通過便攜式模塊檢測(cè)記錄變電站直流系統(tǒng)正負(fù)極母線電壓，將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能診斷模塊，后臺(tái)根據(jù)制定的評(píng)估指標(biāo)分析實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)電壓質(zhì)量評(píng)估。基于Multisim軟件仿真結(jié)果表明檢測(cè)儀的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理，功能可行。