司渭濱，周密，黨文強(qiáng)，馬海龍

（國網(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，這對我國電力行業(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功補(bǔ)償裝置的大量投入使用，造成電網(wǎng)中的諧波問題顯得越來越嚴(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，所以諧波污染問題需要特殊的手段和特殊的測量才可以發(fā)現(xiàn)問題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，一個國家的經(jīng)濟(jì)增長也伴隨著用電量的增加，其中非線性負(fù)荷也會成比例的增長，所以經(jīng)濟(jì)增長帶來的非線性電力設(shè)備的容量的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電網(wǎng)中發(fā)電容量的增長。

當(dāng)電網(wǎng)中非線性設(shè)備增多后，故障時會產(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。諧波對整個電環(huán)境有著嚴(yán)重的危害，所以電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的監(jiān)測和諧波源溯源的問題相當(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開關(guān)柜說明書將熔斷器由原來的0.5A換型為2A，此后再無發(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)置不合理故障時燒毀一次設(shè)備的風(fēng)險。

因此，現(xiàn)場亟需一種諧波在線監(jiān)測裝置可撲捉到熔斷器熔斷一瞬間的波形，通過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

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

通過對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監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)報文分析，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。

因此需要對相應(yīng)三相母線電壓及零序電壓進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)測。正常情況下對三相電壓的有效值、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)時監(jiān)測，分析其變化趨勢。實(shí)時計算所監(jiān)測電氣量特征及突變量，只要所監(jiān)測電壓電流的變化量超過設(shè)定門限及將突變時刻前后（一般為前4后16個周波的波形）發(fā)送至后臺軟件供進(jìn)一步的分析。可用于故障分析、瞬時過電壓分析、瞬時性諧波分析及其他異常情況分析等。

電壓諧波在線監(jiān)測裝置直接從PT二次側(cè)取三相和零序電壓信號。電壓諧波在線監(jiān)測裝置可同時監(jiān)測三路相電壓和一路零序電壓信號。電壓諧波在線監(jiān)測裝置通過4G/5G無線通信系統(tǒng)同系統(tǒng)平臺軟件進(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。數(shù)據(jù)采集裝置包括以下部分：

（1）信號調(diào)理電路。與避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的高精度零磁通小電流傳感器或PT輸出信號相連接，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或PT輸出的電壓信號。信號調(diào)理電路將避雷器泄漏電流信號或PT輸出的電壓信號經(jīng)過消抖、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。

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

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

（4）配置單元。包含內(nèi)部精確時鐘模塊。內(nèi)部精確時鐘同步模塊與所述北斗模塊連接，用于將來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)時間脈沖邊界對齊的周期性采樣脈沖，以作為并行模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣啟動信號。

（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)整個裝置的運(yùn)行控制、同步采樣控制、數(shù)據(jù)技術(shù)和存儲控制等。

（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，通過自動頻率控制，實(shí)時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信號轉(zhuǎn)換為裝置內(nèi)部各個模塊所需要的工作電壓。

（8）4G無線通信單元。采用工業(yè)級4G無線通信模塊，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，可通過網(wǎng)線或光纖完成通信功能。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總設(shè)計

諧波監(jiān)測技術(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)器自動化分析上。在當(dāng)前發(fā)展階段中，借助信息技術(shù)來提高波形自動化監(jiān)控水平，以此來通過深度學(xué)習(xí)來提高學(xué)習(xí)和識別能力，可以實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控，把事前預(yù)警、事中處置密切結(jié)合起來，從而極大程度提升在線監(jiān)測的效率。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)際工作中的問題。

3.2 主程序設(shè)計

本文研制的諧波檢測裝置具有微型化、安裝方便等特點(diǎn)，它通過光纖或無線傳輸數(shù)據(jù)同遠(yuǎn)程分析后臺相連接，通過在智能手機(jī)或監(jiān)控終端內(nèi)運(yùn)行專用的APP來分析也顯示諧波檢測及分析結(jié)果，自動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，可以通過在線升級的方式升級軟件，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，同時利用采集得到的電壓和電流值計算各典型次諧波功率；接下來在3s的采樣周期規(guī)定下，計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，將上述檢測計算所得數(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，則監(jiān)測終端重發(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增加了程序的容錯性。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，具體的時序圖如圖3所示。

圖3 程序操作時序圖

4 結(jié)語

本文所研制的諧波在線監(jiān)測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，有著極大的推廣價值。其創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）諧波在線監(jiān)測分析裝置廣域同步采樣的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。為了能夠更好地分析電壓熔斷器熔斷的原因，需要能夠引入多個不同位置的在線監(jiān)測分析裝置的錄波數(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）后臺分析軟件對于各類故障、諧振等錄波波形的自動分析和識別。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。后臺分析軟件需要能夠支持各種不同工況條件下的波形自動分析和識別，即要根據(jù)理論分析建立分析模型，也要根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善分析和識別的模型。

（3）系統(tǒng)能自動獲取熔斷器頻繁熔斷時刻波形并加以數(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)場人員的經(jīng)驗(yàn)來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。