配电网内外过电压在线监测装置研究

孙庆勇 周军

(四川省电力公司自贡供电公司，四川 自贡 643000)

在现代社会发展中，电能是国民经济发展的基础，是各行各业生产不可缺少的动力，也是人们日常生活必不可少的能源。由于电与社会生产以及人民生活密切相关，电能的不足或供电质量不好以及停电等均可能产生严重的后果，影响正常的社会生产和人民的生活。因而提高电力系统的供电可靠性，确保供电的电能质量，是现代电力系统发展的首要任务。

目前国内在线监测技术迅速发展，取得显著成果，但也有很多亟待解决的问题。现用装置功能较为单一，大部分只能监测并且记录系统内部过电压和电压暂降，画出故障数据波形，并且一般是单台装置检测1组或者2组母线并在该装置上完成数据采集、存储以及分析，分析能力较欠缺，储存的数据在内部传输或者远传方面的技术还有待提高［1-2］。

本次研究结合现代电网对在线监测装置的基本需求和项目早期研制的电力系统电压在线监测装置的不足，在保证已有装置的功能的基础上，完善该装置的监测功能。使其不仅能够监测电力系统内部过电压，也能够监测系统的外部过电压、电压暂降等电压事故。找到最优的数据采集、判断和存储方式，丰富该装置的分析功能。

1 装置硬件设计

1.1 电压质量在线监测原理

本次研究研制的装置由高压分压器、二次分压器、数据采集卡、一体化工作站和专用软件组成。在线监测原理如图1所示。

图1 工作原理图

系统电压信号经高压分压器和二次分压器联合作用降低至合适的电平，进入数据采集卡。数据采集卡完成对电压信号的采集和A/D转换。通过设计的采集区间将数据存入RAM的循环区中，然后再利用软件中设置好的判据判断是否出现过电压信号以及电压暂降信号。一旦出现故障信号，系统立即响应将故障前后的电压信号“有效存储”，以文件形式保存数据，载入数据库。然后进一步利用系统的数据分析软件对数据进行波形显示、谐波分析等操作，实现智能化管理［3-4］。

1.2 装置总体结构

本次研究的电压质量在线监测装置为了能直接挂网运行，因此要求该装置在运行中不影响电网的正常运行，且自身功率损耗小。该装置主要应用在10 kV系统中，由于系统电压高，必须保证操作人员的人身安全和装置工作的安全性。结合采集部分对输入信号范围的要求，该装置总体设计如图2所示。

图2 装置总体设计图

该装置主要含有4个部分:高压分压器、二次分压器、高速采集卡和工业化一体工作站(简称工控机)。高压分压器直接与变电站的母线相连，将高压信号进行第一次分压，低压侧的电压信号通过同轴电缆传输给二次分压器进行第二次分压。同样，二次分压器低压侧的电压型号通过同轴电缆传输给采集部分进行数据采集、A/D转换。最后由工控机中自主研发的软件进行数据判断、存储及分析。

2 装置软件设计

本次研究研制的在线监测装置能够即时监测系统的电压信号，而显示分析程序不需要时刻处于运行状态，仅当用户需要对存储的数据调用查看时才需要运行。因此，将数据采集程序和显示分析程序分开设计，分别为采集软件和显示分析软件。采集软件和显示分析软件均采用VC++编程软件在Windows XP环境下编写。开发程序的过程中，使用PCI-1714U高性能数据采集卡自带的驱动程序drive.h和研发Windows设备驱动函数 Adsapi32.dll4.1.1 数据的采集模式。

2.1 数据采集软件

数据采集软件在数据采集存储的过程中，要进行一系列的计算判断，包括是否出现过电压的判断、是否出现电压暂降的判断以及是否有谐波采集指令的判断。在计算中，过电压判断和电压暂降处于同一个线程，过电压判断优先。当判断出现过电压以后，在存储数据时，不再进行电压暂降的判断;当判断出没有过电压时，再进行电压暂降的判断。谐波采集单独一个线程。采集程序流程图，如图3所示。

2.2 显示分析软件

图3 采集程序流程图

本次研究研制的电压在线监测装置的主要功能不仅仅是能够在线监测记录系统的故障电压信号，还能够通过调用存储的数据供用户进行故障分析。数据存盘后，由同一个运行于Windows XP平台下的分析软件进行数据管理。数据分析处理软件是在线监测系统智能化程度的直接体现，该部分软件用MFC开发，人机界面好，可操作性强，可以进行波形显示、谐波分析、相位分析等操作。用户通过调用存盘数据，可以检查系统的电压质量，判断影响设备安全的过电压来源，为变电站内设备的绝缘运行状态分析提供依据。分析程序流程如图4所示。

图4 显示分析程序流程图

3 装置实验分析

在完成理论基础研究、硬件选择和软件开发以后，对装置进行了组装应用。调试分为2个方面，包括功能测定和装置稳定性测试。调试时，首先进行数据采集测试，包括操作过电压、雷电过电压、电压暂降和谐波采集，验证该装置的数据采集软件、高性能采集卡以及数据传输部分是否能够正常及稳定的工作。数据采集完成存储以后，启动显示分析软件，调用数据进行分析，测试显示分析软件的功能是否正常且能够稳定工作。然后，模拟该装置的长期带电运行，进行稳定性测试，以验证长时间带电运行时，该装置的散热能力、稳定性是否均能满足要求。

3.1 电力系统内部过电压实验

模拟电力系统内部操作过电压采集测试时，实验室接线图如图5所示。

图5 操作过电压试验接线图

利用模拟试验电路，运行数据采集程序，即时监测线路电压，当触头K突然闭合模拟发生过压时，监测装置记录下这一过程。数据存盘以后，启动显示分析程序，调用过电压数据，单通道进行波形显示如图6和图7所示。

图6 单通道显示操作过电压波形图

图7 操作过电压高频存储部分放大波形图

由图6、图7分析可知，本次研制的装置能够准确光滑地采集到模拟操作过电压的波形，并且显示过电压倍数。当系统操作过电压在过电压发生后的18个周期内消失时，本装置也能光滑准确地采集到此变化的过程。

3.2 雷击过电压实验

进行雷电过电压的实验时，用高压大厅的冲击电压发生器产生雷电过电压。调节发生器的电压幅值以及分压器的分压比，使进入在线监测装置的二次分压器的电压信号电平在合适的范围内。为了验证装置采集波形的准确性，本系统多加了一个手动设置电压阈值的功能，该功能的优点是:可以人为的设置任何一个电压值作为触发点，启动采集程序，因此实验时，没有叠加工频电压，即直接将冲击发生器与分压器相连接，使电压值降到采集卡的输入范围内，采用手动设置电压阈值的方法(本实验设置的电压阈值是0.7 V)。采集到的雷电过电压波形如图8所示。

图8 雷电过电压高频存储部分放大波形图

为了检验该装置采集雷电过电压波形的准确性，同时接入TCK示波器，将示波器存储的波形与该装置采集此案时的波形相比较，验证该装置采集是否准确。TEK示波器显示的波形如图9所示。

图9 示波器采集到的雷电过电压波形显示图

可见，2组测试波形基本接近，波形差别的主要原因是2个装置的采样频率不同，装置采样频率为7 M，示波器的采样频率为1 G，所以从波形上看，由于装置的采样率低，测量的波形更光滑。

3.3 电力系统电压暂降实验

模拟系统电压暂降进行采集测试时，实验室接线图同过电压试验接线图，见图5。

根据装置实际安装情况的分压比，调整小型分压器的输出电压。当开关K闭合时，电压信号经过R1和R0的分压以后，两端的输出电压为20 V，即系统正常时的高压电容分压器低压臂的输出电压幅值为20 V。通电以后，将开关K断开，使R2接通，则两端的输出电压将下降，以此过程来模拟电力系统中的电压暂降［5］。

利用模拟试验电路，运行数据采集程序，即时监测线路电压，当触头K突然断开模拟发生电压暂降，监测装置记录下这一过程。数据存盘以后，启动显示分析程序，调用电压数据，单通道进行波形显示如图10和图11所示。

图10 单通道显示电压暂降波形图

图11 电压高频存储部分放大波形图

由图10、图11分析可知，本次研制的装置能够准确光滑地采集到模拟电压暂降的波形，并且显示过电压倍数。

3.4 谐波采集分析实验

本装置的采集程序中，谐波采集分为即时采集和定时采集2个部分，在实验室进行调试时，对这2个功能均进行测试。将小型变压器的输出电压调成20 V，用同轴电缆接入工控机中。启动数据采集软件和显示分析软件，在显示分析软件中发送即时采集指令后，在谐波文件夹中出现一组谐波数据，若再次发送即时采集指令，则谐波文件夹中出现另一组谐波数据。实验室试验表明，本装置的谐波即时采集功能能够稳定运行［6］。

要验证装置的定时采集功能，必须将该装置接入电压信号并长期带电运行，在软件中设置谐波采集间隔对谐波进行采集。实验表明，该装置能够按照设定的时间间隔稳定地采集电压信号并存盘。调用存储的谐波数据，如图12所示。

图12 谐波波形显示图

由图12分析可知，本次研制的装置能够准确光滑地即时或者定时采集系统中谐波信号，供用户对电压质量进行分析。对该组数据进行谐波分析和相位分析，分析结果如图13所示。

图13 谐波分析界面图

4 结语

在早期研制的监测装置的基础上，结合国内在线监测装置的不足和发展趋势，研制出一套功能齐全的电力系统电压在线监测装置。该装置功能齐全，性能稳定，弥补了现在国内过电压在线监测装置不能兼顾监测系统内部过电压与雷电过电压的不足。在满足光滑采集雷电过电压波形的同时，解决了数据存储占用空间太大的矛盾。确保采集过程数据不丢失的情况下，能够兼顾采集电力系统可能发生的内、外过电压，并且完善了波形显示功能，使波形显示得更准确、更清晰。

［1］陈晓健，常家森，祈秋娜，等.过电压在线监测技术综述［J］.科技综述，2007，35(4):60-63.

［2］司文荣，杨凌辉，金珩.暂态过电压在线监测技术综述［C］//上海市机电厂学会，上海市电工技术学会.第十一届学术年会论文集(高电压技术专委会)，2004:117-124.

［3］杨秀，鲁铁成，李新国，等.配电网内部过电压在线监测装置的研制［J］.广西电力技术，2001(2):1-3.

［4］兰海涛.高压电网过电压在线监测系统设计与实现研究［D］.重庆:重庆大学，2006:31-35.

［5］李妍，余欣梅，熊信艮，等.电力系统电压暂降分析计算方法综述［J］.电网技术，2004，28(14):74-77.

［6］马明建，周长城.数据采集与处理技术［M］.西安:西安交通大学出版社，1998:34-39.