CN101373197B - 一种过电压在线监测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种过电压在线监测方法，用于解决电网过电压监测中的问题。其技术方案是：它由依次连接的电压互感器、信号调理保护电路、数据采集卡以及工控机构成硬件系统，由工控机通过数据采集卡实时采集电压互感器二次侧的过电压信号，然后根据电压互感器、信号调理保护电路的电压传递函数，结合电压互感器的饱和特性，进行快速反演还原计算，获得电压互感器一次侧电压波形，最后通过与数据库中存储的各种类型的过电压特征进行比较，判别过电压的类型。本发明不仅能够实时捕捉、存储电力系统的暂态过电压波形，为电力系统的设备事故原因分析提供可靠数据，而且其硬件结构简单，工作可靠。

Description

一种过电压在线监测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种用于在线监测电网过电压的方法及监测装置，属监测技术领域。

背景技术

随着电力系统的迅速发展，过电压对电网安全的影响越来越受到人们的重视。近年来，电网的电气设备绝缘事故时有发生，而且引发事故的原因难以直接查明，只有采用有效的在线监测方法，在过电压发生时完整准确地记录故障过电压的波形和各种参数，才能为了解事故发生前后过电压的情况和发生过程中对电网电压的影响提供准确资料，并为技术人员分析事故原因提供可靠依据。

目前，现有的过电压在线监测方法就其原理来说有三种，一是通过电站本身的电压互感器(简称PT)二次端口提取的电压信号作为过电压数据；二是对于10kV和35kV配电网直接在电站母线上装设电容分压器测量过电压；三是对于110kV及以上的电网采用高压容性设备套管末屏接电容组成电容分压器获取电压信号。这三种方法均存在明显缺点：对于第一种监测装置来说，由于PT在过电压的高频信号作用下呈现的饱和特性(非线性)与频关效应，二次端口提取的电压信号严重失真，不能直接使用，否则失真严重。第二种和第三种尽管可以真实再现一次系统的过电压，但由于它所采用的分压器直接接到一次母线或容性设备接地端，因而现场改动大，施工困难，并且分压器本身的故障也会对电站带来诸多不利影响。另外，第二种和第三种监测方法还需要使用通信装置，将过电压信号发送到控制室。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种能方便地获取电网中的高保真过电压信号的过电压在线监测方法；本发明还同时给出了该监测方法所使用的监测装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种过电压在线监测方法，它由依次连接的电压互感器、信号调理保护电路、数据采集卡以及工控机构成硬件系统，由工控机通过数据采集卡实时采集电压互感器二次侧的过电压信号，然后根据电压互感器、信号调理保护电路的电压传递函数，结合电压互感器的饱和特性，进行快速反演还原计算，获得电压互感器一次侧电压波形，最后通过与数据库中存储的各种类型的过电压特征进行比较，判别过电压的类型。

上述过电压在线监测方法，具体采用以下步骤：

a.工控机通过数据采集卡实时采集经信号调理保护电路处理后的电压互感器二次侧的过电压信号v₄(t)；

b.根据电压互感器、信号调理保护电路的电压传递函数，由下式反演计算不考虑电压互感器饱和特性情况下、电压互感器一次侧的时域过电压信号：

$v_1\left(t\right)=\underset{T}{\overset{\∞}{\∫}}{v}_4(t-u)[c_i{e}^{-{\mathrm{\α}}_i(u-T)}+\mathrm{d\δ}(u-T)+\mathrm{e\δ}\′(u-T)]\mathrm{du}$

其中，v₁(t)是未考虑PT饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果；v₄(t)是电容分压器低压侧的时域电压信号；c_i为数值拟合的极点；α_i为留数；d和e为常数；δ是冲击函数；δ′是冲击函数的导数；u是积分变量；T是积分起始时刻；

c.根据PT的饱和特性对上述计算结果进行修正：

测量得到PT的饱和曲线，应用最小二乘拟合可得到其饱和特性，其形式为

$R=f({v_1}^{\′}\left(t\right)/v_1\left(t\right))$

其中，v₁′(t)为考虑PT饱和特性的高压侧母线电压，R为表示PT的饱和形成的非线性电阻，将未考虑PT饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果v₁(t)代入到上式，计算出考虑PT饱和特性的高压侧母线电压v₁′(t)；

d.将计算出的考虑PT饱和特性的高压侧母线电压v₁′(t)波形与数据库中已存储的各种类型过电压的特征进行比较，判别过电压的类型，给出过电压防护建议。

一种过电压在线监测装置，它由依次连接的电压互感器、信号调理保护电路、数据采集卡以及工控机组成，所述电压互感器接在高压母线上，所述信号调理保护电路由分压电路和隔离电路组成，所述分压电路由高压电容和低压电容组成，它们串联连接后经信号传输匹配电缆接电压互感器的输出端，所述隔离电路由运算放大器构成，所述运算放大器接成电压跟随器，其输入端接低压电容两端的输出信号，输出端接数据采集卡。

上述过电压在线监测装置，增设一个过流保护器和两个过压保护器，所述过流保护器与分压电路串联连接，第一过压保护器并联于分压电路上，第二过压保护器并接在电压跟随器的输出端。

本发明采用电压互感器在控制室内对母线电压进行采样，采用工控机对PT的二次侧信号进行快速反演还原计算，获得不失真的一次侧电压波形并对过电压的类型进行判断。所有设备、装置均可布置在控制室内，不需要改动电站一次接线，也不需要在现场与控制室之间进行信号传输，不仅造价低，而且避免了电压波形传输过程中产生的衰减与变形以及电磁兼容问题。信号调理保护电路用于将PT的输出信号无畸变地传输到数据采集卡，过流保护器可以限制后续电路的短路和过载电流，过压保护器可以防止过电压对后续高速数据采集卡的侵扰，隔离电路将信号调理电路的输入和输出进行电气隔离，起到相互保护作用，高速数据采集卡可以采集高频过电压信号。本发明不仅能够实时捕捉、存储电力系统的暂态过电压波形，通过对暂态过电压波形进行分析，为电力系统事故原因分析提供可靠数据，而且其硬件结构简单，工作可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明电原理框图；

图2是信号调理保护电路的电原理图；

图3是系统的计算模型；

图4是考虑饱和特性后PT的二端口模型；

图5是本发明过电压类型判断软件流程图。

图中各标号为：PT、电压互感器，Fu、过流保护器，VP1、第一过压保护器，VP2、第二过压保护器，F、运算放大器，C1、高压电容，C2、低压电容，R、表示PT的饱和形成的非线性电阻。

本文所用符号：v₁(t)、未考虑PT饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果，v₂(t)、PT输出电压，v₃(t)、分压器高压侧的信号，v₄(t)、分压器低压侧的时域电压信号，V₁(s)、v₁(t)的频域信号，V₂(s)、v₂(t)的频域信号，V₃(s)、V₃(t)的频域信号，V₄(s)、v₄(t)的频域信号，H₁(s)、PT的电压传递函数，H₂(s)、二次电缆的电压传递函数，H₃(s)、分压器的电压传递函数，H(s)、整体电压传递函数，Z_c、传输线的波阻抗，γ、传输线的传播常数，l、传输线的长度，L₀、传输线的单位长度电感，C₀、传输线的单位长度对地电容，G₀、传输线的单位长度对地电导，R₀、传输线的单位长电阻，c_i、数值拟合的极点；α_i、留数，d和e、常数，δ、冲击函数，δ′、冲击函数的导数，u、积分变量，T、积分起始时刻，v₁′(t)、考虑PT饱和特性的高压侧母线电压，P、散射参数矩阵，P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂、散射参数矩阵的4个参数。

具体实施方式

参看图1，过电压在线监测装置直接从PT在控制室内的测量二次端口提取电压信号，经无畸变分压器转变后输入到工控机，由工控机的后台处理软件对PT的二次侧信号进行快速反演还原计算，获得一次侧电压波形。

本发明采用电压互感器二次测量输出作为采样信号；通过经过仔细匹配的传输电缆与信号调理保护单元连接，信号调理保护单元包括分压器、过流保护器、过压保护器和隔离电路；分压器包括高压臂和低压臂，高压臂内的高压电容和低压臂内的低压电容串联，将100V电压及过电压信号分压至5V以下，其高压臂经过流保护器和输入传输电缆相连，同时其高压端和地之间接有过电压保护器，分压输出端经隔离单元和过电压保护器同高速采样板相连；过流保护器可以限制后续电路的短路和过载电流；过压保护器可以防止过电压对后续高速采样板的侵扰；隔离电路将信号调理单元的输入和输出进行电气隔离，起到相互保护作用；高速采样板可以采集高频过电压信号；高速数据采样卡通过总线插槽与工控计算机系统连接。

该硬件电路能够长期在线运行实时采样、能够捕捉、存储电力系统的暂态过电压波形、通过暂态过电压波形进行分析，为电力系统的设备事故原因分析提供数据。

参看图2，信号调理保护单元包括分压器、过流保护器、过压保护器和隔离电路；分压器包括高压臂和低压臂，高压臂内的高压电容和低压臂内的低压电容串联，将100V电压及过电压信号分压至5V以下，其高压臂经过流保护器和输入传输电缆相连，同时其高压端和地之间接有过电压保护器，分压输出端经隔离单元和过电压保护器同高速采样板相连，本分压器特点是采用精确计算选取的电容，输入阻抗高，方波响应特性小于50纳秒；过流保护器可以限制后续电路的短路和过载电流，其电阻极小，无电感；过压保护器可以防止过电压对后续高速采样板的侵扰，过压保护器采用高输入阻抗间隙结构，不会对分压器输入阻抗造成影响；隔离电路将信号调理单元的输入和输出进行电气隔离，起到相互保护作用，采用高输入阻抗放大器隔离，输入阻抗达10⁹Ω；这样信号调理单元具有输入阻抗高、功耗小、分压精确、波形无畸变的特点。

本发明的基本原理

①建立系统的线性计算模型

参看图3，不考虑PT的饱和特性，将PT、二次电缆和分压器等值为三个互相级联的二端口网络，图3中v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)和v₄(t)依次为高压母线(PT一次侧)、PT二次侧(二次电缆入口)、二次电缆出口(分压器高压侧)和分压器低压侧的时域电压信号，其对应的频域电压信号为V₁(s)、V₂(s)、V₃(s)和V₄(s)。设H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)依次为PT、二次电缆和分压器的一次侧对二次侧的电压传递函数为，则它们的表达式如下：

$H_1\left(s\right)=\frac{V_2\left(s\right)}{V_1\left(s\right)}---\left(1\right)$

$H_2\left(s\right)=\frac{V_3\left(s\right)}{V_2\left(s\right)}---\left(2\right)$

$H_3\left(s\right)=\frac{V_4\left(s\right)}{V_3\left(s\right)}---\left(3\right)$

再将三个互相级联的二端口网络等值为一个二端口网络，设该网络(系统)整体电压传递函数为H(s)，则：

$H\left(s\right)=\frac{V_4\left(s\right)}{V_1\left(s\right)}=H_1\left(s\right)*H_2\left(s\right)*H_3\left(s\right)---\left(4\right)$

②计算公式

由(4)式可得：

$V_1\left(s\right)=\frac{1}{H\left(s\right)}*V_4\left(s\right)---\left(5\right)$

对

进行数值拟合得到如下的形式：

$\frac{1}{H\left(s\right)}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{c_i}{s-{\mathrm{\α}}_i}+d+\mathrm{se}---\left(6\right)$

对(6)式进行反拉普拉斯变换，其时域形式为：

$\frac{1}{h\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{e}^{-{\mathrm{\α}}_{i}t}+\mathrm{d\δ}\left(t\right)+\mathrm{e\δ}\′\left(t\right)---\left(7\right)$

在(6)式和(7)式中，c_i为数值拟合的极点，α_i为留数，d和e为常数。

对

和v₄(t)进行时域递归卷积既可得到v₁(t)，其计算公式如下：

$v_1\left(t\right)=v_4\left(t\right)\⊗(1/h_1\left(t\right))=\underset{T}{\overset{\∞}{\∫}}{v}_4(t-u)[c_i{e}^{-{\mathrm{\α}}_i(u-T)}+\mathrm{d\δ}(u-T)+\mathrm{e\δ}\′(u-T)]\mathrm{du}---\left(8\right)$

由数据采集卡采集得到分压器二次侧时域电压v₄(t)，输入到工控机的后台处理反算软件，应用(8)式对v₄(t)和1/h(t)进行连续的时域卷积就可以得到v₁(t)。该v₁(t)为未考虑PT饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果。

③PT的饱和特性的处理

参看图4，测量得到PT的饱和曲线，应用最小二乘拟合可得到其饱和特性，其形式为

$R=f({v_1}^{\′}\left(t\right)/v_1\left(t\right))---\left(9\right)$

式中v₁′(t)为考虑PT饱和特性的高压母线电压，R为表示PT的饱和形成的非线性电阻。

将v₁(t)代入到式(9)中，即可计算得到v₁′(t)。

④传递函数的获取

对于PT和分压器，应用频谱网络分析仪测量它们的二端口散射参数。设测量得到的PT的散射参数矩阵为 $P=\left[\begin{array}{cc}{P}_{11}& P_{12}\\ P_{21}& P_{22}\end{array}\right]$ ，则 $H_1\left(s\right)=-\frac{2P_{12}}{(1+P_{11})(1-P_{22})+P_{12}{P}_{21}},$ 同理可测量计算得到分压器的传递函数H₃(s)。

对于二次电缆，将其等值为传输线，则其二端口网络的传输参数矩阵为 $T=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γl}\right)& z_c\sinh \left(\mathrm{\γl}\right)\\ \frac{1}{z_c}\sinh \left(\mathrm{\γl}\right)& \cosh \left(\mathrm{\γl}\right)\end{array}\right],$ 其电压传递函数为： $H_2\left(s\right)=\frac{1}{\cosh \left(\mathrm{\γl}\right)}.$ 式中 $z_c=\sqrt{\frac{R_0+s{L}_0}{G_0+s{C}_0}}$ 为传输线的波阻抗， $\mathrm{\γ}=\sqrt{(R_0+s{L}_0)(G_0+s{C}_0)}$ 为传输线的传播常数，l为传输线的长度，L₀，C₀，G₀，R₀分别为传输线的单位长度电感、单位长度对地电容、单位长度对地电导和单位长度电阻，它们可通过电磁场有限元方法计算获得。

数据的采集

数据采集程序通过数据采集卡对v₄(t)进行实时扫描并记入缓存，一旦信号达到过电压标准，开始存储v₄(t)到数据库，并将存储的数据传给主程序。

过电压类型的判断

电力系统过电压主要有以下几种：

①外部过电压，主要为雷电过电压。

②内部过电压，包括工频过电压、操作过电压、谐振过电压等。

过电压类型判断程序的功能是根据获得的电压波形的各种参数(如频率、幅值与波形陡度等)，形成特征向量A，将该特征向量与数据库中已存储的各种类型过电压的特征进行比较，并结合现场实际情况，判别过电压的类型，给出过电压防护建议。其软件流程如图5所示。

Claims (2)

1.一种过电压在线监测方法，其特征是，它由依次连接的电压互感器(PT)、信号调理保护电路、数据采集卡以及工控机构成硬件系统，由工控机通过数据采集卡实时采集电压互感器(PT)二次侧的过电压信号，然后根据电压互感器(PT)、信号调理保护电路的电压传递函数，结合电压互感器(PT)的饱和特性，进行快速反演还原计算，获得电压互感器(PT)一次侧电压波形，最后通过与数据库中存储的各种类型的过电压特征进行比较，判别过电压的类型。

2.根据权利要求1所述过电压在线监测方法，其特征是，它采用以下步骤：

a.工控机通过数据采集卡实时采集经信号调理保护电路处理后的电压互感器(PT)二次侧的过电压信号v₄(t)；

b.根据电压互感器(PT)、信号调理保护电路的电压传递函数，由下式反演计算不考虑电压互感器饱和特性情况下、电压互感器(PT)一次侧的时域过电压信号：

$v_1\left(t\right)=\underset{T}{\overset{\∞}{\∫}}{v}_4(t-u)[c_i{e}^{{-\mathrm{\α}}_i(u-T)}+\mathrm{d\δ}(u-T)+e{\mathrm{\δ}}^{\′}(u-T)]\mathrm{du}$

其中，v₁(t)是未考虑电压互感器(PT)饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果；v₄(t)是电容分压器低压侧的时域电压信号；c_i为数值拟合的极点；α_i为留数；d和e为常数；δ是冲击函数；δ′是冲击函数的导数；u是积分变量；T是积分起始时刻；

c.根据电压互感器(PT)的饱和特性对上述计算结果进行修正：

测量得到电压互感器(PT)的饱和曲线，应用最小二乘拟合可得到其饱和特性，其形式为

R＝f(v₁′(t)/v₁(t))

其中，v₁′(t)为考虑电压互感器(PT)饱和特性的高压侧母线电压，R为表示电压互感器(PT)的饱和形成的非线性电阻，

将未考虑电压互感器(PT)饱和特性的高压侧母线电压的线性计算结果v₁(t)代入到上式，计算出考虑电压互感器(PT)饱和特性的高压侧母线电压v₁′(t)；

d.将计算出的考虑电压互感器(PT)饱和特性的高压侧母线电压v₁′(t)波形与数据库中已存储的各种类型过电压的特征进行比较，判别过电压的类型。

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