CN101685121A - 电力系统动态过程在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统动态过程在线监测装置和方法。该装置采用多通道高速采集、自动记录、存储、显示电气量监测设备，可以实时、多路、高速采集电气设备的各个电压、电流、有功功率、无功功率、频率和开关量等。该方法包括根据设定的各种参数，循环采集100mS数据，实时进行比较，如果任意通道符合启动条件，则进行长达10分钟的数据记录，将记录数据存储到硬盘中后返回初始部分继续采集计算。装置同时可以计算数据波形任意部分的多达50次的暂态谐波，给出谐波总畸变率和各次谐波的含有率和谐波值。装置采用先进稳定的linux多任务操作系统，整体软件采用Web/Brower方式，同时提供专业性强的离线数据分析软件。

Description

电力系统动态过程在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在线监测电力系统动态过程的装置及方法，特别涉及一种多通道、高采 集速度、长时间的在线监测动态过程的装置及方法。 技术背景

电力系统在运行中有时出现故障和扰动，对电力系统和用户造成危害，为分析出现故障 和扰动的暂态过程中的现象，需要对电流、电压等电气参数进行在线跟踪监测。在电力系统 运行的主要设备，包括：发电机、变压器、互感器、避雷和线路等，都需要实时采集电气量 并记录其变化趋势。记录因大扰动引起的系统电流、电孚《其导出量，如有功功率、无功功 率以及系统频率的全过程变化现象。

现有的电力系统在线监测手段主要是监测设备的状况，只能记录工频下的稳态电气量， 而对于过电压、过电流等暂态过程的监测装置，则无法记录。高速故障记录具有采集速度高, 通道的同步性好，但由于采集技术难度大和信号干扰严重，同时设备的安全和稳定性比较差， 容易损坏设备元器件。微机型故障录波装置要重点实现记录信息的定位、录波数据的真实性 和安全性等几个方面，但是在暂态测量和启动方式上存在很多不足，主要是国家+示准制定方 向上限制了故障录波的暂态测试性能。

综上所述，目前，电力系统动态过程在线监测装置主要不足是采样时间中波形采集部分 过短，造成记录的故障现象不完整；同时启动方式是用故障量来判断，因此涉及到非故障原 因往往是不启动，造成对动态过程记录的不全面；对于动态数据的分析手段不多，尤其是暂 态波形的分析手段很少，不利于技术人员分析事故原因。 发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种稳定的、长期适应电力系统各个电压等级 的动态过程在线监测装置及方法。该在线监测装置很好的分析了动态过程的特性和电力系统 现场实际需求，完全满足了大量的动态过程现象的记录，经长时间实际稳定运行，可以完全 适合电力系统的动态过程在线监测装置。

为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是-

1) 该装置由以下部分组成：电流采集单元、电压采集单元、功率和频率采集单元、开关 量釆集单元、工控机、采集板卡、电气屏、显示器、电源部分和输入端子等。

2) 本装置最大的特点是采集通道可以达到模拟量64路和开关量24路，多通道同时采集 频率可以达到5kHz，每一路模拟通道接入电压、电流、有功功率、无功功率和频率，每一路 开关通道可以接常开或常闭开关量接点，电压、电流信号可以从PT、 CT 二次侧接入电压， 也可以由分压器低压臂接入。 '

3) 电流采集单元的指标是采样频率5kHz、稳态交流电流：0~20A、 40路电流通道，主 要元器件为SFI-4穿芯电流互感器。

4) 电压采集单元的指标是采样频率5kHz、稳态交流电压：0〜300V、 12路电压通道，核心元件采用s型交流电压隔离传感器。

5) 有功功率和无功功率采集单元的指标是采样频率5kHz;稳态交流电压：0〜300V;稳 态交流电流：0〜200V;功率因数：0.01。核心元件采用Q型交流功率隔离传感器。 采集单元主要针对电力系统的电气量特点和需要采集的数据暂态特点，重点需要克服动态态 过程当中存在的过电压和过电流对装置本身的损坏，同时还要克服现场恶劣的强干扰环境， 以及高频状态下的信号调理的准确，以反映真实的电力，,一次状态。对由现场电压和电流 互感器传递过来的电气信号进行信号隔离。电压信号为i^输入，在进入电气信号处理前端 后，每路信号都彼此隔离，同时进行转换，按比例降低电压，对一次电压和二次电压进行隔 离。电力系统的电流信号最重要的是要求不能开路，为了系统安全，在电路设计上着重考虑 了这点。

6) 工控机和采集卡负责将信号进行采集、计算和存储等，同时提供控制软件和通讯部分

软件环境。各个采集单元通过接线端子板和专用电缆连接到多通道高速采集卡中。采集卡为

64通道，500K/s高速多功能采集卡，其主要特性如下：32位PCI总线，即插即用；64个单 端以及32个差动模拟量输入通道；输入通道能够允许单端与差动混合组成；16位AD分辨 率，最高采样频率可达500K;双极性/单极性模拟量输入；1KA/D采样FIF0;模拟/数字触 发；数据传输模式：软件轮询、FIFO半满中断及支持Scatter/Gather功能的总线主控DMA; 2路带波形发生功能的D/A输出通道;双极性/单极性模拟量输出；每通道512输出数据FIFO; D/A: I/O更新及支持Scatter/Gather功能的总线主控DMA;系统同步接口。采集卡是PCI 型，工控机采用Intel赛扬1G的CPU,内存1G,硬盘160G容量。

7)对电流量采用基于霍尔技术制成的故障录波专用Cl>它不仅体积小，而且可以响应很大 的电流，从零开始线性响应直至280A，并且允许包含直流分量。如果正常输入电流5A，则 可保证准确记录20X5A的交流电并带有100y。的直流分量。大大降低了因CT饱和而引起电 流失真的可能性。同时，避免了直接打开电流回路，使装置安装更加安全可靠方便。

8) 为T实现各个采集控制单元的同步采样，实时输出同步的相量数据，采集装置内置 GPS接受i块，可接受GPS的秒脉冲信号，保证采集控制单元的采样脉冲信号可以在每个 整秒被GPS的秒脉冲信号同步l次，这有利于系统稳定性分析和保护动作特性分析。

9) 采用隔离的电源供电系统，将整个采集装置与外部隔离，避免电源的杂波干扰。

10) 采集部分的整套软件系统以Red Hat Linux 9.0操作系统为平台，对其进行封装，网 络功能只保留WEB服务，不需要任何界面操作，完全不需要键盘和鼠标，也不需要任何GUI 服务，完全黑模式，符合工业标准，装置具备计算机网络功能，可以实现远程控制和数据传 输。底层的采集计算部分程序采用标准C语言开发，采用免费的、功能强大的GCC编译器。 WEB服务采用稳定性一流标准的Apache服务。同时采用CGI程序提供用户交互界面，采用 WEB浏览器的方式进行操作，使操作人员只需简单培训就可以使用，大大降低培训成本。同 时，也使设备具备远方与就地一样的操作方式。

启动信号采用电压、电流突变量启动。本发明装置可以任意设定启动值和启动方式，也可以 手动记录。一种电力系统动态过程在线监测方法，通过程序进行监测，其具体的方法步骤如下：

(1) 初始化

根据装置实际安装的变电站所监测的电气量，按不同釆集通道设定不同的电压和电流启动值、不同通道的变比、用户单位和安装地点等。同时启动Linux的WEB服务、FTP服务等。采集主程序同时启动。

(2) 监测动态过程

在第（1)步完成后，通过由变电站电压互感器和电流互感器接入本装置通道的测量通道进行在线监测，本装置通过不同采集单元传递信号到数据采集卡中，实时采集信号，每100mS的64个模拟通道和24路开关量通道进行循环储存。

(3) 进行动态过程判断

在第（2)步中，每100mS数据采集后，直接计算每个通道所采集到的数据，得到当前100mS数据经过滤波处理的最大值后，与之前100mS数据得到的最大值进行比较，如果每个通道比较的差值都没有超过启动值，则新得到的数值成为比较的标准值，继续采集接下来的100mS数据；如果某一通道比较的差值超过了启动值，则开始记录所有的64个模拟通道和24个开关量通道的数据，连续以5kHz采集速度记录3秒的波形数据，然后从3秒开始到20秒过程中每0.1秒记录所有通道记录一个有效值，最后从20秒开始到10分钟k程中每1秒记录所有通道记录一个有效值，并将已经记录的最开始的100mS数据作为当前这一记录的开始，这样每次记录的数据就包括启动前100mS数据和启动后的10分钟数据。

(4) 数据的存储

在第（3)步中，如果开始记录数据了，则将内存中存储的数据进行软件的滤波和去除错误数据的计算，然后再进行相关通道的软件滤波处理，最后将近5M左右数据保存到计算机硬盘中，给文件起上合适的文件名称，并将当前各种参数设置信息写入文件头。存储完毕后返回到第（2)步继续进行数据采集和判断。

(5) 浏览器方式的控制方式

由于采用了多任务的Linux操作系统，装置软件设计成Web/Brower方式，所有的操作都是通过浏览器完成，因此任何时候都可以逋过装置本身的浏览器或联入装置的计算机网络中任何一台微机的浏览器进行操作，可以进行参数设置、数据传输、数据分析、功能计算、打印、时间校验等等功能。

本电力系统动态过程在线监测装置及方法的技术创新点在于：

1) 本发明装置，不仅可以进行多个模拟电气量和开关量的监测，同时可以对记录的动态过程中数据文件中电压和电流波形的任何部分进行谐波的计算，可以计算达到50次的谐波含量，并给出谐波总畸变率，各次谐波值和谐波含量。

2) 启动信号采用电压、电流突变量启动。本发明装置可以设定任意通道的任意启动值，半个工频周波就可以判断是否启动，无论是突然升高或突然降低，只要超出启动值范围都可启动，也可以手动启动记录。

3) 本发明装置监测的暂态电压和电流，可以真实地记录过电压暂态波形和涌流暂态波形，不进行滤波和限幅等工作，在保证采集设备安全同时，又可以准确记录暂态的波形，同时计算过电压和涌流的倍数。

附图说明

图l为本发明硬件构成图。

图2为动态过程在线监测方法流程图。具体实施方式

变电站或电厂的电压、电流信号可以从PT、 CT二次侧，或分压器低压臂接入本发明装置的端子排，信号经过电缆接入各个采集单元，将电压和电流信号转换成采集卡接受的小电压信号，将转换后的电压信号经过接线端子板用专用电寧将、64个模拟量信号和24个开关量信号接入工控机中的多通道高速采集卡中，工控机中的软^将根据具体的设置参数实时采集信号，达到启动条件后或接到控制命令后进行数据记录计算或相应的操作。

Claims (6)

1.一种电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：装置由电流采集单元、电压采集单元、功率和频率采集单元、开关量采集单元、工控机、采集板卡、电气屏、显示器、电源部分和输入端子等部分组成。

2. 根据权利要求l所述的电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：本装置采 集通道可以达到模拟量64路和开关量24路，多通道同时采集频率可以达到5kHz，每一路模 拟通道接入电压、电流、有功功率、无功功率和频率，每一路开关通道可以接常开或常闭开 关量接点，电压、电流信号可以从PT、 CT二次侧接入电压，也可以由分压器低压臂接入。

3. 根据权利要求1〜2所述的电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：电力 系统动态过程在线监测方法，电力系统动态过程在线监测的每一循环过程按以下顺序进行：(1) 根据装置实际安装的变电站所监测的电气量，按不同采集通道设定不同的电压和电流启动值、不同通道的变比、用户单位和安装地点等；(2) 同时启动Linux的WEB服务、FTP服务等。采集主程序同时启动；(3) 在第（2)步完成后，通过由变电站电压互感器和电流互感器接入本装置通道的测 量通道进行在线监测，本装置通过不同采集单元传递信号到数据采集卡中，实时采集信号， 每100mS的64个模拟通道和24路开关量通道进行循环储存；(4) 在第（3)步中，如果某一通道比较的差值超过了启动值，则开始记录所有的64 个模拟通道和24个开关量通道的数据，连续以5kHz采集速度记录3秒的波形数据，然后从 3秒开始到20秒过程中每0.1秒记录所有通道记录一个有效值，最后从20秒开始到10分钟 过程中每1秒记录所有通道记录一个有效值，并将已经记录的最开始的100mS数据作为当前 这一记录的开始，这样每次记录的数据就包括启动前100mS数据和启动后的10分钟数据；最 后将数据保存到计算机硬盘中；存储完毕后返回到第（3)步继续进行数据采集和判断:。

4. 根据权利要求1〜3所述的电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：采用 多任务Linux操作系统，装置软件设计成Web/Brower^式，所有操作都是通过浏览器完成， 因此任何时候都可通过装置本身的浏览器或联入装置的计算机网络中任何一台微机的浏览器 进行操作，可以进行参数设置、数据传输、数据分析、功能计算、打印、时间校验等等功能。

5. 根据权利要求1〜3所述的电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：不仅 可以进行过电压和过电流的监测，同时可以对记录的动态过程中数据文件中电压和电流分量 的任何部分进行谐波的计算，可以计算达到50次的谐波含量，可以给出谐波总畸变率，各次 谐波值和谐波含量。

6. 根据权利要求1~3所述的电力系统动态过程在线监测装置及方法，其特征是：具备 通过计算机网络进行远方控制和传输功能，装置的软件通讯部分采用TCP/IP通讯协议，装置 可以设置成任意的IP地址，通过浏览器即可通过计算机网络实时控制装置进行数据的采集和 数据的传输，在变电站运行的装置只要通过标准计算机网线联上计算机网络，同时配置相应 的IP地址，就可以实现在计算机网络上通过浏览器软件无论在当地还是在异地进行控制和数 据传输。