CN101937018A - 一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，包括信号采集处理前端、交流电源隔离部分、标准电气屏、输入端子和报警回路等，信号采集处理前端包含有电压信号处理板、电流信号处理板、嵌入式工控主板、半长高速同步采集卡、硬盘、8寸液晶显示屏和电源供电系统。本发明监测的过电压和激磁涌流，采集频率最高可达16通道同步采集250kHz，一次记录时间可达30秒，对电力装置过电压和涌流等现象可以全过程记录。本发明可对自动记录的暂态过程波形中数据文件任何部分进行暂态谐波的计算，计算到100次谐波含量，给出谐波总畸变率，各次谐波值和谐波含量，这是已知其他电能质量在线监测装置所不具备的暂态谐波波形记录和计算功能。

Description

一种电能质量谐波及过电压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能质量谐波及过电压的装置及方法，可以适用于10kV～1000kV各个电压等级的谐波及过电压在线监测装置及方法。

背景技术

近年来，由于电气化铁道的发展以及化工、冶金、钢铁、有色金属、煤炭和交通等工业部门大量使用了电力电子设备和应用电力整流和换流技术，如500kV高压直流输电工程葛上线的投入运行，产生了大量谐波注入电网。国家电网公司近年加大特高压直流输电，电压等级达到800kV，同时，国家大力推广风电等清洁能源的建设。这样，大量的整流设备的投入，必将造成电力系统电压和电流波形的严重畸变。

具有非线性设备的电力用户越来越多，这些用户会产生大量的谐波注入到公用电网和自身电力用户的电网中，当其谐波注入到自身的电网时，导致自身的变压器温度升高、损耗增加、噪声增加、无功补偿装置的保险和电容器烧损，电缆绝缘降低以至爆炸，精密仪器无法使用，自动生产线不能正常运行，白帜灯闪烁，电压波动，导致低电压跳闸，功率因数降低导致利率罚款。

电力系统中的非线形负荷及冲击性负荷日益增加，对电网质量污染加剧，使电网的非线形(谐波)、非对称性(负序)和波动性日趋严重，已引发电网不少异常和事故，例如：电能计量不准、变压器过热、电容器组不能正常投运、继电器保护和自动装置误动跳闸、电机的烧损等，对电力系统的安全经济运行造成严重危害。

GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》标准明确规定了电网的谐波监测标准。而工业的发展和科技的进步使得越来越多的用户采用性能好、效率高，但对电源特性变化敏感和对供电系统注入干扰的新设备，电能质量谐波污染的问题逐渐明显起来，电能质量谐波监测和抑制谐波的重要性越来越得到重视。

高压电力系统运行的可靠性，在极大程度上决定于绝缘的工作状况，正确地规定系统的绝缘水平，具有十分重大的意义。而过电压对于系统绝缘水平的选择起着决定性的作用。国家标准GB/T 18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》中5.5和电力行业标准DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中4.2.10明确规定了：“为监测系统运行中出现的工频过电压、谐振过电压和操作过电压，宜在变电站安装过电压波形或幅值的自动记录装置，并妥为收集实测结果。”

根据标准中的要求，当设备在受到过电压损害后，为了实现正确的绝缘配合，防止过电压对电力运行设备的损害，或把损害减到最小，建立暂态过电压响应监测是很重要的，特别是能确切知道变电站内受到了多大过电压的长期侵袭，设备是否能承受过电压冲击，某些重点设备是否需要特别保护，系统参数配合是否恰当(引起操作过电压幅值)，避雷器残压是否达到要求等。所以，装设及建立暂态过电压监测系统能对运行变电站的过电压状况、避雷器保护水平及残压等是否有效等数据有清晰的资料数据，并可以快速查找故障和异常事故的原因，减少电力系统的故障率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种能有效地解决谐波定时测量和过电压暂态波形记录两方面的技术，同时，能长期稳定适应电力系统从10kV到1000kV各个电压等级的谐波和过电压在线监测装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：它包括信号采集处理前端、交流电源隔离部分、标准电气屏、输入端子和报警回路等，所述的信号采集处理前端包含有电压信号处理板、电流信号处理板、嵌入式工控主板、半长高速同步采集卡、硬盘、8寸液晶显示屏和电源供电系统。

本发明的优点是：

(1)本发明装置监测的过电压和激磁涌流，采集频率最高可达16通道同步采集250kHz，一次记录时间可达30秒，并且对于电力系统过电压和涌流等现象可以全过程记录；

(2)本发明装置，可以对自动记录的暂态过程波形中数据文件任何部分进行暂态谐波的计算，计算到100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，这是已知其他电能质量在线监测装置所不具备的暂态谐波波形记录和计算功能；

(3)本发明装置，同时具备根据国家标准谐波测量需要记录的定时谐波功能，能够以任意设定好的谐波测量时间间隔，定时测量计算谐波稳态量，并且提供长达一年的统计数据；

(4)自动记录采用电压、电流突变量启动方式。本发明装置可以以任意值设定任意通道的启动值，一个采集卡半满记录周期就可以计算判断是否启动记录，测量通道的峰值无论是突升或突降，如果超出设定值范围即可启动，同时，提供任何时刻人为手动记录的功能，用于调试设备及测量当前时刻的波形；

(5)本发明装置采用linux操作系统，因此具备多任务功能，并具备计算机联网功能，可以实现远程控制、数据传输和数据分析，提供在线和离线的数据分析软件，提供丰富的数据分析功能。

附图说明

图1是本发明整体硬件构成图；

图2是本发明信号处理采集前端内部结构图；

图3是本发明电能质量谐波及过电压在线监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1一图3可知，本发明它包括信号采集处理前端1、交流电源隔离部分、标准电气屏、输入端子和报警回路等，所述的信号采集处理前端1包含有电压信号处理板2、电流信号处理板3、嵌入式工控主板4、半长高速同步采集卡5、6、硬盘7、8寸液晶显示屏8和电源供电系统9。

16路电气量同步采集，同步采集频率最高达到2500kHz，交流电压和交流电流信号从电力系统电压互感器和电流互感器二次侧接入，信号采集处理前端采用标准19英寸6U高上架机箱，并采用黑匣子方式设计，电压信号采用双端输入，各路信号彼此隔离不共地，同时，对一次电压和二次电压进行光电隔离。

电路带通频率达到1MHz，采用穿心电流互感器的设计，电压、电流模拟量都采用光电隔离方式进行信号隔离。

电力系统的电压和电流信号经过电压互感器和电流互感器变换后接入信号采集处理前端1，经过电压信号处理板2和电流信号处理板3隔离处理后的低压信号，分别与两块8通道250kHz半长高速同步采集卡5、6连接，半长高速同步采集卡5的时钟采用基准时钟，半长高速同步采集卡6用外触发方式接半长高速同步采集卡5的时钟管脚，半长高速同步采集卡5、6各有8个采集通道，每个采集通道有一个A/D采集芯片，信号采集处理前端采用隔离的电源供电系统9，自动启动信号采用电压、电流突变量方式启动。

所述的嵌入式工控主板4和半长高速同步采集卡5、6对信号进行采集、计算和存储等，同时提供控制软件和通讯部分软件环境，半长高速同步采集卡5、6为PCI型，嵌入式工控主板4采用Intel迅驰无风扇CPU，内存512M，硬盘160G容量，嵌入式操作系统选用RedHat linux 9.0，并对其进行封装，网络功能保留WEB服务和FTP服务，采集计算部分程序采用标准C语言开发，WEB服务采用标准的Apache服务，采用CGI程序提供用户交互界面，使用WEB浏览器的方式进行操作，进行远程控制和数据传输。

启动信号采用电压、电流突变量启动，提供任意设定启动值和启动方式功能和手动记录功能，系统根据设定定时采样进行谐波的计算和存储，给出谐波的统计合格率。

电能质量谐波及过电压在线监测的监测按如下步骤进行：

a)、根据需要监测的不同的电压等级设定不同的采集通道的电压和电流启动值、选择采集频率、数据记录长度、谐波定时计算的周期、用户名称和安装地点等；

b)、在第(1)步完成后，通过由电压互感器和电流互感器接入本装置的测量通道进行实时在线监测和定时采样，通过半长高速同步的数据采集卡5、6同步测量16个通道的信号，实时采集信号，每半满数据的16个通道进行连续采样；

c)、在第(2)步中，每半满数据采集后，在进行另一个半满采集的同时，计算当前半满的数据，对当前数据经过软件滤波处理后得到的峰值，与之前半满数据得到的峰值进行比较，如果每个通道比较的差值都没有超过设定的启动值，则新的峰值成为比较的标准值，等待新的半满数据采集完成，如果某一通道比较的差值超过了启动值，则认为达到启动条件，开始记录所有的16通道的数据，连续记录初始化时设定的时间长度，同时将当前半满数据之前的半满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的数据和启动后的数据，得到的波形则包括故障前的波形、故障时的波形和故障后的完整波形过程；

d)、在第(3)步中，在完成完整的一次记录后，将内存中存储的数据进行必要的数据处理，之后将数据保存到计算机硬盘中，按照记录开始启动的时间给文件起名，并将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；

e)、根据参数设置，在固定的时间提取在第(2)步当前的半满数据进行谐波计算，每个通道的谐波都连续用1分钟做为一次计算周期，将50个周期的谐波进行计算，得到的谐波值进行相应的软件处理，最后得到稳定的谐波值，将这个谐波的值和时间进行储存，定时存储谐波值和时间，最后可以提供长期的谐波统计值，可以连续存储一年的谐波值；

f)、WEB服务和FTP服务分别提供数据分析和远程控制及数据远传，多任务的linux操作系统在做此服务的同时完全不影响数据的采集，并提供快速稳定的服务。

本方法可以进行过电压和过电流的监测，可以对记录的暂态过程中数据文件任何部分进行波形分析，可以计算达到100次的谐波计算，给出谐波总畸变率，各次谐波值和谐波含量，可以定时计算谐波，给出至少一年的谐波统计数据。

具备基于计算机网络进行远方控制和传输功能，装置采用linux操作系统的TCP/IP通讯协议，设置IP地址后，通过浏览器和计算机网络实时控制装置进行数据的采集和数据的传输。

本发明所述的电能质量谐波及过电压在线监测装置，应用16路高速同步采集、自动启动、定时测量、存储、显示电气量谐波和过电压的监测设备，同时监测电力系统的暂态过电压和稳态谐波电气量。采用嵌入式的linux操作系统和嵌入式硬件，提供多任务功能，将过电压波形记录和谐波定时测量两方面技术进行数据共享，提供Web/Brower使用开发方式，提供FTP数据传输服务等。

变电站或发电厂的一次交流电压和一次交流电流信号经过电压互感器和电流互感器变换，交流电压变成100V以内交流电压信号，交流电流变成5A以内交流电流信号。变换后的电压和电流信号接入本发明装置的接线端子，其中，每个通道都是隔离不共地的。所有信号经过电缆接入信号处理采集前端。交流电压信号接入电压信号处理板，隔离的每路电压信号经过电压信号处理板进行分压、滤波、限幅、放大和光隔的处理，变成-5V～+5V范围内的电压信号。交流电流信号接入电流信号处理板，隔离的每路电流信号经过电流信号处理板进行电压变换、分压、滤波、限幅、放大和光隔的处理，同样变成-5V～+5V范围内的电压信号。所有的经过处理后的-5V～+5V范围内的电压信号经过专用电缆接入多通道高速同步采集卡中，采集计算软件将根据具体的设置参数实时循环采集信号，达到设定的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，同时定时采集计算和存储谐波值。

Claims (9)

1.一种电能质量谐波及过电压在线监测装置，其特征在于：它包括信号采集处理前端(1)、交流电源隔离部分、标准电气屏、输入端子和报警回路等，所述的信号采集处理前端(1)包含有电压信号处理板(2)、电流信号处理板(3)、嵌入式工控主板(4)、半长高速同步采集卡(5)、(6)、硬盘(7)、8寸液晶显示屏(8)和电源供电系统(9)。

2.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，其特征在于：16路电气量同步采集，同步采集频率最高达到2500kHz，交流电压和交流电流信号从电力系统电压互感器和电流互感器二次侧接入，信号采集处理前端采用标准19英寸6U高上架机箱，并采用黑匣子方式设计，电压信号采用双端输入，各路信号彼此隔离不共地，同时，对一次电压和二次电压进行光电隔离。

3.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，其特征在于：电路带通频率达到1MHz，采用穿心电流互感器的设计，电压、电流模拟量都采用光电隔离方式进行信号隔离。

4.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，其特征在于：电力系统的电压和电流信号经过电压互感器和电流互感器变换后接入信号采集处理前端(1)，经过电压信号处理板(2)和电流信号处理板(3)隔离处理后的低压信号，分别与两块8通道250kHz半长高速同步采集卡(5)、(6)连接，半长高速同步采集卡(5)的时钟采用基准时钟，半长高速同步采集卡(6)用外触发方式接半长高速同步采集卡(5)的时钟管脚，半长高速同步采集卡(5)、(6)各有8个采集通道，每个采集通道有一个A/D采集芯片，信号采集处理前端采用隔离的电源供电系统(9)，自动启动信号采用电压、电流突变量方式启动。

5.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，其特征在于：所述的嵌入式工控主板(4)和半长高速同步采集卡(5)、(6)对信号进行采集、计算和存储等，同时提供控制软件和通讯部分软件环境，半长高速同步采集卡(5)、(6)为PCI型，嵌入式工控主板(4)采用Intel迅驰无风扇CPU，内存512M，硬盘160G容量，嵌入式操作系统选用RedHat linux 9.0，并对其进行封装，网络功能保留WEB服务和FTP服务，采集计算部分程序采用标准C语言开发，WEB服务采用标准的Apache服务，采用CGI程序提供用户交互界面，使用WEB浏览器的方式进行操作，进行远程控制和数据传输。

6.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测装置及方法，其特征在于：启动信号采用电压、电流突变量启动，提供任意设定启动值和启动方式功能和手动记录功能，系统根据设定定时采样进行谐波的计算和存储，给出谐波的统计合格率。

7.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测方法，其特征在于：电能质量谐波及过电压在线监测的监测按如下步骤进行：

a)、根据需要监测的不同的电压等级设定不同的采集通道的电压和电流启动值、选择采集频率、数据记录长度、谐波定时计算的周期、用户名称和安装地点等；

b)、在第(1)步完成后，通过由电压互感器和电流互感器接入本装置的测量通道进行实时在线监测和定时采样，通过半长高速同步的数据采集卡(5)、(6)同步测量16个通道的信号，实时采集信号，每半满数据的16个通道进行连续采样；

c)、在第(2)步中，每半满数据采集后，在进行另一个半满采集的同时，计算当前半满的数据，对当前数据经过软件滤波处理后得到的峰值，与之前半满数据得到的峰值进行比较，如果每个通道比较的差值都没有超过设定的启动值，则新的峰值成为比较的标准值，等待新的半满数据采集完成，如果某一通道比较的差值超过了启动值，则认为达到启动条件，开始记录所有的16通道的数据，连续记录初始化时设定的时间长度，同时将当前半满数据之前的半满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的数据和启动后的数据，得到的波形则包括故障前的波形、故障时的波形和故障后的完整波形过程；

d)、在第(3)步中，在完成完整的一次记录后，将内存中存储的数据进行必要的数据处理，之后将数据保存到计算机硬盘中，按照记录开始启动的时间给文件起名，并将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；

e)、根据参数设置，在固定的时间提取在第(2)步当前的半满数据进行谐波计算，每个通道的谐波都连续用1分钟做为一次计算周期，将50个周期的谐波进行计算，得到的谐波值进行相应的软件处理，最后得到稳定的谐波值，将这个谐波的值和时间进行储存，定时存储谐波值和时间，最后可以提供长期的谐波统计值，可以连续存储一年的谐波值；

f)、WEB服务和FTP服务分别提供数据分析和远程控制及数据远传，多任务的linux操作系统在做此服务的同时完全不影响数据的采集，并提供快速稳定的服务。

8.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测方法，其特征在于：本方法可以进行过电压和过电流的监测，可以对记录的暂态过程中数据文件任何部分进行波形分析，可以计算达到100次的谐波计算，给出谐波总畸变率，各次谐波值和谐波含量，可以定时计算谐波，给出至少一年的谐波统计数据。

9.根据权利要求1所述的一种电能质量谐波及过电压在线监测方法，其特征在于：具备基于计算机网络进行远方控制和传输功能，装置采用linux操作系统的TCP/IP通讯协议，设置IP地址后，通过浏览器和计算机网络实时控制装置进行数据的采集和数据的传输。

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