CN104316762A - 一种配电变压器动态负载谐波监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电变压器动态负载谐波监测方法及装置，本装置包括数据采集模块、滤波模块、模数转换模块、通信模块、核心处理模块和显示模块；本装置核心算法是结合归算到二次侧的变压器“Γ”型等效电路模型、集肤效应理论、电路叠加定理和电气测量技术等相关理论，并将各次谐波的作用等效为一系列独立电源单独作用合并效果而提出的系统、全面的谐波附加损耗计算方法。该系统能够用于在线监测配电变压器负载谐波情况，可便于值班人员、检修人员及管理人员对配电变压器负载谐波情况的掌控，根据相应的谐波状态做出不同的调整或预警。

Description

一种配电变压器动态负载谐波监测方法及装置

技术领域

本发明涉及谐波监测领域，特别涉及一种配电变压器动态负载谐波监测方法及装置。

背景技术

变压器谐波监测的研究发展同配电自动化的发展息息相关，起步于80年代末。随着微电子技术的发展，一些新算法和集成IC的问世，配电自动化监测终端也得到了较大的发展与突破，FFT（Fast Fourier Transform）算法提高了计算电网谐波的效率和精度，增强了电网电能质量的监测功能，提高了电力系统的调控能力。近几年来，集成电路的迅猛发展，使其具备了高性能、低功耗和高稳定性的特点，广泛应用于电力系统以及工业控制等各种控制场合。针对我国配电自动化起步较晚，基础薄弱的现状，国内许多公司和研究机构投入大量的人力和财力，研究开发配电自动化设备，特别是变压器监测终端，它已经从早期的功能单一逐渐走向智能、便携、多功能的多元化方向发展。

由于变压器谐波所引起的附加损耗并不是一个固定值，而是随负载大小而动态变化的，并且相同型号的配电变压器，由于接入负载的类型和大小不同，其谐波附加损耗也不同，电网中非线性负载引起的电力谐波会加剧配电变压器损耗，造成电能的巨大浪费。传统离线试验方法不能完全反映变压器运行条件下的谐波所引起的附加损耗状态，因而并不能确保其工作的高效性，电能浪费仍有可能发生。所以只有通过在线监测才能真实反映出由负载引起的配电变压器谐波附加损耗大小。

针对现实中存在的上述问题，需要一种低功耗、结构简单并能实时准确测量配电变压器动态负载谐波监测的方法及装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电变压器动态负载谐波监测的方法及装置。针对配电变压器负载的动态性所导致的谐波的离线试验方法不足以确保其工作的高效性问题，提出了结合归算到二次侧的变压器“Γ”型等效电路模型、集肤效应理论、电路叠加定理和电气测量技术等相关理论，并将各次谐波等效为一系列独立电源同时作用，随后分别进行附加损耗计算的系统、全面的谐波附加损耗计算方法。同时，研制了配电变压器带动态负载的谐波实时在线监测装置，利用装设在配电变压器二次侧的电流传感器测量配电变压器的电流信号，将采集到的信号滤波后，对数据进行分析计算，以实现通过变压器二次侧谐波电流来计算谐波损耗的功能。谐波损耗反映了相关谐波造成的影响，从而实现对配电变压器动态负载谐波监测。

为了实现上述目的本发明采用的技术方案是一种配电变压器动态负载谐波监测装置，包括数据采集模块、滤波模块、模数转换模块、通信模块、核心处理模块和显示模块；其中所述数据采集模块采集配电变压器二次侧的电压、电流信号；然后滤波模块对所述电压、电流信号进行滤波，得到各次谐波的模拟信号；所述模拟信号由模数转换模块转换为数字信号，并传输到核心处理模块；核心处理模块根据获取的数字信号计算相应次数谐波所引起的谐波附加损耗，并判断谐波附加损耗是否超过预设值，若超过则发出预警信号；然后将预警信号和谐波附加损耗发送到显示模块显示；模数转换模块和核心处理模块还分别将各自获得的信号和数据发送到通信模块，由通信模块向外发送。

还提供一种采用本发明装置进行配电变压器动态负载谐波监测的方法，包括如下步骤：

a）通过数据采集模块采集配电变压器二次侧的电流信号；

b）电流信号经滤波模块滤波和模数转换模块模数转换后输入核心处理模块；

c）核心处理模块对接收到的数据用傅里叶算法进行频谱分析，得到各次谐波电流的大小，进一步获得谐波附加损耗                                                ；

 

式中，为变压器二次侧a相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧b相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧c相第h次谐波电流有效值；h为谐波次数；为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电阻；为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电阻；为变压器涡流损耗系数;

d）判断谐波附加损耗是否超过预设值，若超过则向显示模块发出预警信号，若没超过则返回步骤a）。

本发明装置通过数据采集模块采集到的配电变压器的二次侧电流信号，将初始信号进行滤波、模数转换进行处理，通过本发明的配电变压器动态负载监测方法进行谐波损耗计算，可将分析计算结果通过现场监测终端的显示屏进行显示，并可通过通信模块将结果及预警信息发送至监控中心。另外本发明具有扩展功能，可将经过预处理（滤波、模数转换）的监测原始数据通过通信模块上传至监控中心，以备后续故障处理及分析。

本发明核心算法是在不考虑铁芯磁饱和及非线性等因素影响下，利用电路叠加原理，把电源中的各次谐波分量看成是一系列独立电源，分别叠加到配电变压器上，并根据集肤效应理论得到各次谐波附加损耗模型的电阻值和电抗值，分别计算第h次谐波作用下的变压器等效电路的谐波损耗值，最后叠加得出总的动态负载谐波损耗。

本发明可用于对配电变压器带动态负载时谐波情况进行监测。通过实时在线监测配电变压器谐波状态，可实时了解配电变压器因负载的动态性所引起的谐波损耗情况，为配电变压器的运行于调整，乃至电力系统的运行调度，都能提供良好的数据参考，以便做出合理的电力配送，实现配电的最优化。同时，通信接口支持原始数据的储存扩展，定时记录原始数据，为发生故障后排查原因提供数据支持，以实现配电变压器的快速检修。

附图说明

图1是本发明装置的系统结构框图；

图2是本发明的核心算法流程图；

图3是本发明方法的核心算法所使用的简化的第h次谐波作用下的变压器“Γ”型等效电路模型;

图4是本发明的操作流程图；

图中：1-数据采集模块；2-滤波模块；3-模数转换模块；4-通信模块；5-核心处理模块；6-显示模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。

配电变压器动态负载谐波监测装置参照图1，其组成及模块之间的连接情况如下：

该装置由数据采集模块1、滤波模块2、模数转换模块3、通信模块4、核心处理模块5、显示模块6构成；数据采集模块1的输出端与滤波模块2的输入端相连；滤波模块2的输出端与模数转换模块3的输入端相连；模数转换模块3的输出端同核心处理模块5的输入端相连；同时模数转换模块3的输出端与通信模块4的输入端相连；核心处理模块5的输出端与显示模块6的输入端相连；同时核心处理模块5的输出端与通信模块4的输入端相连。 

其中数据采集模1块由装载在配电变压器二次侧的电压、电流互感器组成，用于采集配电变压器的电压、电流数据。

滤波模块2可控、可调，主要将数据采集模块1采集的数据进行有选择性地过滤，得到所需次数谐波的模拟信号；该模块具有12位的分辨率。

核心处理模块5对模数转换模块3的数字信号进行处理，计算相应次数谐波的附加损耗，其算法是基于结合归算到二次侧的变压器“Γ”型等效电路模型、集肤效应理论、电路叠加定理和电气测量技术等相关理论，而提出的系统、全面的谐波附加损耗核心计算方法。在进行谐波分析，求取各次谐波电流的幅值大小和附加损耗的同时，根据目前国家标准和行业规范对谐波含有率和基波畸变率等参数的要求设定阈值，判断计算出来的各次谐波及其附加损耗是否超过对应的设定值，若超过该值，则会向显示模块发出预警信号；若不超过该值，则重新谐波监测流程。其中应用到的数字信号处理器采用飞思卡尔（Freescale）公司16处理器MC56F8346。

显示模块6主要用于将核心处理模块5计算得出的谐波加损耗直观显示出来，采用3.5英寸的LCD液晶显示屏Liquid Crystal Display；同时，还带有预警显示LED灯，需要核心处理模块5发出的预警信号来触发。

通信模块4采用GPRS通用分组无线业务General Packet Radio Service,主要是为了向值班室中央控制器发送当前谐波损耗情况和预警信息，同时可支持扩展，将模数转换模块3得到的初始数据，即未经过核心算法计算处理的数据，发送到特定服务器进行记录储存，便于故障后去查询故障源。

本发明装置通过数据采集模块采集到的配电变压器的二次侧电流信号，将初始信号进行滤波、模数转换进行处理，通过本发明的配电变压器动态负载监测方法进行谐波损耗计算，可将分析计算结果通过现场监测终端的显示屏进行显示，并可通过通信模块将结果及预警信息发送至监控中心。另外本发明可具有扩展功能，可将经过预处理滤波、模数转换的监测原始数据通过通信模块上传至监控中心，以备后续故障处理及分析。

配电变压器动态负载谐波监测核心算法，参照图2，变压器谐波损耗由绕组损耗和涡流损耗两部分构成，分别获得各次谐波的绕组损耗和涡流损耗，便可计算出配电变压器总谐波损耗。

在不考虑铁芯磁饱和及非线性等因素影响下，利用电路叠加原理，把电源中的各次谐波分量看成是一系列独立电源，分别叠加到配电变压器上，根据集肤效应理论得到各次谐波附加损耗模型的电阻值和电抗值，由此建立第h次谐波作用下的变压器等效电路模型，可参照图3。

图3中，为变压器二次侧第h次谐波电流；为变压器一次侧归算到二次侧的第h次谐波电流值；为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电阻；为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电抗；为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电阻；为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电抗；为第h次谐波作用下变压器二次侧的激磁电阻；为第h次谐波作用下变压器二次侧激磁电抗；为变压器一次侧归算到二次侧第h次谐波电压。

负载情况下变压器损耗标幺值计算公式如下：

                     （1）

其中，为变压器二次侧第h次谐波电流的标幺值；为变压器涡流损耗系数，且一般取值如表1所示；h为谐波次数。

表1 的取值选择

即，变压器损耗由绕组损耗和涡流损耗两部分构成，且根据经验公式，可以得到第h次谐波作用下，绕组损耗与涡流损耗的比值为：

        （2） 

于是可将h次谐波的变压器损耗简化表示为：

                                  （3）

应用叠加原理，将各次谐波作为独立电源单独作用的结果，则可得三相配电变压器总谐波附加损耗计算关系式：

                   (4)

式中，为变压器二次侧a相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧b相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧c相第h次谐波电流有效值；h为谐波次数，在本发明中计算前13次谐波即可；为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电阻；为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电阻；为变压器涡流损耗系数。

如此，便可实现对配电变压器谐波附加损耗的快速准确计算。

在谐波附加损耗计算之后，可以通过其具体构成情况以及各次谐波损耗的大小来初步判断此时引起谐波的因素，并结合无功补偿、滤波电路以及其他电能质量治理装置进行治理，从而实现对谐波状态的动态监测并为电能质量补偿治理提供依据和参考。

Claims (4)

1.一种配电变压器动态负载谐波监测装置，其特征在于：包括数据采集模块（1）、滤波模块（2）、模数转换模块（3）、通信模块（4）、核心处理模块（5）和显示模块（6）；其中所述数据采集模块（1）采集配电变压器二次侧的电压、电流信号；然后滤波模块（2）对所述电压、电流信号进行滤波，得到各次谐波的模拟信号；所述模拟信号由模数转换模块（3）转换为数字信号，并传输到核心处理模块（5）；核心处理模块（5）根据获取的数字信号计算相应次数谐波所引起的谐波附加损耗，并判断谐波附加损耗是否超过预设值，若超过则发出预警信号；然后将预警信号和谐波附加损耗发送到显示模块（6）显示；模数转换模块（3）和核心处理模块（5）还分别将各自获得的信号和数据发送到通信模块（4），由通信模块（4）向外发送。

2.根据权利要求1所述一种配电变压器动态负载谐波监测装置，其特征在于：所述数据采集模块（1）由装载在配电变压器二次侧的电压、电流互感器组成。

3.根据权利要求1所述一种配电变压器动态负载谐波监测装置，其特征在于：所述核心处理模块（5）采用飞思卡尔公司的16处理器MC56F8346。

4.一种利用权利要求1所述装置进行配电变压器动态负载谐波监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）通过数据采集模块（1）采集配电变压器二次侧的电流信号；

b）电流信号经滤波模块（2）滤波和模数转换模块（3）模数转换后输入核心处理模块（5）；

c）核心处理模块（5）对接收到的数据用傅里叶算法进行频谱分析，得到各次谐波电流的大小，进一步获得谐波附加损耗                                               ；

 

式中，为变压器二次侧a相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧b相第h次谐波电流有效值；为变压器二次侧c相第h次谐波电流有效值；h为谐波次数；为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电阻；为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电阻；为变压器涡流损耗系数；

 d）判断谐波附加损耗是否超过预设值，若超过则向显示模块（6）发出预警信号，若没超过则返回步骤a）。