CN106124843A - 一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统，包括：一次分压模块，与交流电网连接，用于实现对一次电压的分压功能，输出二次模拟信号；电压监测模块，与一次分压模块连接，用于实现对一次分压模块输出的二次模拟信号的高频低频采样、A/D转换、对低频采样信号全程监测以及对高频采样信号的触发；电流监测模块，与交流电网连接，用于实现电流的测量和高频采样；监测柜，分别与电压监测模块和电流监测模块连接，用于实现电压和电流信号的最终存储与高速运算、生成触发信号并显示预设信息；供电模块，分别与电压监测模块和监测柜连接，用于为电压监测模块和监测柜供电。与现有技术相比，本发明具有监测频段广、监测精度高以及结果准确等优点。

Description

一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统

技术领域

本发明涉及电气工程领域，尤其是涉及一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统。

背景技术

电网暂态过程是电网运行状态的重要表征，目前，对于电网中暂态过电压(雷电波、操作波过电压)，国内外尚缺乏有效的测量或监测手段。对于新建设备，国内仅有部分电力单位对500kV系统在正式投运前进行操作过电压的测试，一般是对投切空载线路、主变压器、低压电抗器或电容器时进行暂态测量，作为对新设备的带电考核。国外有利用光纤技术进行监测的报道。

目前电力系统绝缘水平的确定主要是依据仿真计算，仿真计算过程中，对设备的特性进行近似等效，其仿真结果与实际系统必然具有一定偏差，一般来说，仿真计算的暂态过电压水平会比实际电力系统中的过电压水平略高。

电力系统暂态电压是影响设备绝缘电气性能的主要力量。暂态过电压对设备绝缘的影响是具有累计效应的，因此，实时监测电力系统暂态过电压对设备绝缘评估也是非常重要的评价基础。

电力系统暂态电压的频域范围广泛。基波为50Hz，分频谐振过电压频率在50Hz以下，操作过电压等值频率在KHz，雷电过电压的等值频率为MHz，而VFTO的等值频率可达GHz，在同一电力设备可能加载以上所有暂态电压。

目前的调度监控系统、智能监测和预警系统以及电网广域实时动态监测系统主要从整个电网的动态和静态稳定的角度，对电网运行特征量进行实时监控，进而预测未来时刻的电网稳定状态，并对系统不稳定因素产生预警，从整个电网角度保障了电力系统的稳定运行

综上，如何能实现全频段暂态电压的测量，是实现高精度监测电力系统暂态过程监测，对电网安全稳定运行和电网绝缘配合评估有着至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种监测频段广、监测精度高以及结果准确的交流电网暂态过程的宽频带监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统，该交流电网暂态过程的宽频带监测系统包括：

一次分压模块，与交流电网连接，用于实现对一次电压的分压功能，输出峰值在±100V以内的二次模拟信号；

电压监测模块，与一次分压模块连接，用于实现对一次分压模块输出的二次模拟信号的高频和低频采样、A/D转换、对低频采样信号进行全程监测以及对高频采样信号的触发；

电流监测模块，与交流电网连接，用于实现电流的测量和高频采样；

监测柜，分别与电压监测模块和电流监测模块连接，用于实现电压和电流信号的最终存储与高速运算、生成触发信号并显示预设信息；

供电模块，分别与电压监测模块和监测柜连接，用于为电压监测模块和监测柜供电。

所述一次分压模块包括第一分压单元、第二分压单元和第三分压单元，所述第一分压单元分别连接交流电网的A相和电压监测模块，所述第二分压单元分别连接交流电网的B相和电压监测模块，所述第三分压单元分别连接交流电网的C相和电压监测模块。

所述第一分压单元包括第一电容、第二电容、第三电容、避雷器和开关，所述第一电容、第二电容和第三电容依次串联接在交流电网与大地之间，所述避雷器和开关均与第三电容并联，所述第二分压单元和第三分压单元均与第一分压单元的结构相同，所述监测柜与第二电容和第三电容之间的接触点连接。

所述电压监测模块包括：

信号分流单元，与一次分压模块连接，用于将信号分为2路分别输入至低频通道与高频通道；

中心处理单元，分别与信号分流单元和监测柜连接，用于对低频通道内的信号实现全程录波记录，对高频通道内的信号实现触发录波记录；

隔离供电输入口，与供电模块连接，用于为电压监测模块供电。

所述触发录波记录的触发方式包括频率扰动触发、谐波扰动触发、电压突变触发、过电压触发、手动触发或过零点偏移触发。

所述信号分流单元包括电阻分压器、低频信号调理器、高频信号调理器、低速模数转换器和高速模数转换器，所述电阻分压器分别连接一次分压模块、低频信号调理器和高频信号调理器，所述低速模数转换器和高速模数转换器均与中心处理单元连接，并分别与低频信号调理器和高频信号调理器连接。

所述中心处理单元包括FPGA和CPU处理器，所述FPGA分别连接信号分流单元、CPU处理器和监测柜，所述CPU处理器与监测柜连接。

所述电流监测模块包括数据采集器和控制器，所述数据采集器位于交流电网的架空线上，与交流电网连接，所述控制器位于交流电网的杆塔上，分别与数据采集器和监测柜连接。

所述供电模块包括交流电源箱和直流110V电源，所述交流电源箱与电压监测模块连接，所述直流110V电源与监测柜连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)电压监测模块可以实现低频与高频的分离，同时对低频信号全程录波，对高频信号进行触发，而电流监测模块可以对高频信号进行采样，通过上述技术手段，可以对交流电网暂态过程进行全过程监测，并实现低频10kHz全程录波和高频10MHz的触发录波，监测频段广。

(2)监测柜可以直接显示监测结果和相关信息的显示，便于用户进行使用。

(3)通过本发明提出的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，得到的监测结果可以用于分析交流系统暂态过程对直流系统运行的影响，应用范围广；还可以对交流系统过电压水平、特征以及电力设备接受的冲击电压情况进行监测，实用性能强；还可以为实现设备的全寿命管理和绝缘配合评估提供实测结果，为维护电网的安全稳定运行发挥了重要作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为一次分压单元的电路图；

图3为一次分压单元的高频等值电路图；

图4为电压监测单元的结构示意图；

图5为电流监测模块的结构示意图；

其中，1为一次分压模块，2为电压监测模块，3为电流监测模块，4为监测柜，51为交流电源箱，52为直流110V电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为交流系统暂态过程的宽频带监测系统结构示意图，本监测系统共分为一次分压模块1、电压监测模块2、电流监测模块3以及监测柜4等四个功能模块和一个供电模块。上述模块中，一次分压模块1与交流电网连接，电压监测模块2分别与一次分压模块1和监测柜4连接，电流监测模块3分别与交流电网和监测柜4连接，供电模块分别与电压监测模块2和监测柜4连接。

1)一次分压模块1

一次分压模块1包括第一分压单元、第二分压单元和第三分压单元，所述第一分压单元分别连接交流电网的A相和电压监测模块2，所述第二分压单元分别连接交流电网的B相和电压监测模块2，所述第三分压单元分别连接交流电网的C相和电压监测模块2。第一分压单元、第二分压单元和第三分压单元的结构相同，下面统称为一次分压单元，一次分压单元将采用电容分压原理进行整体开发、设计和试验，其结构原理如图2。在高频信号下的等效回路如图3。L'₁、L₃分别是C₁和C₂、C₃寄生电感。

在高频信号下，电容器的寄生电感不能忽略，则一次分压单元的分压比为

$\begin{array}{c}\frac{u_1}{u_2}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}+{\mathrm{j\ωL}}_3}{\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1^{\′}}+{\mathrm{j\ωL}}_1^{\′}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}+{\mathrm{j\ωL}}_3}\\ =\frac{(1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_3{L}_3)}{\frac{C_3}{C_1^{\′}}(1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_1^{\′}{L}_1^{\′})+(1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_3{L}_3)}\end{array}$

调整L₃，使

$L_3=\frac{C_1^{\′}{L}_1^{\′}}{C_3}$

则一次分压单元的分压比可简化为

$\frac{u_1}{u_2}=\frac{1}{\frac{C_3}{C_1^{\′}}+1}=\frac{C_1^{\′}}{C_1^{\′}+C_3}$

由此，该一次分压单元的分压比与频率无关，实现了宽频带分压功能。

2)电压监测模块2

电压监测模块2完成信号的检测，电路原理见图4，包括：信号分流单元，与一次分压模块1连接，用于将信号分为2路分别输入至低频通道与高频通道；中心处理单元，分别与信号分流单元和监测柜4连接，用于对低频通道内的信号实现全程录波记录，对高频通道内的信号实现触发录波记录；隔离供电输入口，与供电模块连接，用于为电压监测模块2供电。其中信号分流单元包括电阻分压器、低频信号调理器、高频信号调理器、低速模数转换器和高速模数转换器，电阻分压器分别连接一次分压模块1、低频信号调理器和高频信号调理器，低速模数转换器和高速模数转换器均与中心处理单元连接，并分别与低频信号调理器和高频信号调理器连接。中心处理单元包括FPGA和CPU处理器，FPGA分别连接信号分流单元、CPU处理器和监测柜4，CPU处理器与监测柜4连接，FPGA上设有3个接口，分别为256MB的DDR3接口、光纤8码输入接口和光线录波触发接口，CPU处理器包含4个接口，分别为信号指示接口、参数存储/设置接口、1M静态RAM接口和1000M以太网光纤通讯接口，FPGA和CPU处理器分别通过光线录波触发接口、光纤8码输入接口和100M以太网光纤通讯接口和监测柜进行光纤通讯。

电压监测模块2实现低频10kHz全程录波，及高频10MHz触发录波。全程录波以10kHz的采集速度记录全部波形及相应时间。监测模块的所有工作过程均通过FPGA及CPU处理核心协调完成。电网运行电压信号经过电容分压器、信号衰减器降压变换阻抗后，接入监测模块，监测模块输入端采用高阻抗，并对输入回路进行完全对称设计以提高抗共模干扰能力。输入信号分为2路信号分别输入10ksps低频通道及10Msps高频通道。10ksps低频采样信号实现全程录波记录，10Msps高频采样信号实现触发录波记录，其触发方式：频率扰动触发、谐波扰动触发、电压突变触发、过电压触发、手动触发、过零点偏移触发等。

3)电流监测模块3

电流监测模块3对电网上的电流实施在线监测，实现低频10kHz全程录波，及高频2MHz触发录波。全程录波以10kHz的采集速度记录全部波形及相应时间。触发录波依据10kHz采集信号的频率和触发控制命令触发2MHz的波形记录，触发方式与电压信号相似。

电流监测模块3分为安装在输电线路架空线上数据采集单元和安装在杆塔上的控制单元，其原理图见图5，其中数据采集单元与交流电网连接，控制单元与数据采集单元连接，同时与监测柜之间通过通讯机房中的通讯专网进行光纤通讯。

4)监测柜4

监测柜4的主要功能是用于实现电压和电流信号的最终存储与高速运算、生成触发信号并显示预设信息。

5)供电模块

供电模块的主要功能是为电压监测模块2和监测柜4供电，包括交流电源箱51和直流110V电源52，交流电源箱51为电压监测模块2供电，直流110V电源52为监测柜4供电。

上述交流电网暂态过程的宽频带监测系统在工作时，首先一次分压模块1对一次电压的分压功能，输出峰值在±100V以内的二次模拟信号；接着电压监测模块2对一次分压单位输出模拟信号的高速(10MHz)和低速(10kHz)采样，进行A/D转换，对低速采样信号的全程监测，并根据触发条件设置，完成高频采样信号的触发；同时电流监测模块3对线路电流进行测量并进行高速采样，最后将电流信号传输至监测柜4；监测柜4对电压和电流信号进行最终存储与高速运算，同时生成触发信号并显示预设信息；工作过程中，供电模块为电压监测模块2和监测柜4进行供电。

Claims (9)

1.一种交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，该交流电网暂态过程的宽频带监测系统包括：

一次分压模块，与交流电网连接，用于实现对一次电压的分压功能，输出峰值在±100V以内的二次模拟信号；

电压监测模块，与一次分压模块连接，用于实现对一次分压模块输出的二次模拟信号的高频和低频采样、A/D转换、对低频采样信号进行全程监测以及对高频采样信号的触发；

电流监测模块，与交流电网连接，用于实现电流的测量和高频采样；

监测柜，分别与电压监测模块和电流监测模块连接，用于实现电压和电流信号的最终存储与高速运算、生成触发信号并显示预设信息；

供电模块，分别与电压监测模块和监测柜连接，用于为电压监测模块和监测柜供电。

2.根据权利要求1所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述一次分压模块包括第一分压单元、第二分压单元和第三分压单元，所述第一分压单元分别连接交流电网的A相和电压监测模块，所述第二分压单元分别连接交流电网的B相和电压监测模块，所述第三分压单元分别连接交流电网的C相和电压监测模块。

3.根据权利要求2所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述第一分压单元包括第一电容、第二电容、第三电容、避雷器和开关，所述第一电容、第二电容和第三电容依次串联接在交流电网与大地之间，所述避雷器和开关均与第三电容并联，所述第二分压单元和第三分压单元均与第一分压单元的结构相同，所述监测柜与第二电容和第三电容之间的接触点连接。

4.根据权利要求1所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述电压监测模块包括：

信号分流单元，与一次分压模块连接，用于将信号分为2路分别输入至低频通道与高频通道；

中心处理单元，分别与信号分流单元和监测柜连接，用于对低频通道内的信号实现全程录波记录，对高频通道内的信号实现触发录波记录；

隔离供电输入口，与供电模块连接，用于为电压监测模块供电。

5.根据权利要求4所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述触发录波记录的触发方式包括频率扰动触发、谐波扰动触发、电压突变触发、过电压触发、手动触发或过零点偏移触发。

6.根据权利要求4所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述信号分流单元包括电阻分压器、低频信号调理器、高频信号调理器、低速模数转换器和高速模数转换器，所述电阻分压器分别连接一次分压模块、低频信号调理器和高频信号调理器，所述低速模数转换器和高速模数转换器均与中心处理单元连接，并分别与低频信号调理器和高频信号调理器连接。

7.根据权利要求4所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述中心处理单元包括FPGA和CPU处理器，所述FPGA分别连接信号分流单元、CPU处理器和监测柜，所述CPU处理器与监测柜连接。

8.根据权利要求1所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述电流监测模块包括数据采集器和控制器，所述数据采集器位于交流电网的架空线上，与交流电网连接，所述控制器位于交流电网的杆塔上，分别与数据采集器和监测柜连接。

9.根据权利要求1所述的交流电网暂态过程的宽频带监测系统，其特征在于，所述供电模块包括交流电源箱和直流110V电源，所述交流电源箱与电压监测模块连接，所述直流110V电源与监测柜连接。