牽引供電電能質量分析及故障錄波設計方案

張 林 包素麗 孫金華

（國電南自軌道交通公司，南京 210000）

在牽引供電電力機車運行過程中，電力機車一方面是一個很大的非線性負載，會產生大量的高次諧波，另一方面電力機車對于電網還是不對稱負荷，會產生負序分量，大量非線性、沖擊性負荷的使用，給牽引供電系統的電能質量帶來了嚴重的危害[1-2]。要實現對電能質量的綜合治理，就必須實現電能質量的在線分析與實時監測，以了解電能質量的水平。這有利于及時發現電網上的電能質量問題，便于“早發現、早治理”，為電網創造一個良好的環境。同時，故障錄波數據是牽引供電系統故障分析和保護動作判斷的重要依據。本文結合多年牽引供電運行經驗，依據電能質量國家標準，基于嵌入式實時多任務操作平臺，提出了一種融合了電能質量分析及故障錄波的實現方案。

1 硬件設計

依據本方案設計的電能質量分析及故障錄波裝置采用基于16位同步采樣A/D轉換器的模擬量高精度采集系統；交流輸入通道為兩路牽引所進線電壓電流共12路通道，每周波128點采樣，并且確保所有通道完全同步；CPU采用Freescale公司的PowerQuicc II系列，高頻率，低功耗，裝置具有極強的數據處理能力；采用基于商用實時多任務操作系統的通用軟硬件開發平臺，系統穩定性好；采用多層印制電路板布線技術及SMT表面貼裝技術；提供靈活的通信接口方式，最多可同時配置兩個RS-485 和3個以太網通信接口。采用印制板背插式機箱結構，使裝置內部強、弱電回路在走線上完全分開，避免了相互干擾，提高了裝置抗干擾能力；高標準的電磁兼容性能，密閉、抗震的機箱結構，外殼防護符合IP50的要求。本裝置硬件主要組成模件有：交流模件、保護CPU模件、監控MMI模件、面板模件、開入模件、電源模件。

交流模件提供多個電壓輸入和電流輸入回路，分別供啟動錄波和測量用，交流量經壓互、流互變換后通過母板連線至CPU模件。

CPU模件是裝置的核心模件，功能包括模擬數據的采樣和處理、保護算法、與監控模件及 I/O模件通信、事件定值的存儲等基本功能。模件以FreeScale公司的 PowerQUICC II芯片為主處理器，CPU頻率最高到400MHz，低功耗（0.8W at 266MHz）。設計有32MB NOR FLASH用于程序存儲，256MB NAND FLASH用于事件、錄波等文件存取；設計有32MB SDRAM，系統啟動后程序運行于SDRAM，8kB FRAM（鐵電存儲器）用于電度量存儲。CPU模件高主頻和大容量存儲使 CPU具有極強的數據處理能力，為故障的快速分析處理提供了保證。CPU模件采用二階RC無源抗混疊低通濾波和16位、6路同步采樣A/D轉換器AD7656構成模擬量采集系統，采樣精度高，采樣回路無可調元件，具備高度的可靠性。交流采樣功能框圖如圖1所示。

圖1 交流采樣功能框圖

監控 MMI模件負責處理裝置信息的輸入輸出，并驅動面板模件提供監視、調試和設置的人機界面。監控模件用HDLC通信與主控模件交換信息。監控模件一方面把主控模件的工作狀態、輸入、輸出、定值、事件記錄、錄波等信息搜集整理后傳輸給站控層監控系統，同時提供裝置人機界面便于就地監視和打印。另一方面，監控模件將站控層和人機界面的控制、設置和調試信息傳送給主控模件。監控模件設有硬件時鐘和 GPS對時輸入接口，作為整個裝置的時鐘源，GPS對時輸入接口的有：空接點、有源24V及RS485三種模式的選擇，可根據需要靈活選配。

面板模件完成觸摸屏位置采集、TFT液晶屏驅動、蜂鳴器和LED的控制、以太網、USB信號的傳遞以及與監控模件的通信等基本功能。

2 軟件原理

本方案產品具有兩主變高壓側三相電壓、電流諧波分析功能[3]：分析2～25次諧波、諧波含有率、總諧波畸變率；形成諧波計算結果數據庫，分析基波、諧波相互關系，存儲諧波越限報告；裝置具有三相電壓、電流不平衡度分析功能：顯示1＃、2＃進線電壓、電流值、正序、負序分量，計算電壓、電流不平衡度。

2.1 測量量計算

本方案產品測量量計算包括全變電所進線電壓、電流（基波及2～25次諧波）、有功功率、無功功率、功率因數、系統頻率等均是基于傅里葉算法而實現。

2.2 錄波啟動方式

錄波啟動方式包括手動啟動、開入量啟動和交流量啟動3種方式。

手動啟動：人工啟動故障錄波裝置，可當地或遠方啟動。用于檢查裝置的運行狀況，檢測正常運行時的各路輸入量的波形。

圖2 測量量軟件流程圖

開入量啟動： 用于監測保護裝置動作及各開入量的狀態是否發生變化。開入量可選擇設定為是否啟動錄波。

交流量啟動：根據交流量的電壓值來判斷是否存在故障，包括電壓突變量啟動，電流突變量啟動，電壓欠壓啟動，以及電壓過壓啟動。每一種啟動方式都可選擇投退。

2.3 錄波交流量啟動條件

裝置一般采集兩臺主變的高壓側3相電壓和3相電流，突變量啟動判斷用的是裝置輸入的電壓和電流，當主變電壓輸入的為相電壓時（可在裝置運行參數中選擇設置），裝置會計算出線電壓做過壓和欠壓啟動的判斷使用。

1）電壓、電流突變量啟動

電壓、電流突變量啟動判據為△UIφ＞△UIZD。其中：△UIφ=|UIφ(t)-2UIφ(t-T)+UIφ(t-2T)|，φ為A、B、C三種相別，T為20ms，UIφ(t)為t時刻相電壓或電流的采樣值，△UIZD為相電壓或電流突變量啟動定值。

電壓、電流突變量啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一相電壓或電流突變量連續三次大于本組突變量啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組突變量啟動壓板投入；③本側進線隔離開關在合位（僅對電壓突變量啟動要求）。

2）電壓1組、電壓2組欠壓啟動

欠壓啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一線電壓低于欠壓啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組欠壓啟動壓板投入；③本側進線隔離開關在合位。

當欠壓啟動條件滿足持續時間大于3s后退出本次欠壓啟動錄波。

3）電壓1組、電壓2組過壓啟動

過壓啟動錄波條件為（以下條件均要滿足）：①本組任一線電壓高于過壓啟動定值；②錄波啟動壓板投入且本組過壓啟動壓板投入；③本側進線隔離開關在合位。

2.4 錄波記錄

錄波記錄每次錄波啟動時刻的前4后10周波數據，間隔在3s內的錄波啟動記錄在1份錄波報告中，錄波啟動發生后3s內沒有新的啟動發生則結束本次錄波，生成一份完整的錄波報告。如果連續啟動超過 30s則認為啟動超時，也結束本次錄波。裝置可保存不低于20份的錄波報告。

2.5 諧波越限判據

1）諧波電壓越限

式中，Uh為第h次諧波電壓值，U1為基波電壓值，HRUh第h次諧波電壓含有率，HRUhZD為第h次諧波電壓含有率越限整定值，電壓諧波含有率大于整定值時啟動諧波越限報告記錄。

2）諧波電流越限

式中，Ih為第 h次諧波電流值，I1為基波電流值，HRIh第h次諧波電流含有率，HRIhZD為第 h次諧波電流含有率越限整定值，電流諧波含有率大于整定值時啟動諧波越限報告記錄。

2.6 不平衡度越限判據

1）電壓不平衡度越限

式中，U1為三相電壓正序分量均方根值，V；U2為三相電壓負序分量均方根值，V；εU為電壓不平衡度，εUZD為電壓不平衡度整定值。電壓不平衡度大于整定值時啟動電壓不平衡度越限報告記錄。

2）電流不平衡度越限

式中，I1為三相電流正序分量均方根值，V；I2為三相電流負序分量均方根值，V；εI為電流不平衡度，εIZD為電流不平衡度整定值。電流不平衡度大于整定值時啟動電流不平衡度越限報告記錄。

3 本方案的有益效果

隨著電氣化鐵道高速鐵路和城市軌道交通的大力發展，供電系統對自動化系統也提出新的功能需求，供電的實時性、可靠性、連續性已經成為整個社會關心的重要問題之一，對電能質量的實時監測尤為重要，電能質量裝置是解決電能質量測試的設備，可以提供電力運行中的諧波分析及功率品質等數據分析，同時能夠對大型用電設備在起動或停止的過程中對電網的沖擊進行全程監測。

本方案產品已成功應用于京滬高速鐵路、南京南京地鐵、合蚌引入“四電”系統集成項目綜合自動化系統；新建鐵路宜昌至萬州線站后設備綜合自動化系統；新建杭甬鐵路客運專線設備物資購售綜合自動化系統；哈大客運專線工程牽引變電所綜合自動化等。

4 結論

本方案設計從基礎硬件、軟件原理和工程應用 3個方面全面提升電能質量分析及故障錄波產品的功能和性能。隨著電氣化鐵路建設的快速發展，本公司的銷售業績不斷提高，該產品將會在牽引供電高速鐵路及城市軌道交通領域得到日益廣泛的認可與應用。

[1]張旭俊,馬建,涂其遠.電能質量分析的新概念及其測量儀器[J].電測與儀表,2005,42(2):1-4.

[2]楊淑英.電能質量測量方法及其監測裝置研究[J].華北電力大學學報,2003,30(5):136-140.

[3]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.