110kV變電站過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行及研究

國(guó)網(wǎng)河南中牟縣供電公司　周建成

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110kV變電站過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行及研究

國(guó)網(wǎng)河南中牟縣供電公司周建成

【摘要】電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效地對(duì)電網(wǎng)中的諧波實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于提高電能質(zhì)量和保護(hù)設(shè)備安全具有十分重要的作用和意義。本文首先簡(jiǎn)要介紹了諧波的基本內(nèi)容，然后重點(diǎn)論述了當(dāng)前一些常用的諧波分析與監(jiān)測(cè)方法，最后從實(shí)際情況出發(fā)探討了110kV變電站過(guò)電壓諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】諧波；變電站；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1　引言

在變電站的日常運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)諧波是對(duì)電網(wǎng)安全影響最大的一個(gè)方面，在很大程度上被認(rèn)為是電網(wǎng)的公害。從諧波的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)看，其主要是指實(shí)際電壓或者電流與理想的標(biāo)準(zhǔn)正弦波之間存在一定的偏差，并由此造成了電壓或者電流在波形上的畸變。由于在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)中的電壓很難保持一個(gè)理想的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，因此電網(wǎng)諧波是不可避免地存在的。電網(wǎng)中的電壓可以用三角級(jí)數(shù)來(lái)表示，如式（1）所示：

其中，h表示諧波的次數(shù)，h=1、2、3、……，并且將h=1時(shí)的諧波稱之為基波；U0表示直流電壓的有效值，Uh表示h次諧波的電壓有效值；ω1表示基波的角頻率，且有；αh表示h次諧波分量的初相角。

從數(shù)學(xué)表示式來(lái)看，諧波是指對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解而得到的基波頻率大于1的分量，并且諧波的次數(shù)可以看作是諧波頻率與基波頻率之比。

隨著電網(wǎng)運(yùn)行中的非線性負(fù)載數(shù)量不斷增多，諧波畸變已經(jīng)成為了一個(gè)不可忽視的重要危害因素，不但能夠?qū)Ω黝惱^電保護(hù)和測(cè)量?jī)x器造成重要影響，還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一般用諧波含量、總畸變率和諧波含有率等參數(shù)來(lái)描述和表示諧波的偏離程度或影響大小，其數(shù)學(xué)表示分別如式（2）、式（3）和式（4）所示：

電壓諧波含有量為：

電壓總諧波畸變率為：

第h次諧波電壓含有率為：

2　常用的諧波分析與監(jiān)測(cè)方法

2.1諧波分析算法

諧波分析是指對(duì)電網(wǎng)中所產(chǎn)生周期性波形的基波與高次諧波所對(duì)應(yīng)的幅度值與相角值進(jìn)行計(jì)算，從而得到每一個(gè)不同次數(shù)諧波所對(duì)應(yīng)的傅里葉級(jí)數(shù)，并由此建立起電壓波形在時(shí)間域和頻率域之間的關(guān)系。傅里葉變換可以將正弦波表示的電壓波形從時(shí)間域映射到頻率域，而傅里葉反變換則是將電壓波形從頻率域映射到時(shí)間域，這就為諧波分析提供了一種十分有效的工具。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常是先對(duì)電網(wǎng)中周期性的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，而后通過(guò)離散傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程。另外，隨著小波理論的不斷成熟和應(yīng)用，小波變換也逐步被拓展到諧波分析過(guò)程中，為研究過(guò)程提供了更加精細(xì)的時(shí)間和頻率尺度分析方法，可以很好地兼顧全局和局部變化特征。下面簡(jiǎn)要介紹常用的三種諧波分析方法：傅里葉變換法、短時(shí)傅里葉變換法和小波變換法。

對(duì)于傅里葉變換來(lái)說(shuō)，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，表示成一組相互正交的三角函數(shù)之和，并且這些三角函數(shù)具有不同的權(quán)重值。以一個(gè)連續(xù)信號(hào)x(t)為例，其傅里葉變換可以表示為：

由于傅里葉變換所用的三角函數(shù)是一組完備的正交函數(shù)集，所以這種表示方法能夠?qū)⑿盘?hào)從時(shí)間域精確地映射到頻率域，并且可以直接得到不同次數(shù)諧波的幅度值和相角值，從而對(duì)信號(hào)的頻率特性進(jìn)行完整的刻畫(huà)和表示。但是傅里葉變換在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在一定的局限性，它無(wú)法根據(jù)需要反映出信號(hào)在某個(gè)局部時(shí)間范圍或者局部頻率范圍內(nèi)的特征信息，也就是說(shuō)對(duì)諧波的局部畸變信息缺乏相應(yīng)的度量能力。

為了解決傳統(tǒng)傅里葉變化在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，Dennis Gabor在傳統(tǒng)傅里葉變換的基礎(chǔ)之上提出了短時(shí)傅里葉變化，也可以稱為Gabor變換。短時(shí)傅里葉變化是一種針對(duì)信號(hào)局部特征的時(shí)頻分析方法，其基本思想是首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分割，變成許多很小的時(shí)間段，然后再對(duì)這些小時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，從而得到不同時(shí)間段內(nèi)的頻率特征。短時(shí)傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

其中，g(t-τ)表示積分核，也被稱之為窗函數(shù)，通過(guò)其與信號(hào)的乘積來(lái)實(shí)現(xiàn)τ附近的開(kāi)窗和平移功能。信號(hào)的頻率域表示Gf(ω,τ)是指信號(hào)在實(shí)踐域中以為τ為中心，寬度為△τ的時(shí)間間隔內(nèi)的頻譜特征信息。△τ是短時(shí)傅里葉變換中時(shí)間窗口的大小，可以看作是信號(hào)在時(shí)間域上的分辨率，其所對(duì)應(yīng)的△ω則是指頻率窗口，相應(yīng)地反應(yīng)出了信號(hào)的頻率分辨率。為了在實(shí)踐域和頻率域都盡可能精細(xì)地分析信號(hào)的特征，一般總是希望△τ和△ω都盡可能小。但是時(shí)間域上的△τ和頻率域上的△ω具有不可調(diào)和的矛盾，其中一個(gè)減小時(shí)，另一個(gè)必然會(huì)增大。也就是說(shuō)，很難找到一個(gè)窗口函數(shù)，能夠同時(shí)滿足信號(hào)在時(shí)間域和頻率域上的表示要求。

小波變換被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，是一種多尺度分析，也是近年來(lái)逐步興起的一種電網(wǎng)信號(hào)諧波分析方法。它既能夠有效地表示出信號(hào)的變化全貌，又能夠充分地展示出信號(hào)的局部特征，可以很好地適應(yīng)電能研究中對(duì)非平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。但是小波變換目前能夠采用的變換集比較有限，并且小波函數(shù)的選取對(duì)于分析結(jié)果的影響很大；另外，小波變換對(duì)于信號(hào)噪聲十分敏感，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中常常與相應(yīng)的去噪算法結(jié)合起來(lái)。

2.2諧波檢測(cè)方法

諧波檢測(cè)就是對(duì)電力系統(tǒng)中不同點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，并使用相應(yīng)的儀器進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電能質(zhì)量實(shí)施監(jiān)測(cè)。

在測(cè)量過(guò)程中，考慮到暫態(tài)現(xiàn)象的影響和諧波本身的波動(dòng)性，每次測(cè)量結(jié)果一般是取3s內(nèi)的平均測(cè)量值。目前采用較多的離散采用方法如下所示：

其中，Uhk表示3秒內(nèi)第k次測(cè)得h次諧波電壓含有率；m表示3秒內(nèi)均勻間隔的測(cè)量次數(shù)，且有m>6。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，一般是將諧波分為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波、波動(dòng)諧波和快速變化諧波三種，并根據(jù)不同類型諧波的具體特征和要求來(lái)設(shè)計(jì)具體的測(cè)量?jī)x器。比如，在測(cè)量準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波時(shí)，寬度為 0.1～0.5 s 的矩形觀察窗之間可以存在間隙；而在對(duì)波動(dòng)諧波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，矩形窗的寬度必須減至 0.32s 或者用寬度為 0.4～0.5s 的漢寧窗；在測(cè)量快速變化諧波時(shí)，諧波需要用寬度為 0.08～0.16s的矩形窗，并且要求窗與窗之間沒(méi)有任何間隙。

3　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

110kV變電站過(guò)電壓諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)生成電能質(zhì)量綜合報(bào)告和電能質(zhì)量超標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，包括日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等。報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括最大值、最小值、平均值、95%概率值、限制值（國(guó)標(biāo)值）以及超標(biāo)比率等。整個(gè)系統(tǒng)由輸入信號(hào)調(diào)整與采集子系統(tǒng)、數(shù)字處理與存儲(chǔ)子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)等三個(gè)部分組成。模擬信號(hào)首先輸入到信號(hào)調(diào)整與采集子系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)數(shù)字采樣之后，再輸入到數(shù)字處理與存儲(chǔ)子系統(tǒng)，最后將處理之后的數(shù)據(jù)輸送到用戶接口子系統(tǒng)。另外，為保證能監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)失電瞬間可能出現(xiàn)的過(guò)電壓信號(hào)，該系統(tǒng)配備了備用電源和隔離變壓器。

在輸入信號(hào)調(diào)整和采集子系統(tǒng)環(huán)節(jié)，其主要功能是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式的信號(hào)，通過(guò)數(shù)字化簡(jiǎn)化了模擬電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也為數(shù)據(jù)采樣處理算法的改變提供了更大的靈活性。通過(guò)采樣將模擬信號(hào)變成滿足一定處理要求的數(shù)字信號(hào)，以便對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換等一系列處理，轉(zhuǎn)換成信號(hào)的頻域表示形式。在進(jìn)行輸入信號(hào)調(diào)整和采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建時(shí)，一般需要考慮一下幾個(gè)方面的因素：首先是采樣速率在諧波分析中要達(dá)到 kHz 的范圍，其次是抗混疊濾波器要由被測(cè)信號(hào)的帶寬決定，再次是要滿足在非常嘈雜的電力系統(tǒng)電磁環(huán)境中具有抗電磁干擾的特性。

在數(shù)字處理和存儲(chǔ)子系統(tǒng)環(huán)節(jié)，其主要功能是將數(shù)字采樣值傳送到這個(gè)子系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)處理和記錄。這個(gè)子系統(tǒng)可以只是一個(gè)數(shù)據(jù)記錄裝置或者是一個(gè)功能強(qiáng)大的并行處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。數(shù)字處理和存儲(chǔ)子系統(tǒng)是整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其真正實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在時(shí)間域向頻率域的映射，并由此得到信號(hào)不同次數(shù)諧波的幅度值和相角值，從而對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中電能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和反應(yīng)。該環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)計(jì)算量包括：電壓、電流的總諧波畸變率、按照國(guó)標(biāo)A 級(jí)要求的2～50 次諧波含有率、幅值、相位；各次諧波的有功、無(wú)功功率等。基本記錄周期為3s，取3s的瞬時(shí)值進(jìn)行有效值計(jì)算，其時(shí)間標(biāo)簽為該3秒鐘結(jié)束的時(shí)刻。記錄保存的時(shí)間間隔，可設(shè)置為3秒鐘的整數(shù)倍，記錄取最大值。

在用戶接口子系統(tǒng)方面，這個(gè)單元的用途是使用戶能夠通過(guò)視屏顯示或者通過(guò)硬拷貝形式讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，并為用戶提供控制和配置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能力。這個(gè)子系統(tǒng)的基本要求是把監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜的細(xì)節(jié)對(duì)用戶隱藏起來(lái)，僅以一個(gè)圖形化的用戶界面代表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4　結(jié)論

諧波監(jiān)測(cè)是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，對(duì)于提高變電站的電能輸出水平和質(zhì)量具有十分重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要積極探索和研究電網(wǎng)運(yùn)行的基本現(xiàn)狀和設(shè)備組成，充分考慮各種非線性電器元件和設(shè)備的原理與機(jī)制，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)和構(gòu)建出一套行之有效的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便能夠更好地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，充分保障各類電力設(shè)備的安全，并提供更加優(yōu)質(zhì)的電能。

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