煤礦井下低壓電網諧波檢測分析裝置研制

李忠奎

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京100013）

煤礦井下低壓電網諧波檢測分析裝置研制

李忠奎1，2，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京100013）

本文針對煤礦井下電能質量問題，通過煤礦諧波分析，結合煤礦生產實際，研究設計了基于傅里葉變換和小波變換的諧波檢測算法，設計了諧波檢測硬件電路和分析軟件，最終形成了一套煤礦井下低壓電網諧波檢測分析裝置。通過仿真測試，該裝置諧波參數測量結果基本達到國家標準要求。該裝置的研發為煤礦諧波檢測提供了手段，為掌握煤礦低壓電網諧波規律、評估礦井電網電能質量提供了技術支持。

煤礦；低壓電網；諧波；裝置；軟件；電能質量

近年來，隨著大功率電力電子裝置的廣泛應用，使煤礦電網的諧波污染日趨嚴重，諧波的存在使得電能利用的效率降低，并引起供電設備的毀壞，給煤礦的安全生產帶來隱患。國家標準《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-93，對供電系統電壓和電流的波形畸變和諧波的大小都提出了限制和要求[1]。但是由于煤礦井下供電設備和地面設備具有很大差異，井下電網運行方式也不同于地面電網，導致諧波采樣和數據提取有較大難度，地面成熟的諧波分析設備無法直接應用于井下，再加上之前我國沒有對煤礦諧波治理和設備電磁兼容（EMC）可靠性提出強制要求，所以用于煤礦井下的低壓電網諧波分析設備一直是塊空白[2]。開發該裝置，用于檢測煤礦電網諧波污染程度，為進一步的諧波治理提供數據參考，對提高供電的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

1 煤礦諧波分析

電力系統理想的情況下，電壓和電流都是正弦波[3]，實際上都達不到理想情況。但這種非標準正弦波都可以分解成不同頻率的正弦波，且頻率是基波頻率的整數倍，這種正弦波即稱為諧波[4]。

近年來，煤礦供電系統中大量使用變頻器、電力電子開關設備、整流設備和非線性用電負荷等，都會產生大量的諧波。變頻器是將工頻電用三相橋電路整流成直流電，再通過濾波和逆變，轉變為頻率可調的交流電[5]。在整流回路或輸出回路中，輸入或輸出波形都是由基波和各次諧波組成的不規則電壓或電流波，高次諧波不僅干擾電源，而且對負載造成很大干擾；變壓器運行也產生大量諧波，其是由勵磁回路的非線性造成的，尤其在負載變化和非正常運行時，諧波電流會大大增加[6]；礦井大量使用的電纜也成為高次諧波向空間輻射的載體，其它電氣設備會受到很大干擾[7]。

煤礦電網諧波污染越來越嚴重，其危害已不容忽視，尤其是高次諧波，會對用電設備造成嚴重的損壞。高次諧波會嚴重增加電動機和變壓器的損耗；高次諧波會在交流電動機軸承中產生電流，導致軸承損壞[8]；高次諧波會降低斷路器和保護繼電器的性能，導致誤動或拒動的產生[9]；高次諧波會導致電纜介質損耗增加，破壞其絕緣性能；高次諧波還會對煤礦六大系統的安全性造成影響；高次諧波嚴重時將會導致越級跳閘和大面積停電等供電安全事故，造成巨大的人身及財產損失。

2 基于傅里葉變換和小波變換的諧波檢測算法研究

傅里葉變換是對原始信號通過疊加代替進行分析[10]，小波變換是通過改變頻率窗和時間窗的寬度，固定其面積的時頻分析方法[11]。小波變換與傅里葉變換相比，空間和頻率上的特性分析效果很好。通過改變窗寬度，可以將信號進行逐次細化，達到很高的分析精度，可以很好的彌補傅里葉變換的不足。但是，小波變換由于其濾波器的缺陷，存在頻譜泄露現象[12]。

近年來，越來越多的將小波變換應用于檢測電力諧波。電力諧波是由穩態部分和暫態部分組成，傅里葉變換可以得到波形中各次諧波的幅值，小波變換可以得到其時間信息，傅里葉變換和小波變換各有優勢且相互彌補[13]。因此，文中研究將兩者結合，用于低壓電網諧波的檢測分析。利用傅里葉變換分析穩態部分，利用小波變換分析暫態部分。其算法流程圖如圖1所示。

圖1 諧波分析算法流程圖

3 裝置硬件設計

諧波檢測分析裝置設計主要由防爆殼體、信號傳感單元、信號調理單元、MCU單元、液晶顯示單元、遠程通訊單元和供電單元等組成。裝置硬件結構圖如圖2所示。

圖2 諧波檢測分析裝置硬件結構圖

該裝置通過互感器獲取被測電網的諧波信號；該信號通過光電隔離等防爆措施輸入調理單元；調理單元進行信號濾波并對幅值進行調整；然后MCU把調理好的模擬信號轉換為數字信號并對其進行分析和計算；顯示單元將分析數據結果進行實時顯示，并顯示裝置工作狀態等信息；通信單元負責與上位機及第三方設備進行信息交換；按鍵單元是人機交互部分，實現數據或命令輸入；存儲單元用于設置信息或重要數據的永久存儲，避免掉電丟失；供電單元提供裝置各部分所需的電源。

3.1 信號傳感電路

電網傳輸的信號為高電壓、大電流信號，不能直接進行采集，需要用互感器轉換成電子電路能夠處理的范圍。非煤行業一般采用電容式電壓互感器，但其應用于煤礦井下存在不能完全隔離、精度低等諸多問題，一種新型的光學電壓互感器完全解決了該問題，其是利用光學晶體在外加電場的作用下產生效應的原理[14]，從而實現了高壓側與低壓側真正意義上的電氣隔離，且光信號不受電磁干擾，保障了采集信號的準確性和精度。

采集諧波信號不僅要獲取其各種穩態參數，更重要的是要獲取其擾動或突變產生的各類暫態信號，因此要求信號傳感電路具有很高的性能。光學電壓互感器具有線性度高、響應速度快、測量頻帶寬、精度高等優點，且其實現真正意義的電氣隔離，為其在煤礦瓦斯條件下應用提供了很好的條件，故本裝置選擇采用光學電壓互感器。

3.2 信號調理單元

對電信號進行高次諧波分析時，會產生鏡像效應和頻率泄漏的問題，文中采用MAX291實現八階巴特沃斯抗混疊濾波器[15]。煤礦電網基波為工頻信號，設計分析到50次諧波，諧波頻率最高為2.5 kHz。設計信號調理電路如圖3所示。MAX291大部分功能都集成到芯片內容，設計外圍電路很簡單，所以應用很方便，不僅提高了工程師的設計效率，而且提高了整個電路的性能。但其本身具有零點漂移大和頻譜失真的問題，故本文設計電路中用R8和R9兩個電阻消除零點漂移造成誤差過大的影響，并且設計C8、C6和C9電容用來對電源和時鐘信號的濾波，減少開關電容濾波器帶來的頻譜失真。設計的電路通過測試，能很好的濾除雜波信號，避免信號的鏡像效應問題，信號畸變率小，電路穩定性和可靠性強，很好的達到了所需要的應用效果。

圖3 信號調理電路圖

3.3 通訊單元

裝置設計采用485通訊接口，實現與上位機的實時通訊功能，并且設計采用MODBUS標準通訊協議，可以滿足大部分工業現場應用，實現與其它通訊平臺的標準配接。RS485通訊接口采用了平衡驅動和差分接收的方式，抗干擾性好，工業應用成熟穩定。其最大傳輸距離標準為1 200 m，頻率低的情況下可以傳輸更遠的距離，并可以實現多點通信方式。電路原理圖如圖4所示。電路采用模塊化設計，U11為單片機串口轉485通訊驅動模塊。電路中設計R83電阻為120 Ω，并配合S6開關組成通訊線路匹配電阻投切電路，在需要增加匹配電阻時，打開S6開關即可，方便了設備的安裝維護。設計R71、R72、R77、R804個電阻和F9和F10兩個保險電阻實現通訊電路的抗干擾，提高了通訊的穩定性。

4 裝置軟件設計

為了保證諧波分析時間的準確性，設計用定時中斷完成讀取采樣數據以及諧波分析功能，另外為了提高實時性，485通訊、按鍵解析以及定時保存數據這些功能均采用中斷方式完成。主程序首先對所有功能以及數據完成初始化任務，初始化的內容包括:系統運行的時鐘、定時器的初始化、電能分析模塊的初始化、485通訊的初始化、顯示屏初始化、存儲初始化、實時時鐘初始化等。初始化完成之后，進行故障診斷，系統診斷正常即可進行數據采集處理程序，然后進行數據分析，之后由顯示屏顯示相應的內容。如果有按鍵按下轉到按鍵中斷處理程序，處理完成后，返回主程序。如果有485通訊指令，轉到485通訊中斷處理程序，完成后返回主程序。系統主程序和中斷處理程序框圖如圖5所示。

圖4 通訊單元電路原理圖

圖5 系統主程序和中斷處理程序框圖

5 結束語

諧波檢測是諧波治理的基礎，通過諧波檢測計算出電網中各次諧波的頻率、幅值和相角等基本電力諧波參數，在知道這些信息后，通過計算可以進一步對電網中諧波做出更詳盡的諧波質量分析，進而為后續的諧波治理提供理論上的指導。文中根據當前我國煤礦井下低壓供電系統中存在大量諧波的實際問題，通過對諧波檢測相關理論與技術進行研究的基礎上，設計開發了一套以傅立葉變換和小波變換算法相結合的電網諧波檢測分析裝置。文中對裝置的硬件和軟件設計進行了詳細的闡述。通過仿真測試，該裝置諧波參數測量結果基本達到國家標準要求。

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Development on harmonic detection and analysis device for underground low voltage power network in coal mine

LI Zhong-kui1，2，3
（1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing 100013，China；3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology，Beijing 100013，China）

In view of the power quality problem of coal mines，by harmonic analysis and combined with actual productions，the paper designs the harmonic detection algorithm based on Fourier transform and wavelet transform，and designs the harmonic detection hardware circuit design and the analysis software，finally it formed a set of harmonic detection analysis device in the coal mine with low voltage power grid. Through the simulation test，the results of harmonic parameters measurement from this device are basically meets the requirements of national standards.The research and development of this device provided the harmonic detection methods for coal mine，and offered the technical supports for mastering the harmonic rule of low voltage power grid and evaluating the power quality of power grid in coal mines.

coal mine；low voltage grid；harmonic；device；software；power quality

TN7

：A

：1674-6236（2017）02-0085-03

2016-01-26稿件編號：201601240

中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金支撐項目（2013MS012）；煤炭科學研究總院技術創新基金支撐項目（2012CX06）；煤炭科學技術研究院技術創新基金項目（2015CX04）

李忠奎（1981—），男，河北滄縣人，碩士，副研究員。研究方向：供電安全。