牽引變電所電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苑春剛

摘 要：針對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)日益迫切的需求，本文介紹了一種牽引變電所電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)。以LabVIEW為核心平臺(tái)，采用電壓及電流互感器和傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)等硬件設(shè)備，開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低，性價(jià)比高，擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多路同步信號(hào)采集。

關(guān)鍵詞：牽引變電所 電能質(zhì)量 LabVIEW 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0001-02

隨著我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專線的大力發(fā)展，大容量牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的負(fù)序和諧波，往往造成嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，不但影響供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，還對(duì)自身用電過(guò)程造成直接或間接的危害。當(dāng)前，實(shí)時(shí)性、可靠性、連續(xù)性已經(jīng)成為對(duì)牽引供電的基本要求，為了實(shí)現(xiàn)綜合治理電能質(zhì)量，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)牽變電所電能質(zhì)量進(jìn)行在線分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量存在的缺陷，對(duì)整體或局部電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判，從而采取針對(duì)性的治理措施，保障整個(gè)供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量測(cè)量裝置功能以硬件為核心，比較單一，擴(kuò)展性和靈活性較差，已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足日益復(fù)雜的對(duì)牽引供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、多參數(shù)同步測(cè)試的要求。而且其一般由單一功能儀器組成，每套儀器僅僅完成有限的功能，如功率測(cè)量?jī)x器，主要用于有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)測(cè)量和電能計(jì)量，要想知道諧波含量，還需要安裝諧波測(cè)量和分析裝置。其實(shí)測(cè)到的電壓電流信號(hào)既是計(jì)算功率參數(shù)的依據(jù)，也是計(jì)算諧波含量的依據(jù)，這就造成測(cè)量效率的低下和成本、體積較大，自動(dòng)化程度低，而數(shù)據(jù)也難以得到進(jìn)一步挖掘。

因此，本項(xiàng)目研制了一種新型的電能質(zhì)量參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效地對(duì)牽引變電所的電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)、通信以及測(cè)試測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和先進(jìn)技術(shù)，將系統(tǒng)的核心從硬件轉(zhuǎn)向軟件，利用計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)，在微機(jī)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

1 技術(shù)方案及硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整個(gè)測(cè)量功能包括以下環(huán)節(jié)。

1.1 測(cè)量信號(hào)的獲取

基于對(duì)牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的整體性的要求，需要獲取牽引變電所內(nèi)各關(guān)鍵位置的電壓電流信號(hào)，總計(jì)16路測(cè)量信號(hào)。包括高壓進(jìn)線三相電壓和電流共6路；牽引母線電壓2路；以及若干路牽引饋線電流，考慮到復(fù)線鐵路牽引饋出線一般為4路，如果是AT供電方式，接觸線T和正饋線F的電流都需要測(cè)量，這就需要8路。

由于所測(cè)信號(hào)為高電壓、大電流，無(wú)法直接輸入測(cè)量系統(tǒng)，因此測(cè)量電壓、電流取自牽引變電所電壓互感器（PT）和電流互感器（CT），分別將高電壓和大電流轉(zhuǎn)換成100V電壓和5A電流，由測(cè)量電路進(jìn)行調(diào)理。由于目前牽引變電所使用的互感器多為電磁式鐵心結(jié)構(gòu)，由于磁滯和飽和的影響，對(duì)于高精密度的電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量計(jì)算會(huì)帶來(lái)不利影響，但對(duì)大多數(shù)參數(shù)測(cè)量的影響在可接受的范圍內(nèi)，隨著互感器更多地更換為電子式，這種影響也會(huì)越來(lái)越小。

1.2 電壓電流變換

互感器輸出的電壓電流信號(hào)對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡而言仍然較大，需要變換后才能輸入。結(jié)合采集卡的量程（0～10V），電壓變換將100V的壓互電壓信號(hào)變換成5V電壓，電流變換將5A的流互電流信號(hào)變換成5V電壓，既能充分利用采集卡的量程，又能適應(yīng)不同運(yùn)行方式帶來(lái)的影響。

電壓信號(hào)經(jīng)兵字DVDI互感器變換為5V左右的電壓；電流信號(hào)獲取較為困難，因?yàn)榱骰ザ蝹?cè)不得隨意斷開(kāi)，設(shè)計(jì)采用了福祿克i200s交流電流鉗，一方面將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)以便采集；另一方面其卡鉗式探頭可以在現(xiàn)場(chǎng)靈活方便拆裝。

1.3 數(shù)據(jù)采集

為了用計(jì)算機(jī)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也就是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換的精度與可靠性直接影響到電能質(zhì)量參數(shù)分析計(jì)算的結(jié)果。這里同步問(wèn)題尤為關(guān)鍵，因?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析過(guò)程中用到的電壓電流信號(hào)如果時(shí)間不同步，那么相互運(yùn)算就沒(méi)有意義。設(shè)計(jì)采用了阿爾泰PCI2008A型采集卡，可以直接插到工控機(jī)PCI總線上運(yùn)行，12位AD轉(zhuǎn)換精度，16路同步模擬輸入信號(hào)采樣，每通道可達(dá)25kS/s同步采樣頻率，可以滿足50次諧波的測(cè)量需要。

1.4 LabVIEW虛擬儀器軟件系統(tǒng)

工控機(jī)系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)構(gòu)建電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)各種算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，能夠?qū)︻l率、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相不對(duì)稱度等電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

考慮到牽引變電所自用電的質(zhì)量并不理想，周圍存在較強(qiáng)的電磁干擾，設(shè)計(jì)中采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，整個(gè)采集系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期可靠工作，抗干擾能力較強(qiáng)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)功能上分為監(jiān)測(cè)和分析兩部分，其軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)測(cè)部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，參數(shù)計(jì)算模塊又包括頻率分析、負(fù)序分析、諧波分析、電壓偏差計(jì)算、波動(dòng)與閃變、故障錄波等模塊。這一部分根據(jù)測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算出電能質(zhì)量的各個(gè)參數(shù)，并通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

分析部分對(duì)設(shè)定時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大（小）值、95%概率值等，得出電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的變化趨勢(shì)，最終形成電能質(zhì)量參數(shù)報(bào)表。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路牽引變電所工程現(xiàn)場(chǎng)，以LabVIEW虛擬儀器技術(shù)為平臺(tái)建立了電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝置能夠長(zhǎng)時(shí)間在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各項(xiàng)參數(shù)，使用方便，擴(kuò)展靈活，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值，先后應(yīng)用于多個(gè)牽引變電所的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，反饋信息顯示達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的和要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 候新科，牟英，鄭偉.基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（9）：72-74.

[2] 房國(guó)志.暫態(tài)電能質(zhì)量檢測(cè)方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2013.

[3] 譚德坤，孟立凡，譚彭.基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析儀[J].電測(cè)與儀表，2008，27（1）：62-65.endprint