中性點不接地電能質量測量儀的設計

張林海 黃 樂

（廣東電網公司梅州供電局，廣東 梅州 514021）

中性點不接地電能質量測量儀的設計

張林海 黃 樂

（廣東電網公司梅州供電局，廣東 梅州 514021）

本文針對電能質量檢測工作開展30多年來長期存在的檢測設備與系統工作方式不適應的問題進行了研究，詳細分析了在 10kV母線上進行電能質量檢測時出現不合理的原因，提出了10kV非接地系統中性點重構技術，同時設計出中性點不接地電能質量測量儀。

電能質量檢測；三角形接線；中性點

在運用現行的電能質量測試設備對中性點不接地系統的測量時，發現在 10kV系統上存在很高的諧波檢測量，而所相配的0.4kV系統上卻諧波量極低，110kV系統上諧波量也很低，說明儀器對系統運行方式的適應性不好。由于電壓的準確測量是電能質量測量的基礎，所以需重新了解儀器與運行系統之間的關系。為此開展了中性點不接地系統電能質量檢測關鍵技術研究。

1 10kV非接地系統中性點重構技術分析

中性點不接地是一種電力系統特殊的運行方式，只存在于10kV和35kV系統及電廠內廠用電6kV高壓用電設施上，其目的是減少因絕緣薄弱而出現的頻繁跳閘事故。當對該系統進行電能質量測試時，經常會出現比較大的諧波值，而在對應的高壓或低壓系統上并沒有發現可以與其相比的諧波量。

超高壓系統是一個中性點直接接地運行系統，變換到△結線方式的 10kV系統中，其隱含了一個真正的地，即= 0電位點，如圖1中′點所示。

圖1 系統矢量解析圖

圖 1中左邊的矢量圖是超高壓繞組的電壓描述，中間的圖形是低壓繞組對應的接線結構，右側圖是低壓繞組對應高壓繞組的電壓矢量方向圖。在變壓器內，因繞組繞在同一磁路上，低壓 a-x矢量對應高壓A-O矢量，b-y對應高壓B-O矢量；c-z對應高壓C-O矢量。換句話說，中性點不接地系統三角形3個頂點的電壓是由主變的高壓側相電壓決定的，至于′點的位置，對用戶來說并不重要。

在三角形結線運行系統中，由 PT的電抗和線路的分布電容Ca、Cb、Cc共同構造了一個非真實的地。這個地除與系統電壓有關外，還與系統的參數有關，特別是系統參數等值電路中還會出現與電壓有關的非線性參數元件和有可能改變量值的線路長度分布電容元件。由 PT二次測直接測量的電壓a-o，不代表系統真實的電壓 Va-O′。在′′與真實地之間存在一個干擾源T。正是這個干擾源T使測量出現了誤差，如圖2所示。

圖2 三角形接線系統相電壓測量電路圖

因為被測對象存在強烈的諧振干擾，嚴格來說電能質量測試不應選在中性點不接地系統上進行；但為了追查系統諧波干擾來源，又必須選在向用戶配送電能的中性點不接地系統上，所以必須解決系統運行與測量要求之間的矛盾。

解決以上矛盾的方式就是重構中性點，即在儀器內“建地”。在PT二次側，實際上，′′點已物理連接，3個頂點的電壓就是10kV側的線電壓的表現，可以通過3個阻值相同的電阻構成一個新的地，在測量儀器內，稱為內建地，如圖3所示。

圖3 用電阻R重構點示意圖

為得到的相同外特性和相同的相位移動，選擇純電阻R構成測量阻抗，且根據測量精度的要求，選擇阻值精度相同的電阻器。不能使用帶有儲能性質的元件，否則會引起高頻相移和新的諧振出現。電阻網絡Y結線的中點就是重構的中性點′，且滿足三相系統中測量用電流的條件。

圖3中所描述的中性點只能出現在測量儀器的信號輸入端內，構建儀器的內部信號內建地，沒有改變原系統的運行結構。

儀器的輸入端設計首先滿足系統測量的現狀，直接測量 PT二次側的線電壓，在儀器中可以選取△/Y接線，如圖 4所示。其中電流電壓變換器為三組。

圖4 內建地 與測量調整

由于運放的虛地技術，ia要流過r建立一個Va。r/R構成一個新的等值反相電阻分壓器，該分壓器的地電位點聯在內建地點上，如圖5所示的矢量描述。

圖5 測量電路矢量圖

通過 CT的同銘端的改變，可以使得運放輸出與Ua同相位。這種電阻分壓器有良好的頻率響應特性，符合GB/T 14549—1993附錄D7條有關高壓測量分壓器的要求。

圖4電路中設計一個開關K，在中性點不接地系統中打開，當設備用于中性點直接接地系統時閉合，以增加測量儀器的適應性。

2 中性點不接地電能質量測量儀組成

測量儀主要由主機、上位機、參數采集器等部件組成，如圖6所示。組成測量是測量儀中的主控電腦（操作系統為 Windows7），其上運行有專門為本項目研制的主機軟件，測量操作員即是使用該軟件完成測量及測量結果數據調閱操作。電壓、電流譜參數測量上位機是一臺工控機，其上運行有專門為本項目研制的上位機軟件。

圖6 測量儀組成結構圖

閃變、暫態電能質量參數測量上位機是一臺工控機（操作系統為 Windows7），其上運行有專門為本項目研制的上位機軟件。

3 中性點不接地電能質量測量儀測量接口功能實現

電能質量測試儀系統測量部分（其原理圖如圖7所示）主要有三相系統中的電壓值、電壓不平衡度、電壓閃變、頻率和諧波及諧波功率。測量部分有3個電壓通道和6個電流通道，其中3個電流通道使用鉗形電流夾頭，電流為0～5A。

圖7 電能質量測試儀系統測量接口部分原理圖

電壓輸入的改進為電阻重新構造一個機內獨立地，用于消除外界電壓互感器系統的參數變化誤差。電阻下端接一個1∶1的電流互感器，與運放共同構成電壓測量輸入調理電路。

測量系統內將設定一個繼電器，將本機自行構設的內部獨立地與外界系統地分離，只有在中性點接地系統才將內、外地聯接。電壓輸入電路為標準電阻與零磁通電流互感器構成，3相連在一起的點作為內部獨立地。電流輸入采用2×3相設計，使用定制的鉗形表的輸入取樣，用電流電壓轉換電路轉換成電壓信號測量。

底層電路控制使用DOS系統，C語言編程，用I/O地址讀寫的方式進行。

4 中性點不接地電能質量測量儀關鍵硬件設計技術

本項目采用PC104總線為結構主板，將使用總線上的D0—D7、地址為0x0110起始的8個地址、I/O申請線、讀寫控制線、5V電源和+12V電源。

1）頻率測量部分

頻率測量使用 2個字節的 16位計數器，用CPLD器件構成頻率測試電路。基準信號源為1MHz有源晶振，保證0.0001的準確度和精度。

使用1片1M的有源晶振，用2片74ls393構成16位異步計數器，最大值可以到63ms。25Hz信號送到第1級單穩（時間350ns），單穩輸出的高電平，將393計數器的值送到74ls373的d鎖存器中，下降沿保持數據并觸發第二級單穩，產生一個復位計數器的高電平復位信號（0.35μs），對計數器清零。計數器中的數據為輸入頻率/2對應時間內的計數值。20ms時，（2周波）計數值為 40000。頻率值frequence=2/（計數值+1）。加1為可能的清零丟失1個計數值。

2）鎖相環設計

因為有每周波256點的測量基本要求，所以采用鎖相環技術后測量的運算不產生附加誤差。正常條件下，20ms內測 256點，每點之間的間隔為78.125μs。在沒有采用鎖相環下，則會在數個波后會出現時間上的累積誤差。在設計鎖相環時，若采用硬件設計鎖相環，則會在一個周波內產生不等間隔時差問題。同時，縮小頻率變化范圍會出現頻率牽入范圍過窄、易失步和失鎖，從而產生的誤差會更大。

圖8 頻率測量電路設計原理圖

圖9 鎖相環電路設計圖

因此，本項目采用了CD4046+分頻器的設計方案。在CD4046的壓控振蕩器上加一個數字電位器，通過軟件控制，加大同步范圍，減小壓控振蕩器的變化范圍，使鑒相器輸出對壓控振蕩器的不均勻度影響減小。

3）數據采集量

數據為每周波256點，6個通道，數據為2304個；每個數據為2字節，則每個周波為4.6k Bytes，測量 10個周波，需 46B字節內存，如果計算時間容許，可采用間隔256點等間隔疊加的方法，只需要4.6kB內存。

在20ms內要傳遞384000b，高于串行口的最高使用頻率，所以只能使用總線采集方式傳遞。如果是使用單片機，則必須考慮總線傳遞或者是USB傳遞方式。

由于本儀器要測量閃變，一組3個電壓測量數據必須達到60s，所以數據量非常大，每次測量時間內（120s）要達到 9M 字節。要求在主機內存中開出相應的數據臨時存放區；每一個通道為 192.003k個整型數。（（120s×50Hz+1）×32）；測量采樣過程中只能使用單一線程，不容許其他系統設備占用測量流程中特殊段的中斷流程。

4）軟件設計

軟件運行在一臺PC上，操作系統為Windows7，按規定流程控制電壓、電流譜參數測量上位機、閃變、暫態電能質量參數測量上位機完成測量工作，并將測量結果保存到本機磁盤文件中。

5）其他要求

由于電壓測量要求在0.1%，所以要求取樣電阻為1.000MΩ，100V時電流為100μA，經變換后要求為1V，則內部變換電阻為10kΩ（軟件輔助測試調整）。由于已經使用零磁通互感器的隔離，所以內部運放用小二極管保護即可。

電流輸入實際上是6個通道，要求由內部繼電器軟件控制切換。其中標準通道在內部有零磁通互感器的隔離，用二極管保護即可，外鉗形探頭輸入端的保護要考慮靜電破壞的可能。

調理電路使用隔離電源模塊，5V或 12V變±12V即可，功率為1～3W，負載為10個運放，電流達到100mA。

上板的電源全部都要進行濾波，使用 100μH（0.5A）電感和200μF的電容進行退耦濾波。

根據國標中對用于電能質量檢測的模數精度要求，ad芯片采用12位10μs 6輸入通道的小于10μs速度測量芯片，最好采用總線控制方式。

調理用模擬電路每個通道必須使用相同型號及相同數量的運放，如需要略微濾波，就必須使用相同的時間參數；必須保證通道的帶寬大于 5kHz。2kHz內的相移不能超過 2°，通道內的相對相差小于1°。用同一信號進行測量后進行檢驗。

圖10 軟件總流程活動圖

圖11 主窗體

5 現場測試對比及結論

為本項目研究測試系統現場可靠性，研究完成了大量現場測試結果對比分析。本文以110kV紅光站10kV 1M母線與110kV 1M母線測試為例，對比測試設備為MAVOWATT30型電能質量分析儀，出廠編號：MW30IA049，校驗日期：2016-6-28，校驗單位：廣州計量檢測技術研究院。

圖12 數據瀏覽

1）三相基波電壓RMS值

兩臺儀器測得的測試點的基波電壓 RMS值95%概率值統計表見表1。

2）電壓諧波

中性點接地方式下測試點電壓諧波。

兩臺儀器測得的電壓諧波含有率及電壓總諧波畸變率95%概率統計值分別見表2、表3。

10kV母線中性點不接地方式下電壓諧波：本項目儀器重點在于能夠適應中性點不接地系統中的電壓諧波測試，其測試結果見表4。

表1 電壓RMS值

3）三相電壓不平衡

測試時段內，110PT及51PT處兩臺儀器分別測得的電壓不平衡95%概率統計值見表5。

表2 10kV母線電壓諧波含有率及總諧波畸變率95%概率值/%

表3 110kV母線電壓諧波含有率及總諧波畸變率95%概率值/%

（續）

表4 中性點不接地方式下電壓諧波含有率及總諧波畸變率95%概率值/%

表5 總相電壓不平衡統計

4）分析及結論

（1）由表2可以看出，10kVPT二次對地電壓中含有7.4%左右的3次諧波，其主要是PT電抗與線路對地分布電容諧振造成的，對比 MAVOWATT30儀器，其測量數據是一致的。本站負載很小，用戶影響很小，電壓諧波來自110kV系統的傳遞和該站的參數諧振。

在110kV系統側，兩臺儀器所測數據基本一致，項目成果能夠用于中性點直接接地系統。

（2）對比表3與表4，在10kV中性點不接地系統上，本項目研發成果能夠排除掉系統參數諧振對測量值的干擾，測量值與110kV的諧波值基本一致，可以真實反應上一級電壓等級系統向本系統的傳遞情況。

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Design of Neutral Point Ungrounded Power Quality Measuring Instrument

Zhang Linhai Huang Le
(Meizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Meizhou, Guangdong 514021)

In this paper, the power quality testing out for more then 30 years, standing testing equipment and system work methods are unsuitable for the study. And it analyzed the problem of the power quality measurementin 10kV system. The neutral point reconstruction technology of 10kV ungrounded system is proposed, on the basis of it we design a neutral point is not grounded power quality measuring instrument.

power quality measurement；triangular connection；neutral point

張林海（1986-），男，碩士，工程師，電氣試驗技師，從事高壓試驗工作11年，研究方向為高壓與絕緣技術。