高壓電力計量系統故障診斷與應用研究

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一、引言

在我國的電力系統的正常運行中，電力計量起著十分重要的作用，電力計量不僅關系到電力企業的生產、科研以及經營管理，還直接關系到廣大電力用戶的切身利益，所以一旦電力計量系統出現故障，那么將會給供電企業以及用電單位帶來較大的經濟損失，所以電力企業要對電力計量系統的故障診斷進行科學的研究分析，確保其電力計量系統正常運轉。

二、電力計量系統簡述

高壓電力計量系統總共有四部分構成，分別為電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)、電能表以及相互連接的二次導線。四個構成部分中的任何一個出現故障問題都將會導致計量不準確，甚至引起整個高壓計量系統癱瘓。所以我們主要的故障排查對象就是這四個部分，針對這種情況，設計并采用了一種全新的系統，并且該系統該基于ARM處理器設計了全新的監控裝置，并采用了不同的電路設計以及相關元件的選擇，下文將對此作詳細分析。

三、檢測理論分析

高壓電力計量系統的原理可以參考圖1，圖1中的右上角的“1”與“2”分別為電度表的兩個計量單位，TV1與TV2是電壓互感器；而TA1與TA2則是電流互感器，IA和IC分別是A與C相的電流。Ia與Ic分別是IA與IC通過電流互感器變化后所產生的二次電流。可以將整個用電與計量系統看作為一個網絡，這樣一來當負載發生變化或者是有故障發生時，就可以通過網絡阻抗的變化對計量系統的變化進行有效的描述，因此，要對圖1中的P點與Q點進行研究，分析阻抗Zi隨著負載以及故障發生時的變化情況，也就是說，要找出網絡阻抗變化與故障發生之間的聯系。經過筆者的計算分析，并結合文獻[4]得出：當負荷從滿負荷變化為滿負荷的10%時，從P、Q兩點進入的阻抗變化的數量級較小；然而當電流互感器一次側短路時，網絡阻抗卻急劇下降，相比正常情況的阻抗值變化在4-5個數量級。因此，可以通過檢測信號的變化來對電流互感器的一側是否短路進行判斷。

圖1 高壓電力計量系統接線圖

四、關于監控裝置硬件結構設計分析

高壓電力計量系統的電流互感器一次側短路前后，其網絡等效阻抗Zi急劇變化，從而使得檢測信號U發生變化。針對該變化，建立了相應的故障檢測監控裝置。該電流互感器一次側短路檢測監控裝置的組成部分主要有：微處理器、信號采集處理電路、液晶顯示器、GPRS傳輸以及電源等組成，并且該監控裝置能夠對信號U實時監測，對高壓計量裝置電流互感器是否出現異常進行分析判斷，一旦發現異常，微處理器則立刻發出警告。

(一)關于檢測電路的設計分析。首先是對檢測電壓源的選擇，選擇了頻率為1kHz的正弦交流信號，因為這樣不僅可以與50Hz的信號進行區分，還可以有效的減少采樣的數據量，減輕工作量。從理論上來說，本文所設計的電流互感器的效果應該是很好的，但是在實際的工作應用中，由于副變相當于開路，所以電磁很容易出現飽和的現象，從而出現信號嚴重失真的情況。因此，選擇串聯一個電感線圈，經過對硅鋼、鐵氧體以及微晶合金等多種磁芯的電感進行的對比分析，發現硅鋼磁性相對而言具有最高的飽和磁感應強度，且適用于頻率在1kHz之下，完全符合相關要求。此外，為減少串聯電感對于正常計量系統的影響，經過分析，選擇的電感大小為0.2mH，并經過感抗計算公式，完全符合相關要求。

(二)關于微處理器的選擇與數據采集分析。該檢測監控裝置的內部集成了12位16通道的A/D轉換器，其最高的采樣率可達1MHz，并且在實際的工作中，還具備多種特色化功能的元件，這不僅減少了元器件的數量，還在很大程度上也減少了電路板的面積。關于數據采集分析，主要是對故障檢測的信號數據以及二次回路電流的數據進行采集與檢測。

(三)關于數據分析。首先需要對采集的二次回路電流狀況進行全面科學的分析，如果分析后確定其能夠滿足設備運行的基本需要，那么就需要對故障信號進行采樣工作，在這一過程中，我們可以通過DMA通道實現數據的高速傳輸，并對所采集到的數據進行科學、細致的處理研究，在研究中所采用的是1kHz的信號基本特征，這可以有效的判斷是否發生了電路互感器一次側短路故障。電能表上的數據以及警報信息可以借助GPRS系統進行相應的處理。

五、關于一次側短路故障分析

CT一次側短路故障檢測控制裝置程序在應用的時候一般都是由監控裝置程序C來進行完成的，其組成部分主要包括：數據采集、數據分析以及數據顯示等。此外，檢測監控裝置的程序結構主要采用微處理器的初始化方式。

六、實驗結果分析

通過該CT一次側短路故障檢測監控裝置對某一高壓電力計量裝置的運行檢測，得到了一次短路故障前后檢測信號的采樣值以及FFT分析。以下為具體實驗結果分析。Ia是電流互感器二次側電流的大小，而Au則是電力與互感器一次側短路時1kHz所檢測信號的頻譜分析幅值；K是在故障發生前后檢測信號所產生的相對變換值。通過對上述實驗數據的分析，證實了所測試的數據能夠準確的反映出高壓電力計量系統CT一次側具體的運行情況。并且在經過對實驗數據的分析發現CT一次側沒有被短接下的Au值其實要比被短接的Au值要大的多，并且Ia的變化對檢測信號的影響幾乎是可以忽略不計的，也就是說，Ia值并不會由于負載所產生非常大的變化而出現誤判的狀況，這也證明了該方法具有較強的可行性。

七、結語

綜上所述，本文通過科學細致的分析，從理論上證明了抗阻與電流互感器一次側短路之間存在著非常密切的聯系，并基于此，設計出了一種電流互感式一次側短路的檢測監控裝置，經過實驗證明，是一種可行的高壓電力計量系統故障診斷方法。

【參考文獻】

[1]劉駒.電能計量自動化終端應用與故障診斷處理[J].自動化應用,2016，9(11):111-112.

[2]楊世海,戴太文,盧樹峰,等.基于數據挖掘的計量裝置在線監測與故障診斷系統設計[J].電子設計工程,2016,24(23):108-111.