關于大數據的電網過電壓監測技術研究

劉洋

（內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力經濟技術研究院分公司，內蒙古呼和浩特 010020）

0.引言

我國科技進步帶動了用電需求的增加，對電網穩定性和安全性提出了更高的要求，如今分布式電源并網、新能源電源建設逐漸增多，對于電網運營和治理提高了難度。為了保障電力系統供電安全穩定，需要高度關注過電壓問題，加強對過電壓的預防和治理，從根本上消除不良故障，保證供電穩定安全，同時能夠提高電網運營治理水平。

1.電網過電壓監測技術分析

在電力系統運行期間，經常受到過電壓影響造成設備損壞，甚至引發火災事故，嚴重影響電力系統運行穩定性，給電力系統造成巨大經濟損失。在電力系統運行期間采取電壓防范措施，但仍然無法有效防范過電壓問題，因此電力系統聚焦在線監測技術，充分利用電力數據分析，準確識別過電壓風險，并配合絕緣電阻，預防過電壓問題的發生，具有突出優勢。在過電壓監測中如何準確捕捉過電壓信號十分關鍵。目前主要有以下幾種監測技術：（1）并聯電容分壓器，借助于并聯電容分壓器捕捉母線過電壓信號，該方式測量精度高，傳感器響應速度快，但是分壓器要長時間并聯運行，且在35kV下電壓系統中更為適用。（2）使用電磁電壓互感器捕捉過電壓信號，但鐵芯易飽和，在高頻電壓下出現飽和失真，很難對高頻過電壓準確測量[1]。（3）使用光纖電壓傳感器，由于傳感器具有較高精度、重量輕、寬頻帶，且將高壓和低壓隔離，傳感器難以長期運行，增加了運行難度，很難大范圍使用。（4）此外還有部分學者提出末屏電壓傳感器以及測量容性設備漏電等方法對過電壓進行測量，這兩種方法均存在一定弊端，受到局限條件多，很難推廣應用。本研究基于耦合電容傳感器進行在線監測系統的設計，耦合電容傳感器由輸電導線和傳感器構成，低壓臂和處理電路位于被測量高壓端，和低壓端構成電氣隔離，分析傳感器原理，設計合理參數，并通過大數據分析進行過電壓監測。聯合大數據分析技術，實現對過電壓的實時監控，最大程度保障過電壓的預防和及時識別，保護電力系統的穩定、運行，具有突出優勢。

2.電網過電壓數據監測系統的設計

2.1 結構設計

數據監測系統包括4個層次，分別為數據庫服務層、網絡服務層、客戶層以及監測設備4個層次。客戶層提供人機交互服務，使用Silverlight技術開發客戶端，給用戶提供圖形數據。網絡服務層給網絡數據提供接口服務，積極響應用戶請求，根據指令調取信息，向用戶提供信息。數據服務層采集解析監測信息，對檢索請求及時反饋。監控設備負責采集系統數據，并進行預處理，將電流信號以及電壓信號傳送給數字接口。

2.1.1 數據采集

電力系統電壓信號頻率約為數10MHz，對于采集數據的頻率要求高，為了能夠采集原始信號，采集數據頻率要超過信號帶寬，通過知識確定取樣頻率，盡量保證信號精度[2]。使用INSULAD2053數據采集卡，具有3路轉換板，每個通道擁有40MHz轉換速度，可以被多種模式觸發，能夠優化處理電壓數據。設計大規模陣列滿足在線編程的要求，從而提高采集信號的靈活性。數據采集接收-5V～5V信號，輸入信號帶寬范圍為0MHz～10MHz，分辨率高。經過A/D轉換選擇50Ω跳線，模擬信號經過差分方法轉換，啟動采集功能，可以封鎖數據并保存。PLC轉換器提供隨機存儲器，可以循環存儲。

2.1.2 電網消納

設計多層消納方式，能夠滿足接入更大范圍的電網。根據電網消納范圍，電源消納可以分為點、線、面3種模式：（1）點消納。是由電網節點進行吸收消納電源，沒有潮流方向。根據饋線角度，各個節點可以吸收功率，從變電站角度，饋線潮流從電網流向負荷。（2）線消納。在中壓電網饋線內吸收消納電源，饋線潮流從電網流向負荷。（3）面消納。在中壓電網范圍內消納電源，節點潮流反向電流運輸，在饋線范圍之外，電網無法對本地接入發電能量完全消納，造成饋線潮流向反向流向。

2.2 軟件設計

軟件設計主要包括在線監測和離線分析兩部分，以Windows10系統開發軟件：開機初始化時判斷是否存在過電壓問題，若電壓高于觸發電路極限值，觸發電路啟動數據采集，采集數據后將其存儲至RAM緩存。在RAM存滿后判斷是否出現新過電壓，若沒有新過電壓，則需要將RAM緩存數據通過文件形式保存。在緩沖器前數據寫滿后，將前半部分數據復制于緩沖器內，實時處理數據，保證高效處理數據流。對采集數據的離線分析能夠顯示數據變化波形，并對數據進行測量，從而診斷電網故障[3]。保證電網的穩定運行，不會出現斷開電網的問題，需要對過電壓侵入進行抑制，并保護電路單元。使用壓敏電阻可以滿足這一要求，壓敏電阻對于伏安特性具有較高敏感度，當電壓達到臨界位置，內阻急劇降低，過電壓釋放電流被吸收，從而對電路元件進行有效保護，不會因為過電壓問題，造成電路破壞。導通電阻使用壓敏電阻，公式為：

其中，V表示過電壓，VAC表示交流電壓，VDC表示直流電壓，VCP表示脈沖電壓，N表示導通電壓，T表示時間常數。在不間斷運行時，時間常數為0.7～1，保證導通電壓工作電壓最小，從而能夠保證在線監測系統穩定性。

2.3 試驗分析

使用測試軟件試運行在線監測系統，記錄測試參數和電壓波形，檢測系統運行狀態。以110kV電壓變電站為例，過電壓主要來源于斷路器動作以及感應雷電電壓。在雷雨季地區進行實驗，記錄一年內雷電過電壓波形，如圖1所示為正極性脈沖波，上升階段具有高頻振蕩特點，短時間內快速上升，在規定時間內恢復至正常電壓。為了保證檢測系統穩定運行，對其進行絕緣性測試。對傳感器施加2V工頻電壓，持續給予10min，檢測系統是否正常運轉。使用直流高壓發生器對電容器充電產生電壓信號采樣處理，并檢查波形是否精確，驗證監測系統的任務情況。將測試雷電電壓波形和實際波形進行對比，自動采集電壓數據并儲存，能夠對數據流高效處理。使用離線分析軟件進行過電壓分析，能夠提高監測精度。該系統能夠對過電壓準確監測，避免損害電網，保證電網的安全和穩定。

圖 1 雷電電壓波形圖

3.結論

受到多種因素影響，電網識別過電壓難度高，過電壓問題一直是電網治理難題，基于耦合電容傳感器聯合大數據技術建立在線監測系統，實時監控電網電壓穩定性，能夠及時發現過電壓問題，并進行電壓治理，保證電力系統供電穩定。未來還需要進一步融入人工智能技術，實現電網系統的協同管理，在線識別電網故障風險，提前預防調度，充分保障電網系統的穩定性。