基于虛擬儀器的變電站諧波監測與分析系統的實現

康 鍇

（國網固原供電公司，寧夏 固原 756000）

0 引 言

目前，雖然我國已經開始重視對變電站諧波的監測和控制，但是傳統測量儀器設備的體積大、功能較少、缺乏可擴展性，應用和維護成本高，無法實時進行諧波參數的監測和分析。相比之下，基于虛擬儀器的變電站諧波監測與分析系統具有強大的功能和靈活性，可實時動態監測和分析變電站諧波，為諧波的控制提供保障。因此，在變電站諧波監測分析過程中應積極采用虛擬儀器，提升諧波監測的效率和水平，為變電站電力系統的安全穩定運行提供有力支持。

1 變電站諧波分析

1.1 變電站諧波來源

對于變電站的電力系統而言，諧波的來源較多，主要涉及斷路器操作、電容器補償裝置等，具體如表1所示。

表1 變電站諧波分析

1.2 變電站諧波的危害

變電站電力系統中存在諧波會導致整體電力系統運行的安全性和穩定性受到不利影響，具體危害表現如下。第一，諧波會導致電網中的有功功率損耗增大，造成電網負荷損失，引起電網能效降低，增加電力系統的運行成本。第二，諧波會引起電壓波形失真，使得電壓不再是純正弦波，而是含有諧波成分，影響電力設備的正常工作，降低設備的可靠性和壽命。第三，諧波會導致電流波形失真，使得電流不再是純正弦波，而是含有諧波成分，導致電流過載，使得電力設備的運行不穩定，甚至引起設備過熱、損壞或觸發保護裝置。

1.3 傳統的諧波測量儀器

諧波分析儀是一種專門用于測量電力系統諧波的儀器，可以通過連接到電力系統的測量點，實時監測電壓和電流的波形，并對諧波進行分析和計算。諧波分析儀通常具有多個測量通道和高精度的諧波分析功能，可以提供諧波幅值、相位、頻率等參數。此外，部分高級的數字電能表具有諧波測量功能，可以測量電壓和電流的諧波含量。此類電能表通常具有內置的諧波分析算法，可以直接顯示諧波幅值和總諧波畸變率等參數。

2 基于虛擬儀器的變電站諧波監測與分析系統的實現

2.1 系統硬件實現

以虛擬儀器為基礎設計變電站諧波監測與分析系統，硬件組成部分包括信號調理機、數據采集卡以及虛擬儀器。

2.1.1 信號調理機

在相關系統中，信號調理機是實現信號采集、處理和調理的重要組成部分。

信號調理機通過連接到電力系統的測量點，采集電壓和電流信號。它可以通過模擬輸入通道或數字輸入通道接收來自傳感器或測量儀器的信號，并將其轉換為數字信號進行后續處理。為去除噪聲和雜散信號，信號調理機會對采集的信號進行濾波處理。常見的濾波方法包括低通濾波、帶通濾波以及陷波濾波等，用于提取感興趣的諧波信號。信號調理機可以對采集的信號進行放大處理，以增強信號的幅度和分辨率。放大器通常用于調整信號的增益和動態范圍，使后續的諧波分析更準確和可靠。

信號調理機會對采集的信號進行采樣，即以一定的采樣頻率將模擬信號轉換為離散的數字信號。采樣頻率需要根據信號的頻率特性和諧波分析的要求來確定，以保證采樣的準確性和有效性。信號調理機會將采集到的信號數據進行存儲，以便后續的諧波分析和數據處理。數據存儲可以采用內部存儲器或外部存儲設備，如硬盤、固態硬盤或云存儲等。

信號調理機可以通過網絡或其他通信方式將采集的信號數據傳輸到上位機或數據中心，以便進行遠程監測、分析和管理。數據傳輸可以采用以太網、無線通信或其他通信協議，具體根據系統的需求來確定[1]。

2.1.2 數據采集卡

基于虛擬儀器的變電站諧波監測系統中，數據采集卡是實現信號采集和轉換的關鍵部分。首先，數據采集卡提供多個模擬輸入通道，用于接收來自電力系統的電壓和電流信號。這些通道可以連接測量點上的傳感器或測量儀器，將模擬信號轉換為數字信號。數據采集卡將模擬信號轉換為數字信號，通常使用模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）進行轉換。ADC將連續的模擬信號按照一定的采樣頻率進行離散化處理，生成對應的數字信號。數據采集卡可以在采集信號之前對信號進行處理。例如，可以進行濾波處理以去除噪聲和雜散信號，或者進行放大處理，以增強信號的幅度和分辨率。其次，數據采集卡可以控制采樣率，即每秒對信號進行多少次采樣。采樣率需要根據信號的頻率特性和諧波分析的需求來確定，以保證采樣的準確性和有效性。最后，數據采集卡可以將采集的數字信號數據存儲在內部存儲器或外部存儲設備中，以確保數據的安全存儲，并為后續的諧波分析和數據處理提供支持[2]。

2.1.3 虛擬儀器

基于虛擬儀器的變電站諧波監測系統中，虛擬儀器是核心部分。虛擬儀器可以通過與數據采集卡或其他數據源的連接，實時采集電壓和電流信號數據。其可以對采集的數據進行處理，如濾波、放大等，以確保數據的準確性和可靠性。虛擬儀器可以將采集的數據以圖形、圖表等形式進行可視化展示。通過直觀的界面，用戶可以清晰觀察到電壓和電流信號的波形、頻譜等信息，便于進行諧波分析和故障診斷。虛擬儀器內置諧波分析算法，可以對采集的電壓和電流信號進行諧波分析，計算各個諧波分量的幅值、相位、總畸變率等參數，并將結果展示給用戶，幫助用戶了解電網諧波情況。虛擬儀器可以根據諧波分析的結果，判斷電網中存在的故障類型[3]。

2.2 基本電氣測量

基于虛擬儀器的變電站諧波監測與分析系統的基本電氣測量主要涉及以下4點。

（1）電壓測量。系統通過連接變壓器或電位器將電壓信號引入測量電路，然后使用電壓傳感器將電壓信號轉換為可測量的電壓值。通過數據采集卡或其他測量設備將模擬電壓信號轉換為數字信號，再進行采樣、濾波等處理，最終將結果顯示在用戶界面上。

（2）電流測量。系統通過連接變壓器或電流互感器將電流信號引入測量電路，然后使用電流傳感器將電流信號轉換為可測量的電流值。通過數據采集卡或其他測量設備將模擬電流信號轉換為數字信號進行采樣、濾波等處理，最終將結果顯示在用戶界面上。

（3）諧波分析。系統通過對電壓和電流信號進行采樣和處理，提取信號中的諧波成分。諧波分析通常采用傅里葉變換或快速傅里葉變換等，將時域信號轉換為頻域信號，從而得到各個諧波分量的幅值、相位等參數。此類參數用于判斷電網的諧波情況，并進行故障診斷和優化措施的制定。

（4）數據處理與顯示。系統通過數據采集卡或其他測量設備將采集的電壓和電流信號轉換為數字信號，并使用數學算法對信號進行濾波、放大、采樣等處理。然后，系統將處理后的數據傳輸到用戶界面，通過圖表、波形圖等形式顯示諧波分析結果。用戶可以根據顯示的結果進行數據分析、故障診斷和優化措施的制定[4]。

2.3 諧波監測分析實現

2.3.1 采樣定理分析

采樣定理是指在進行諧波監測過程中需要對電壓和電流信號設定足夠高的采樣頻率，避免信號失真和諧波分量的混疊。根據奈奎斯特采樣定理，要準確重構一個信號，采樣頻率必須大于信號中最高頻率的2倍。在諧波監測中，通常會考慮基波頻率和諧波頻率的最高頻率，確定采樣頻率。

2.3.2 諧波規律分析

通過諧波分析算法，將時域信號轉換為頻域信號，提取出各個諧波分量的幅值、相位等參數。根據諧波分量的幅值和相位信息，分析諧波在不同頻率上的分布情況，了解諧波的產生機制和傳播規律。通過對諧波分量的幅值進行綜合評估，確定諧波含量的大小，判斷是否滿足相關標準和要求。根據諧波規律的分析結果，判斷是否存在諧波問題，對故障進行診斷，并制定相應的優化措施，如濾波器的設計和安裝、諧波抑制裝置的配置等[5]。

2.3.3 諧波預警

基于虛擬儀器的變電站諧波監測系統可用于監測和預警變電站諧波的嚴重度。系統可以通過諧波分析算法，對變電站中的電壓和電流信號進行諧波分析，提取各個諧波分量的幅值。根據諧波分量的幅值與相關標準或規范進行比較，評估諧波含量的嚴重程度。除了諧波含量，系統還可以對諧波擾動進行評估。諧波擾動是指諧波對正常電網運行造成的影響，如電壓失真、電流不平衡等。通過監測諧波擾動指標，如電壓總諧波畸變率、電流不平衡度、諧波電流總畸變率等，可以判斷諧波擾動的嚴重程度[6]。

3 結 論

以虛擬儀器為基礎設計變電站諧波監測與分析系統，在應用過程中可以通過信號調理機和數據采集卡等硬件設備，全面采集和分析變電站電力系統的諧波問題。同時，可利用系統的軟件部分對變電站進行電氣測量和相位差測量，準確進行諧波的定理采樣和規律分析，實現快速預警，從而合理消除諧波。另外，需要按照諧波監測的需求，制定完善的系統應用方案和體系，提升系統的應用效果和水平，確保能夠深入準確完成諧波監測控制。