110kV變電站過電壓在線監測系統運行及研究

國網河南中牟縣供電公司　周建成

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110kV變電站過電壓在線監測系統運行及研究

國網河南中牟縣供電公司周建成

【摘要】電壓在線監測系統能夠有效地對電網中的諧波實施在線監測，對于提高電能質量和保護設備安全具有十分重要的作用和意義。本文首先簡要介紹了諧波的基本內容，然后重點論述了當前一些常用的諧波分析與監測方法，最后從實際情況出發探討了110kV變電站過電壓諧波在線監測系統的構建問題。

【關鍵詞】諧波；變電站；監測系統

1　引言

在變電站的日常運行過程中，電網諧波是對電網安全影響最大的一個方面，在很大程度上被認為是電網的公害。從諧波的產生過程來看，其主要是指實際電壓或者電流與理想的標準正弦波之間存在一定的偏差，并由此造成了電壓或者電流在波形上的畸變。由于在實際運行過程中，電網中的電壓很難保持一個理想的標準正弦波形，因此電網諧波是不可避免地存在的。電網中的電壓可以用三角級數來表示，如式（1）所示：

其中，h表示諧波的次數，h=1、2、3、……，并且將h=1時的諧波稱之為基波；U0表示直流電壓的有效值，Uh表示h次諧波的電壓有效值；ω1表示基波的角頻率，且有；αh表示h次諧波分量的初相角。

從數學表示式來看，諧波是指對周期性交流量進行傅里葉級數分解而得到的基波頻率大于1的分量，并且諧波的次數可以看作是諧波頻率與基波頻率之比。

隨著電網運行中的非線性負載數量不斷增多，諧波畸變已經成為了一個不可忽視的重要危害因素，不但能夠對各類繼電保護和測量儀器造成重要影響，還會對通信系統產生干擾。在實際應用過程中，一般用諧波含量、總畸變率和諧波含有率等參數來描述和表示諧波的偏離程度或影響大小，其數學表示分別如式（2）、式（3）和式（4）所示：

電壓諧波含有量為：

電壓總諧波畸變率為：

第h次諧波電壓含有率為：

2　常用的諧波分析與監測方法

2.1諧波分析算法

諧波分析是指對電網中所產生周期性波形的基波與高次諧波所對應的幅度值與相角值進行計算，從而得到每一個不同次數諧波所對應的傅里葉級數，并由此建立起電壓波形在時間域和頻率域之間的關系。傅里葉變換可以將正弦波表示的電壓波形從時間域映射到頻率域，而傅里葉反變換則是將電壓波形從頻率域映射到時間域，這就為諧波分析提供了一種十分有效的工具。在實際應用過程中，通常是先對電網中周期性的電壓信號進行采樣，而后通過離散傅里葉變換來實現上述過程。另外，隨著小波理論的不斷成熟和應用，小波變換也逐步被拓展到諧波分析過程中，為研究過程提供了更加精細的時間和頻率尺度分析方法，可以很好地兼顧全局和局部變化特征。下面簡要介紹常用的三種諧波分析方法：傅里葉變換法、短時傅里葉變換法和小波變換法。

對于傅里葉變換來說，其實質就是對信號進行分解，表示成一組相互正交的三角函數之和，并且這些三角函數具有不同的權重值。以一個連續信號x(t)為例，其傅里葉變換可以表示為：

由于傅里葉變換所用的三角函數是一組完備的正交函數集，所以這種表示方法能夠對將信號從時間域精確地映射到頻率域，并且可以直接得到不同次數諧波的幅度值和相角值，從而對信號的頻率特性進行完整的刻畫和表示。但是傅里葉變換在實際應用過程中也存在一定的局限性，它無法根據需要反映出信號在某個局部時間范圍或者局部頻率范圍內的特征信息，也就是說對諧波的局部畸變信息缺乏相應的度量能力。

為了解決傳統傅里葉變化在實際應用過程中存在的問題，Dennis Gabor在傳統傅里葉變換的基礎之上提出了短時傅里葉變化，也可以稱為Gabor變換。短時傅里葉變化是一種針對信號局部特征的時頻分析方法，其基本思想是首先對信號進行分割，變成許多很小的時間段，然后再對這些小時間段內的信號進行傅里葉變換，從而得到不同時間段內的頻率特征。短時傅里葉變換的數學表達式如下所示：

其中，g(t-τ)表示積分核，也被稱之為窗函數，通過其與信號的乘積來實現τ附近的開窗和平移功能。信號的頻率域表示Gf(ω,τ)是指信號在實踐域中以為τ為中心，寬度為△τ的時間間隔內的頻譜特征信息?！鳓邮嵌虝r傅里葉變換中時間窗口的大小，可以看作是信號在時間域上的分辨率，其所對應的△ω則是指頻率窗口，相應地反應出了信號的頻率分辨率。為了在實踐域和頻率域都盡可能精細地分析信號的特征，一般總是希望△τ和△ω都盡可能小。但是時間域上的△τ和頻率域上的△ω具有不可調和的矛盾，其中一個減小時，另一個必然會增大。也就是說，很難找到一個窗口函數，能夠同時滿足信號在時間域和頻率域上的表示要求。

小波變換被稱為“數學顯微鏡”，是一種多尺度分析，也是近年來逐步興起的一種電網信號諧波分析方法。它既能夠有效地表示出信號的變化全貌，又能夠充分地展示出信號的局部特征，可以很好地適應電能研究中對非平穩時間序列進行時域和頻域分析。但是小波變換目前能夠采用的變換集比較有限，并且小波函數的選取對于分析結果的影響很大；另外，小波變換對于信號噪聲十分敏感，在實際應用過程中常常與相應的去噪算法結合起來。

2.2諧波檢測方法

諧波檢測就是對電力系統中不同點的電壓和電流信號進行采樣和處理，并使用相應的儀器進行測量，從而對電網運行過程中的電能質量實施監測。

在測量過程中，考慮到暫態現象的影響和諧波本身的波動性，每次測量結果一般是取3s內的平均測量值。目前采用較多的離散采用方法如下所示：

其中，Uhk表示3秒內第k次測得h次諧波電壓含有率；m表示3秒內均勻間隔的測量次數，且有m>6。

在實際監測過程中，一般是將諧波分為準穩態諧波、波動諧波和快速變化諧波三種，并根據不同類型諧波的具體特征和要求來設計具體的測量儀器。比如，在測量準穩態諧波時，寬度為 0.1～0.5 s 的矩形觀察窗之間可以存在間隙；而在對波動諧波進行測量時，矩形窗的寬度必須減至 0.32s 或者用寬度為 0.4～0.5s 的漢寧窗；在測量快速變化諧波時，諧波需要用寬度為 0.08～0.16s的矩形窗，并且要求窗與窗之間沒有任何間隙。

3　在線監測系統的構建

110kV變電站過電壓諧波在線監測系統可以自動生成電能質量綜合報告和電能質量超標統計報告，包括日報、周報、月報、季報、年報等。報告的內容應包括最大值、最小值、平均值、95%概率值、限制值（國標值）以及超標比率等。整個系統由輸入信號調整與采集子系統、數字處理與存儲子系統和用戶接口子系統等三個部分組成。模擬信號首先輸入到信號調整與采集子系統中，經過數字采樣之后，再輸入到數字處理與存儲子系統，最后將處理之后的數據輸送到用戶接口子系統。另外，為保證能監測到電網失電瞬間可能出現的過電壓信號，該系統配備了備用電源和隔離變壓器。

在輸入信號調整和采集子系統環節，其主要功能是把模擬信號轉換成數字格式的信號，通過數字化簡化了模擬電路的設計，同時也為數據采樣處理算法的改變提供了更大的靈活性。通過采樣將模擬信號變成滿足一定處理要求的數字信號，以便對其進行傅里葉變換和短時傅里葉變換等一系列處理，轉換成信號的頻域表示形式。在進行輸入信號調整和采集子系統的設計與構建時，一般需要考慮一下幾個方面的因素：首先是采樣速率在諧波分析中要達到 kHz 的范圍，其次是抗混疊濾波器要由被測信號的帶寬決定，再次是要滿足在非常嘈雜的電力系統電磁環境中具有抗電磁干擾的特性。

在數字處理和存儲子系統環節，其主要功能是將數字采樣值傳送到這個子系統中進行信號處理和記錄。這個子系統可以只是一個數據記錄裝置或者是一個功能強大的并行處理計算機系統。數字處理和存儲子系統是整個在線監測系統的關鍵部分，其真正實現了信號在時間域向頻率域的映射，并由此得到信號不同次數諧波的幅度值和相角值，從而對整個電網運行過程中電能狀態進行評價和反應。該環節實時計算量包括：電壓、電流的總諧波畸變率、按照國標A 級要求的2～50 次諧波含有率、幅值、相位；各次諧波的有功、無功功率等?；居涗浿芷跒?s，取3s的瞬時值進行有效值計算，其時間標簽為該3秒鐘結束的時刻。記錄保存的時間間隔，可設置為3秒鐘的整數倍，記錄取最大值。

在用戶接口子系統方面，這個單元的用途是使用戶能夠通過視屏顯示或者通過硬拷貝形式讀取測量數據，并為用戶提供控制和配置監測系統的能力。這個子系統的基本要求是把監控系統復雜的細節對用戶隱藏起來，僅以一個圖形化的用戶界面代表監測系統。

4　結論

諧波監測是電網穩定運行的重要保障，對于提高變電站的電能輸出水平和質量具有十分重要的意義。在實際應用過程中，要積極探索和研究電網運行的基本現狀和設備組成，充分考慮各種非線性電器元件和設備的原理與機制，按照國家相關規定的標準要求，設計和構建出一套行之有效的在線監測系統，以便能夠更好地監測電網的運行狀態，充分保障各類電力設備的安全，并提供更加優質的電能。

參考文獻

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