電網全頻域暫態信息記錄及分析系統

胡列翔，戚宣威，裘愉濤，沈寶興，陸承宇，陳 川

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.浙江華云清潔能源有限公司，杭州 310008；4.國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

我國電網已發展成為世界上前所未有的特高壓交直流混聯大電網，系統的運行特征與故障特性發生了顯著的改變，電網的安全防護面臨嚴峻考驗[1-5]。電力系統故障錄波是揭示故障特性、分析事故過程、發現安全隱患的重要自動裝置，長期以來在電網中得到了廣泛應用，為保障電力系統的安全穩定運行提供了有力的技術支撐[6-7]。

現有的故障錄波裝置囿于傳感器和信號采樣性能的不足，主要用于分析記錄工頻和低次諧波信息，而較難獲取電網中的寬頻帶暫態信息，制約了電網內故障分析和安全防護水平的提升。我國相關標準對錄波器采樣率的要求為不低于4 kHz，目前國內廠家故障錄波器產品的采樣率一般低于12.8 kHz[8]。

電力系統寬頻帶信息中含有豐富的故障暫態信息。譬如，一般局部放電脈沖分布在50 kHz～1.5 GHz頻段內；雷電波的頻譜范圍高達數百kHz，波頭上升時間為μs級；配電網中發生故障時頻域特征為充電頻率在100～800 Hz，放電頻率在500～2 500 Hz[9-11]。這些信息有助于及時發現電力設備的絕緣破損，在實際短路故障發生之前實現故障預警和主動安全保護[1，12]。但是，現有這些高頻暫態特征都被低通濾波回路過濾掉，或者混疊在基波和低次諧波中而無法獲取與分析。

另一方面，隨著大規模新能源發電的集中式和分布式接入、多回大容量直流饋入饋出、柔性直流以及新型FACTS（靈活交流輸電）設備的廣泛應用，電力電子裝置已高度滲透至電力系統發電、輸電、變電、配電及用電等各個環節，電網電力電子化特征日益凸顯[1]。大量電力電子設備控制保護系統在故障期間具有離散性、非線性的動態響應過程，增加了故障暫態過程的復雜性和多變性，使得短路電流包含大量的暫態諧波分量。現有低采樣率的故障錄波設備難以準確獲取電力電子設備的動態響應過程，制約了復雜電網故障暫態特性分析水平的提升。

以下介紹全頻域暫態信息記錄及分析系統的架構體系以及裝置研發情況。該系統利用基于TMR（隧道磁電阻）效應的寬頻帶傳感器，可滿足10 Hz～5 MHz范圍內故障暫態電流的寬頻帶采樣。錄波器可支撐10 kHz全程錄波和10 MHz的暫態觸發錄波。基于該系統，可實現電網暫態信息大數據的存儲與分析，支撐開展電網大范圍、長過程和發展性故障的研究，揭示設備故障、局部放電和雷電等暫態過程的時頻特征，實現系統不同類型暫態擾動的快速檢測與識別，支撐主動式預保護技術的發展，從而有力提升電網的安全穩定運行水平。

1 新型全頻域互感器技術方案

為實現全頻域電流信息的無損采樣，采用基于TMR效應的電流互感器技術方案。TMR元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，該元件利用磁性多層膜材料的TMR效應對磁場進行感應，比之前所發現并實際應用的Hall（霍爾）、AMR（各向異性磁電阻）和GMR（巨磁電阻）等磁傳感元件具有更大的電阻變化率和磁場敏感性[13]，目前已應用于硬盤磁頭和磁性內存領域。

TMR效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應，其利用的是磁性多層膜材料的TMR效應對磁場進行感應。典型的TMR結構由鐵磁層、非磁絕緣層、鐵磁層構成，如圖1所示。當2個鐵磁層平行時，一個磁性層中的多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，總的隧穿電流較大，磁性隧道結為低阻態；反之，若2個磁性層反平行時，隧穿電流比較小，呈現高阻態。

圖1 TMR元件典型結構

由于2個鐵磁層的矯頑力不同，當飽和磁化時，其磁化方向互相平行；反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉，2個鐵磁層的磁化方向變成反平行。因此，可以通過施加外磁場的方式改變2個鐵磁層的磁化方向為相互平行或反平行，從而使得隧穿電阻發生變化，即產生TMR效應。由于TMR磁性隧道結的2個鐵磁層間基本不存在層間耦合，所以只需要一個很小的外磁場即可實現鐵磁層磁化方向的改變，進而引起TMR的巨大變化，因此TMR元件具有很高的磁敏感度。此外，TMR元件還具有電阻率高、能耗小、性能穩定等優點。

圖2所示為TMR元件的R-H曲線。該曲線分別具有低阻態和高阻態2個區域。在高阻態和低阻態之間的線性區域為高靈敏度區域，此時對應的工作區域位于零場附近。響應曲線并非沿H=0的線對稱，而是存在一定的偏移量H0。H0值與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結構和平整度有關，依賴于材料和制造工藝。圖2中，黑色箭頭代表鐵磁層1的磁矩方向，白色箭頭代表鐵磁層2的磁矩方向，磁電阻響應曲線隨自由層磁矩和被釘扎層磁矩之間角度的變化而變化。當鐵磁層1與鐵磁層2磁矩反平行時，曲線對應高阻態；當2層磁矩平行時，曲線對應低阻態；當2層磁矩相互垂直時，阻值是位于高阻區和低阻區之間的中間值，該區域線性度較佳，是理想的工作區域。

圖2 TMR元件的H-R曲線

TMR電流傳感器通常采用如圖 3所示的惠斯通電橋結構。這種結構中包含有4個TMR元件，通過輸出二次電壓表征一次電流大小。R1，R2和R3，R4的磁敏感方向相反。當磁場變化時，R1和R2電阻變大，而R3和R4電阻變小，通過推挽全橋輸出可以增大傳感器的靈敏度和抗干擾性能。

圖3 TMR元件構成的惠斯通電橋結構

TMR電流傳感器可以采用環形結構，安裝于AIS（敞開式開關設備）屏蔽罩內以感應一次電流產生的磁場，如圖4所示。相比于傳統的電磁式互感器，TMR電流傳感器省去了鐵心元件，重量輕、體積小，便于安裝維護。

圖4 TMR電流傳感器結構及安裝方式

2 全頻域暫態錄波器技術方案

2.1 總體結構

全頻域錄波器采用分散高速暫態采集和集中低速全程采集相結合的模式，其總體架構如圖5所示。該系統由若干個高速采集裝置和一個監測服務器組成，可適應多通道、高速度的數據采集和超大容量數據管理和存儲。

圖5 全頻域錄波器總體架構

暫態檢測錄波裝置分相安裝于就地一次設備附近。暫態錄波裝置以10 MHz的速度就地采集傳感器輸出的單相二次電壓和二次電流信號（皆為電壓量），并對就地采集數據進行暫態擾動分析以實現觸發錄波，而后將采集數據和分析結果打包發送給監測服務器。

監測服務器單獨組屏安裝于室內，配置了操作一體機、時鐘擴展單元、數據集中器、數據交換機、光纖配線架、雙電源切換裝置等設備，其主要功能包括：

（1）監測服務器接收暫態檢測錄波裝置上送的采樣值和相關觸發信息，同時支撐實現10 kHz的全程錄波功能。

（2）服務器通過人機界面設置錄波器參數，并實現錄波數據的顯示、查詢與分析等功能。

（3）通過連接的磁盤整列，長期存儲采樣數據和分析報告。

（4）監測服務器可接收站內時鐘同步信號，并采用光纖B碼對接入的暫態檢測錄波和全程錄波進行時鐘同步。

2.2 暫態錄波裝置

暫態錄波裝置分相就近安裝，檢測每相電壓/電流互感器輸出的二次信號。裝置位于室外絕緣防水箱中，每個裝置有2個檢測模塊，分別對應單相電壓或者電流互感器輸出的二次電壓信號。互感器輸出的二次電壓信號通過屏蔽電纜輸入至檢測模塊。

10 kHz低頻采集A/D芯片（16位）轉換輸出的電壓數據，經過FPGA（現場可編程門陣列）緩沖到內部雙口RAM（隨機存儲器）。CPU（中央處理器）通過判斷寫滿標記，讀取對應區域的雙口RAM數據，并將采集數據通過以太網發送至后臺監控服務器，以支撐實現全程10 kHz錄波功能。

10 MHz高頻采集A/D芯片（16位）轉換輸出的電壓數據，經過FPGA緩沖到內部雙口RAM，再通過內部邏輯讀取雙口RAM數據保存到DDR3的實時波形存儲區域。當有錄波觸發信號時，提取相應實時波形數據、觸發時刻、觸發相、觸發方式等信息并上送至監控服務器。單次觸發高頻暫態錄波記錄時間可長達5 s。

分相安裝的暫態錄波裝置就地檢測系統擾動并觸發高頻暫態錄波。當某一相檢測到擾動時，可通過環形連接的光纖串行總線同步觸發其他兩相高頻采集裝置開始錄波，從而同時獲取系統擾動期間的三相電壓、電流數據。

2.3 后臺應用功能

通過后臺服務器，可以實現錄波器配置以及錄波數據的顯示與分析，如圖6給出了10 kHz和10 MHz錄波數據波形。

后臺主機可以持續記錄暫態錄波裝置上送的10 kHz低頻采集數據，以實現全程錄波功能，磁盤陣列可保存連續3個月的低頻錄波數據。

圖6 10 kHz和10 MHz錄波數據波形

10 MHz高頻暫態錄波的觸發條件包括分相電壓高/低越限、電壓暫態擾動以及分相電流高越限、電流暫態擾動。用戶可以根據實際情況靈活設置觸發定值。其中，電壓、電流暫態擾動判據將當前采樣瞬時值（在10 MHz采樣率下）與數個工頻周期前的歷史采樣數據進行比較以得到突變量，可以在當前單點采樣瞬時值突變的情況下觸發錄波，從而靈敏獲取電網中的暫態擾動。

3 結語

提出了一種全頻域暫態信息記錄及分析系統，該系統利用TMR寬頻帶傳感器，可滿足10 Hz～5 MHz范圍內故障暫態電流的寬頻帶采樣，可支撐10 kHz全程錄波和10 MHz的暫態觸發錄波。基于該系統，可獲取高達MHz級的電網暫態信息，揭示設備故障、局部放電和雷電等暫態過程的時頻特征，支撐主動式預保護技術的發展，從而有力提升電網的安全穩定運行水平。目前該系統已完成裝置研發，未來將開展動模試驗和現場掛網運行等工作，后續將進一步研究該系統的工程應用情況。