110kV变电站过电压在线监测系统运行及研究

国网河南中牟县供电公司　周建成



110kV变电站过电压在线监测系统运行及研究

国网河南中牟县供电公司周建成

【摘要】电压在线监测系统能够有效地对电网中的谐波实施在线监测，对于提高电能质量和保护设备安全具有十分重要的作用和意义。本文首先简要介绍了谐波的基本内容，然后重点论述了当前一些常用的谐波分析与监测方法，最后从实际情况出发探讨了110kV变电站过电压谐波在线监测系统的构建问题。

【关键词】谐波；变电站；监测系统

1　引言

在变电站的日常运行过程中，电网谐波是对电网安全影响最大的一个方面，在很大程度上被认为是电网的公害。从谐波的产生过程来看，其主要是指实际电压或者电流与理想的标准正弦波之间存在一定的偏差，并由此造成了电压或者电流在波形上的畸变。由于在实际运行过程中，电网中的电压很难保持一个理想的标准正弦波形，因此电网谐波是不可避免地存在的。电网中的电压可以用三角级数来表示，如式（1）所示：

其中，h表示谐波的次数，h=1、2、3、……，并且将h=1时的谐波称之为基波；U0表示直流电压的有效值，Uh表示h次谐波的电压有效值；ω1表示基波的角频率，且有；αh表示h次谐波分量的初相角。

从数学表示式来看，谐波是指对周期性交流量进行傅里叶级数分解而得到的基波频率大于1的分量，并且谐波的次数可以看作是谐波频率与基波频率之比。

随着电网运行中的非线性负载数量不断增多，谐波畸变已经成为了一个不可忽视的重要危害因素，不但能够对各类继电保护和测量仪器造成重要影响，还会对通信系统产生干扰。在实际应用过程中，一般用谐波含量、总畸变率和谐波含有率等参数来描述和表示谐波的偏离程度或影响大小，其数学表示分别如式（2）、式（3）和式（4）所示：

电压谐波含有量为：

电压总谐波畸变率为：

第h次谐波电压含有率为：

2　常用的谐波分析与监测方法

2.1谐波分析算法

谐波分析是指对电网中所产生周期性波形的基波与高次谐波所对应的幅度值与相角值进行计算，从而得到每一个不同次数谐波所对应的傅里叶级数，并由此建立起电压波形在时间域和频率域之间的关系。傅里叶变换可以将正弦波表示的电压波形从时间域映射到频率域，而傅里叶反变换则是将电压波形从频率域映射到时间域，这就为谐波分析提供了一种十分有效的工具。在实际应用过程中，通常是先对电网中周期性的电压信号进行采样，而后通过离散傅里叶变换来实现上述过程。另外，随着小波理论的不断成熟和应用，小波变换也逐步被拓展到谐波分析过程中，为研究过程提供了更加精细的时间和频率尺度分析方法，可以很好地兼顾全局和局部变化特征。下面简要介绍常用的三种谐波分析方法：傅里叶变换法、短时傅里叶变换法和小波变换法。

对于傅里叶变换来说，其实质就是对信号进行分解，表示成一组相互正交的三角函数之和，并且这些三角函数具有不同的权重值。以一个连续信号x(t)为例，其傅里叶变换可以表示为：

由于傅里叶变换所用的三角函数是一组完备的正交函数集，所以这种表示方法能够对将信号从时间域精确地映射到频率域，并且可以直接得到不同次数谐波的幅度值和相角值，从而对信号的频率特性进行完整的刻画和表示。但是傅里叶变换在实际应用过程中也存在一定的局限性，它无法根据需要反映出信号在某个局部时间范围或者局部频率范围内的特征信息，也就是说对谐波的局部畸变信息缺乏相应的度量能力。

为了解决传统傅里叶变化在实际应用过程中存在的问题，Dennis Gabor在传统傅里叶变换的基础之上提出了短时傅里叶变化，也可以称为Gabor变换。短时傅里叶变化是一种针对信号局部特征的时频分析方法，其基本思想是首先对信号进行分割，变成许多很小的时间段，然后再对这些小时间段内的信号进行傅里叶变换，从而得到不同时间段内的频率特征。短时傅里叶变换的数学表达式如下所示：

其中，g(t-τ)表示积分核，也被称之为窗函数，通过其与信号的乘积来实现τ附近的开窗和平移功能。信号的频率域表示Gf(ω,τ)是指信号在实践域中以为τ为中心，宽度为△τ的时间间隔内的频谱特征信息。△τ是短时傅里叶变换中时间窗口的大小，可以看作是信号在时间域上的分辨率，其所对应的△ω则是指频率窗口，相应地反应出了信号的频率分辨率。为了在实践域和频率域都尽可能精细地分析信号的特征，一般总是希望△τ和△ω都尽可能小。但是时间域上的△τ和频率域上的△ω具有不可调和的矛盾，其中一个减小时，另一个必然会增大。也就是说，很难找到一个窗口函数，能够同时满足信号在时间域和频率域上的表示要求。

小波变换被称为“数学显微镜”，是一种多尺度分析，也是近年来逐步兴起的一种电网信号谐波分析方法。它既能够有效地表示出信号的变化全貌，又能够充分地展示出信号的局部特征，可以很好地适应电能研究中对非平稳时间序列进行时域和频域分析。但是小波变换目前能够采用的变换集比较有限，并且小波函数的选取对于分析结果的影响很大；另外，小波变换对于信号噪声十分敏感，在实际应用过程中常常与相应的去噪算法结合起来。

2.2谐波检测方法

谐波检测就是对电力系统中不同点的电压和电流信号进行采样和处理，并使用相应的仪器进行测量，从而对电网运行过程中的电能质量实施监测。

在测量过程中，考虑到暂态现象的影响和谐波本身的波动性，每次测量结果一般是取3s内的平均测量值。目前采用较多的离散采用方法如下所示：

其中，Uhk表示3秒内第k次测得h次谐波电压含有率；m表示3秒内均匀间隔的测量次数，且有m>6。

在实际监测过程中，一般是将谐波分为准稳态谐波、波动谐波和快速变化谐波三种，并根据不同类型谐波的具体特征和要求来设计具体的测量仪器。比如，在测量准稳态谐波时，宽度为 0.1～0.5 s 的矩形观察窗之间可以存在间隙；而在对波动谐波进行测量时，矩形窗的宽度必须减至 0.32s 或者用宽度为 0.4～0.5s 的汉宁窗；在测量快速变化谐波时，谐波需要用宽度为 0.08～0.16s的矩形窗，并且要求窗与窗之间没有任何间隙。

3　在线监测系统的构建

110kV变电站过电压谐波在线监测系统可以自动生成电能质量综合报告和电能质量超标统计报告，包括日报、周报、月报、季报、年报等。报告的内容应包括最大值、最小值、平均值、95%概率值、限制值（国标值）以及超标比率等。整个系统由输入信号调整与采集子系统、数字处理与存储子系统和用户接口子系统等三个部分组成。模拟信号首先输入到信号调整与采集子系统中，经过数字采样之后，再输入到数字处理与存储子系统，最后将处理之后的数据输送到用户接口子系统。另外，为保证能监测到电网失电瞬间可能出现的过电压信号，该系统配备了备用电源和隔离变压器。

在输入信号调整和采集子系统环节，其主要功能是把模拟信号转换成数字格式的信号，通过数字化简化了模拟电路的设计，同时也为数据采样处理算法的改变提供了更大的灵活性。通过采样将模拟信号变成满足一定处理要求的数字信号，以便对其进行傅里叶变换和短时傅里叶变换等一系列处理，转换成信号的频域表示形式。在进行输入信号调整和采集子系统的设计与构建时，一般需要考虑一下几个方面的因素：首先是采样速率在谐波分析中要达到 kHz 的范围，其次是抗混叠滤波器要由被测信号的带宽决定，再次是要满足在非常嘈杂的电力系统电磁环境中具有抗电磁干扰的特性。

在数字处理和存储子系统环节，其主要功能是将数字采样值传送到这个子系统中进行信号处理和记录。这个子系统可以只是一个数据记录装置或者是一个功能强大的并行处理计算机系统。数字处理和存储子系统是整个在线监测系统的关键部分，其真正实现了信号在时间域向频率域的映射，并由此得到信号不同次数谐波的幅度值和相角值，从而对整个电网运行过程中电能状态进行评价和反应。该环节实时计算量包括：电压、电流的总谐波畸变率、按照国标A 级要求的2～50 次谐波含有率、幅值、相位；各次谐波的有功、无功功率等。基本记录周期为3s，取3s的瞬时值进行有效值计算，其时间标签为该3秒钟结束的时刻。记录保存的时间间隔，可设置为3秒钟的整数倍，记录取最大值。

在用户接口子系统方面，这个单元的用途是使用户能够通过视屏显示或者通过硬拷贝形式读取测量数据，并为用户提供控制和配置监测系统的能力。这个子系统的基本要求是把监控系统复杂的细节对用户隐藏起来，仅以一个图形化的用户界面代表监测系统。

4　结论

谐波监测是电网稳定运行的重要保障，对于提高变电站的电能输出水平和质量具有十分重要的意义。在实际应用过程中，要积极探索和研究电网运行的基本现状和设备组成，充分考虑各种非线性电器元件和设备的原理与机制，按照国家相关规定的标准要求，设计和构建出一套行之有效的在线监测系统，以便能够更好地监测电网的运行状态，充分保障各类电力设备的安全，并提供更加优质的电能。

参考文献

[1]周志海.浅谈过电压现象[J].成功(教育).2008(05).

[2]李孟超.王允平.李献伟.王峰.蔡卫锋.智能变电站及技术特点分析[J].电力系统保护与控制2010(18).