中性点不接地电能质量测量仪的设计

张林海 黄 乐

（广东电网公司梅州供电局，广东 梅州 514021）

中性点不接地电能质量测量仪的设计

张林海 黄 乐

（广东电网公司梅州供电局，广东 梅州 514021）

本文针对电能质量检测工作开展30多年来长期存在的检测设备与系统工作方式不适应的问题进行了研究，详细分析了在 10kV母线上进行电能质量检测时出现不合理的原因，提出了10kV非接地系统中性点重构技术，同时设计出中性点不接地电能质量测量仪。

电能质量检测；三角形接线；中性点

在运用现行的电能质量测试设备对中性点不接地系统的测量时，发现在 10kV系统上存在很高的谐波检测量，而所相配的0.4kV系统上却谐波量极低，110kV系统上谐波量也很低，说明仪器对系统运行方式的适应性不好。由于电压的准确测量是电能质量测量的基础，所以需重新了解仪器与运行系统之间的关系。为此开展了中性点不接地系统电能质量检测关键技术研究。

1 10kV非接地系统中性点重构技术分析

中性点不接地是一种电力系统特殊的运行方式，只存在于10kV和35kV系统及电厂内厂用电6kV高压用电设施上，其目的是减少因绝缘薄弱而出现的频繁跳闸事故。当对该系统进行电能质量测试时，经常会出现比较大的谐波值，而在对应的高压或低压系统上并没有发现可以与其相比的谐波量。

超高压系统是一个中性点直接接地运行系统，变换到△结线方式的 10kV系统中，其隐含了一个真正的地，即= 0电位点，如图1中′点所示。

图1 系统矢量解析图

图 1中左边的矢量图是超高压绕组的电压描述，中间的图形是低压绕组对应的接线结构，右侧图是低压绕组对应高压绕组的电压矢量方向图。在变压器内，因绕组绕在同一磁路上，低压 a-x矢量对应高压A-O矢量，b-y对应高压B-O矢量；c-z对应高压C-O矢量。换句话说，中性点不接地系统三角形3个顶点的电压是由主变的高压侧相电压决定的，至于′点的位置，对用户来说并不重要。

在三角形结线运行系统中，由 PT的电抗和线路的分布电容Ca、Cb、Cc共同构造了一个非真实的地。这个地除与系统电压有关外，还与系统的参数有关，特别是系统参数等值电路中还会出现与电压有关的非线性参数元件和有可能改变量值的线路长度分布电容元件。由 PT二次测直接测量的电压a-o，不代表系统真实的电压 Va-O′。在′′与真实地之间存在一个干扰源T。正是这个干扰源T使测量出现了误差，如图2所示。

图2 三角形接线系统相电压测量电路图

因为被测对象存在强烈的谐振干扰，严格来说电能质量测试不应选在中性点不接地系统上进行；但为了追查系统谐波干扰来源，又必须选在向用户配送电能的中性点不接地系统上，所以必须解决系统运行与测量要求之间的矛盾。

解决以上矛盾的方式就是重构中性点，即在仪器内“建地”。在PT二次侧，实际上，′′点已物理连接，3个顶点的电压就是10kV侧的线电压的表现，可以通过3个阻值相同的电阻构成一个新的地，在测量仪器内，称为内建地，如图3所示。

图3 用电阻R重构点示意图

为得到的相同外特性和相同的相位移动，选择纯电阻R构成测量阻抗，且根据测量精度的要求，选择阻值精度相同的电阻器。不能使用带有储能性质的元件，否则会引起高频相移和新的谐振出现。电阻网络Y结线的中点就是重构的中性点′，且满足三相系统中测量用电流的条件。

图3中所描述的中性点只能出现在测量仪器的信号输入端内，构建仪器的内部信号内建地，没有改变原系统的运行结构。

仪器的输入端设计首先满足系统测量的现状，直接测量 PT二次侧的线电压，在仪器中可以选取△/Y接线，如图 4所示。其中电流电压变换器为三组。

图4 内建地 与测量调整

由于运放的虚地技术，ia要流过r建立一个Va。r/R构成一个新的等值反相电阻分压器，该分压器的地电位点联在内建地点上，如图5所示的矢量描述。

图5 测量电路矢量图

通过 CT的同铭端的改变，可以使得运放输出与Ua同相位。这种电阻分压器有良好的频率响应特性，符合GB/T 14549—1993附录D7条有关高压测量分压器的要求。

图4电路中设计一个开关K，在中性点不接地系统中打开，当设备用于中性点直接接地系统时闭合，以增加测量仪器的适应性。

2 中性点不接地电能质量测量仪组成

测量仪主要由主机、上位机、参数采集器等部件组成，如图6所示。组成测量是测量仪中的主控电脑（操作系统为 Windows7），其上运行有专门为本项目研制的主机软件，测量操作员即是使用该软件完成测量及测量结果数据调阅操作。电压、电流谱参数测量上位机是一台工控机，其上运行有专门为本项目研制的上位机软件。

图6 测量仪组成结构图

闪变、暂态电能质量参数测量上位机是一台工控机（操作系统为 Windows7），其上运行有专门为本项目研制的上位机软件。

3 中性点不接地电能质量测量仪测量接口功能实现

电能质量测试仪系统测量部分（其原理图如图7所示）主要有三相系统中的电压值、电压不平衡度、电压闪变、频率和谐波及谐波功率。测量部分有3个电压通道和6个电流通道，其中3个电流通道使用钳形电流夹头，电流为0～5A。

图7 电能质量测试仪系统测量接口部分原理图

电压输入的改进为电阻重新构造一个机内独立地，用于消除外界电压互感器系统的参数变化误差。电阻下端接一个1∶1的电流互感器，与运放共同构成电压测量输入调理电路。

测量系统内将设定一个继电器，将本机自行构设的内部独立地与外界系统地分离，只有在中性点接地系统才将内、外地联接。电压输入电路为标准电阻与零磁通电流互感器构成，3相连在一起的点作为内部独立地。电流输入采用2×3相设计，使用定制的钳形表的输入取样，用电流电压转换电路转换成电压信号测量。

底层电路控制使用DOS系统，C语言编程，用I/O地址读写的方式进行。

4 中性点不接地电能质量测量仪关键硬件设计技术

本项目采用PC104总线为结构主板，将使用总线上的D0—D7、地址为0x0110起始的8个地址、I/O申请线、读写控制线、5V电源和+12V电源。

1）频率测量部分

频率测量使用 2个字节的 16位计数器，用CPLD器件构成频率测试电路。基准信号源为1MHz有源晶振，保证0.0001的准确度和精度。

使用1片1M的有源晶振，用2片74ls393构成16位异步计数器，最大值可以到63ms。25Hz信号送到第1级单稳（时间350ns），单稳输出的高电平，将393计数器的值送到74ls373的d锁存器中，下降沿保持数据并触发第二级单稳，产生一个复位计数器的高电平复位信号（0.35μs），对计数器清零。计数器中的数据为输入频率/2对应时间内的计数值。20ms时，（2周波）计数值为 40000。频率值frequence=2/（计数值+1）。加1为可能的清零丢失1个计数值。

2）锁相环设计

因为有每周波256点的测量基本要求，所以采用锁相环技术后测量的运算不产生附加误差。正常条件下，20ms内测 256点，每点之间的间隔为78.125μs。在没有采用锁相环下，则会在数个波后会出现时间上的累积误差。在设计锁相环时，若采用硬件设计锁相环，则会在一个周波内产生不等间隔时差问题。同时，缩小频率变化范围会出现频率牵入范围过窄、易失步和失锁，从而产生的误差会更大。

图8 频率测量电路设计原理图

图9 锁相环电路设计图

因此，本项目采用了CD4046+分频器的设计方案。在CD4046的压控振荡器上加一个数字电位器，通过软件控制，加大同步范围，减小压控振荡器的变化范围，使鉴相器输出对压控振荡器的不均匀度影响减小。

3）数据采集量

数据为每周波256点，6个通道，数据为2304个；每个数据为2字节，则每个周波为4.6k Bytes，测量 10个周波，需 46B字节内存，如果计算时间容许，可采用间隔256点等间隔叠加的方法，只需要4.6kB内存。

在20ms内要传递384000b，高于串行口的最高使用频率，所以只能使用总线采集方式传递。如果是使用单片机，则必须考虑总线传递或者是USB传递方式。

由于本仪器要测量闪变，一组3个电压测量数据必须达到60s，所以数据量非常大，每次测量时间内（120s）要达到 9M 字节。要求在主机内存中开出相应的数据临时存放区；每一个通道为 192.003k个整型数。（（120s×50Hz+1）×32）；测量采样过程中只能使用单一线程，不容许其他系统设备占用测量流程中特殊段的中断流程。

4）软件设计

软件运行在一台PC上，操作系统为Windows7，按规定流程控制电压、电流谱参数测量上位机、闪变、暂态电能质量参数测量上位机完成测量工作，并将测量结果保存到本机磁盘文件中。

5）其他要求

由于电压测量要求在0.1%，所以要求取样电阻为1.000MΩ，100V时电流为100μA，经变换后要求为1V，则内部变换电阻为10kΩ（软件辅助测试调整）。由于已经使用零磁通互感器的隔离，所以内部运放用小二极管保护即可。

电流输入实际上是6个通道，要求由内部继电器软件控制切换。其中标准通道在内部有零磁通互感器的隔离，用二极管保护即可，外钳形探头输入端的保护要考虑静电破坏的可能。

调理电路使用隔离电源模块，5V或 12V变±12V即可，功率为1～3W，负载为10个运放，电流达到100mA。

上板的电源全部都要进行滤波，使用 100μH（0.5A）电感和200μF的电容进行退耦滤波。

根据国标中对用于电能质量检测的模数精度要求，ad芯片采用12位10μs 6输入通道的小于10μs速度测量芯片，最好采用总线控制方式。

调理用模拟电路每个通道必须使用相同型号及相同数量的运放，如需要略微滤波，就必须使用相同的时间参数；必须保证通道的带宽大于 5kHz。2kHz内的相移不能超过 2°，通道内的相对相差小于1°。用同一信号进行测量后进行检验。

图10 软件总流程活动图

图11 主窗体

5 现场测试对比及结论

为本项目研究测试系统现场可靠性，研究完成了大量现场测试结果对比分析。本文以110kV红光站10kV 1M母线与110kV 1M母线测试为例，对比测试设备为MAVOWATT30型电能质量分析仪，出厂编号：MW30IA049，校验日期：2016-6-28，校验单位：广州计量检测技术研究院。

图12 数据浏览

1）三相基波电压RMS值

两台仪器测得的测试点的基波电压 RMS值95%概率值统计表见表1。

2）电压谐波

中性点接地方式下测试点电压谐波。

两台仪器测得的电压谐波含有率及电压总谐波畸变率95%概率统计值分别见表2、表3。

10kV母线中性点不接地方式下电压谐波：本项目仪器重点在于能够适应中性点不接地系统中的电压谐波测试，其测试结果见表4。

表1 电压RMS值

3）三相电压不平衡

测试时段内，110PT及51PT处两台仪器分别测得的电压不平衡95%概率统计值见表5。

表2 10kV母线电压谐波含有率及总谐波畸变率95%概率值/%

表3 110kV母线电压谐波含有率及总谐波畸变率95%概率值/%

（续）

表4 中性点不接地方式下电压谐波含有率及总谐波畸变率95%概率值/%

表5 总相电压不平衡统计

4）分析及结论

（1）由表2可以看出，10kVPT二次对地电压中含有7.4%左右的3次谐波，其主要是PT电抗与线路对地分布电容谐振造成的，对比 MAVOWATT30仪器，其测量数据是一致的。本站负载很小，用户影响很小，电压谐波来自110kV系统的传递和该站的参数谐振。

在110kV系统侧，两台仪器所测数据基本一致，项目成果能够用于中性点直接接地系统。

（2）对比表3与表4，在10kV中性点不接地系统上，本项目研发成果能够排除掉系统参数谐振对测量值的干扰，测量值与110kV的谐波值基本一致，可以真实反应上一级电压等级系统向本系统的传递情况。

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Design of Neutral Point Ungrounded Power Quality Measuring Instrument

Zhang Linhai Huang Le
(Meizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Meizhou, Guangdong 514021)

In this paper, the power quality testing out for more then 30 years, standing testing equipment and system work methods are unsuitable for the study. And it analyzed the problem of the power quality measurementin 10kV system. The neutral point reconstruction technology of 10kV ungrounded system is proposed, on the basis of it we design a neutral point is not grounded power quality measuring instrument.

power quality measurement；triangular connection；neutral point

张林海（1986-），男，硕士，工程师，电气试验技师，从事高压试验工作11年，研究方向为高压与绝缘技术。