关于大数据的电网过电压监测技术研究

刘洋

（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力经济技术研究院分公司，内蒙古呼和浩特 010020）

0.引言

我国科技进步带动了用电需求的增加，对电网稳定性和安全性提出了更高的要求，如今分布式电源并网、新能源电源建设逐渐增多，对于电网运营和治理提高了难度。为了保障电力系统供电安全稳定，需要高度关注过电压问题，加强对过电压的预防和治理，从根本上消除不良故障，保证供电稳定安全，同时能够提高电网运营治理水平。

1.电网过电压监测技术分析

在电力系统运行期间，经常受到过电压影响造成设备损坏，甚至引发火灾事故，严重影响电力系统运行稳定性，给电力系统造成巨大经济损失。在电力系统运行期间采取电压防范措施，但仍然无法有效防范过电压问题，因此电力系统聚焦在线监测技术，充分利用电力数据分析，准确识别过电压风险，并配合绝缘电阻，预防过电压问题的发生，具有突出优势。在过电压监测中如何准确捕捉过电压信号十分关键。目前主要有以下几种监测技术：（1）并联电容分压器，借助于并联电容分压器捕捉母线过电压信号，该方式测量精度高，传感器响应速度快，但是分压器要长时间并联运行，且在35kV下电压系统中更为适用。（2）使用电磁电压互感器捕捉过电压信号，但铁芯易饱和，在高频电压下出现饱和失真，很难对高频过电压准确测量[1]。（3）使用光纤电压传感器，由于传感器具有较高精度、重量轻、宽频带，且将高压和低压隔离，传感器难以长期运行，增加了运行难度，很难大范围使用。（4）此外还有部分学者提出末屏电压传感器以及测量容性设备漏电等方法对过电压进行测量，这两种方法均存在一定弊端，受到局限条件多，很难推广应用。本研究基于耦合电容传感器进行在线监测系统的设计，耦合电容传感器由输电导线和传感器构成，低压臂和处理电路位于被测量高压端，和低压端构成电气隔离，分析传感器原理，设计合理参数，并通过大数据分析进行过电压监测。联合大数据分析技术，实现对过电压的实时监控，最大程度保障过电压的预防和及时识别，保护电力系统的稳定、运行，具有突出优势。

2.电网过电压数据监测系统的设计

2.1 结构设计

数据监测系统包括4个层次，分别为数据库服务层、网络服务层、客户层以及监测设备4个层次。客户层提供人机交互服务，使用Silverlight技术开发客户端，给用户提供图形数据。网络服务层给网络数据提供接口服务，积极响应用户请求，根据指令调取信息，向用户提供信息。数据服务层采集解析监测信息，对检索请求及时反馈。监控设备负责采集系统数据，并进行预处理，将电流信号以及电压信号传送给数字接口。

2.1.1 数据采集

电力系统电压信号频率约为数10MHz，对于采集数据的频率要求高，为了能够采集原始信号，采集数据频率要超过信号带宽，通过知识确定取样频率，尽量保证信号精度[2]。使用INSULAD2053数据采集卡，具有3路转换板，每个通道拥有40MHz转换速度，可以被多种模式触发，能够优化处理电压数据。设计大规模阵列满足在线编程的要求，从而提高采集信号的灵活性。数据采集接收-5V～5V信号，输入信号带宽范围为0MHz～10MHz，分辨率高。经过A/D转换选择50Ω跳线，模拟信号经过差分方法转换，启动采集功能，可以封锁数据并保存。PLC转换器提供随机存储器，可以循环存储。

2.1.2 电网消纳

设计多层消纳方式，能够满足接入更大范围的电网。根据电网消纳范围，电源消纳可以分为点、线、面3种模式：（1）点消纳。是由电网节点进行吸收消纳电源，没有潮流方向。根据馈线角度，各个节点可以吸收功率，从变电站角度，馈线潮流从电网流向负荷。（2）线消纳。在中压电网馈线内吸收消纳电源，馈线潮流从电网流向负荷。（3）面消纳。在中压电网范围内消纳电源，节点潮流反向电流运输，在馈线范围之外，电网无法对本地接入发电能量完全消纳，造成馈线潮流向反向流向。

2.2 软件设计

软件设计主要包括在线监测和离线分析两部分，以Windows10系统开发软件：开机初始化时判断是否存在过电压问题，若电压高于触发电路极限值，触发电路启动数据采集，采集数据后将其存储至RAM缓存。在RAM存满后判断是否出现新过电压，若没有新过电压，则需要将RAM缓存数据通过文件形式保存。在缓冲器前数据写满后，将前半部分数据复制于缓冲器内，实时处理数据，保证高效处理数据流。对采集数据的离线分析能够显示数据变化波形，并对数据进行测量，从而诊断电网故障[3]。保证电网的稳定运行，不会出现断开电网的问题，需要对过电压侵入进行抑制，并保护电路单元。使用压敏电阻可以满足这一要求，压敏电阻对于伏安特性具有较高敏感度，当电压达到临界位置，内阻急剧降低，过电压释放电流被吸收，从而对电路元件进行有效保护，不会因为过电压问题，造成电路破坏。导通电阻使用压敏电阻，公式为：

其中，V表示过电压，VAC表示交流电压，VDC表示直流电压，VCP表示脉冲电压，N表示导通电压，T表示时间常数。在不间断运行时，时间常数为0.7～1，保证导通电压工作电压最小，从而能够保证在线监测系统稳定性。

2.3 试验分析

使用测试软件试运行在线监测系统，记录测试参数和电压波形，检测系统运行状态。以110kV电压变电站为例，过电压主要来源于断路器动作以及感应雷电电压。在雷雨季地区进行实验，记录一年内雷电过电压波形，如图1所示为正极性脉冲波，上升阶段具有高频振荡特点，短时间内快速上升，在规定时间内恢复至正常电压。为了保证检测系统稳定运行，对其进行绝缘性测试。对传感器施加2V工频电压，持续给予10min，检测系统是否正常运转。使用直流高压发生器对电容器充电产生电压信号采样处理，并检查波形是否精确，验证监测系统的任务情况。将测试雷电电压波形和实际波形进行对比，自动采集电压数据并储存，能够对数据流高效处理。使用离线分析软件进行过电压分析，能够提高监测精度。该系统能够对过电压准确监测，避免损害电网，保证电网的安全和稳定。

图 1 雷电电压波形图

3.结论

受到多种因素影响，电网识别过电压难度高，过电压问题一直是电网治理难题，基于耦合电容传感器联合大数据技术建立在线监测系统，实时监控电网电压稳定性，能够及时发现过电压问题，并进行电压治理，保证电力系统供电稳定。未来还需要进一步融入人工智能技术，实现电网系统的协同管理，在线识别电网故障风险，提前预防调度，充分保障电网系统的稳定性。