CN107219391A - 电压质量指标监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电压质量指标监测装置，包括信号调理电路、电压测量单元、主控单元、数据通信单元和数据存储单元；信号调理电路将变压器二次侧的电压信号采样变换为模拟量信号；电压测量单元将模拟量信号转换为数字量信号；主控单元基于数字量信号实时分别计算电压信号的一系列指标，并输出控制数据通信单元的控制信号；数据通信单元在控制信号的控制下实现将电压信号的一系列指标传输至变电站电量与电能质量集成化管理***；数据存储单元存储电压信号的一系列指标。本发明的能够对变电站中的各项电压质量指标进行全面监测，从而为变电站供电电压指标存在的问题提供有效的信息，为电能质量评估治理提供量化依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于变电站的电压质量指标监测装置。
背景技术
随着人们生活水平的日益提高和电力市场环境的日趋开放，电网的电能质量问题越来越受到人们的关注。电压质量指标是电能质量的一项重要组成部分，是衡量供电质量的优劣的一系列指标，它包括：电压偏差、谐波、三相电压不平衡、电压波动与闪变、电压暂升与电压暂降、频率等。供电电压质量的好坏，将直接影响到客户设备的安全运行及产品质量的优劣，是电网企业提升服务水平的重要内涵。供电电压质量的优劣直接反映了电网管理部门技术水平的高低，反映了电网结构是否合理，因此提高供供电电压质量既是广大用电客户期望，也是供电企业必须达到的主要技术指标之一，是企业管理工作的一项重要基础工作，也是一项综合性工作。
《电能质量供电电压偏差》(GB/T12325-2008)、《电能质量电压波动和闪变》(GB/T12326-2008)、《电能质量三相电压不平衡》(GB/T15543-2008)、《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-1993)、《电能质量电压暂降与短时中断》(GB/T30137-2013)、《电能质量电力***频率偏差》(GB/T15945-2008)等标准对于相关指标的要求作出了明确的定义，为此，需要一种应用于变电站的电压质量指标监测装置以监测各项供电质量指标的情况，为评估治理提供量化的依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于变电站中能够对各项电压质量指标进行全面监测的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电压质量指标监测装置，与变电站的变压器二次侧母线相连接并用于监测所述变压器二次侧的电压信号的质量，所述电压质量指标监测装置包括信号调理电路、电压测量单元、主控单元、数据通信单元和数据存储单元；
所述信号调理电路与所述变压器二次侧母线相连接，所述信号调理电路实时将所述变压器二次侧的电压信号采样变换为所述电压测量单元能够处理的模拟量信号；
所述电压测量单元与所述信号调理电路相连接，所述电压测量单元将所述信号调理电路输出的所述模拟量信号转换为所述主控单元能够处理的数字量信号；
所述主控单元与所述电压测量单元相连接，所述主控单元基于所述电压测量单元输出的数字量信号实时分别计算所述电压信号的一系列指标，所述主控单元还能够输出控制所述数据通信单元的控制信号；
所述数据通信单元与所述主控单元相连接，并通过通讯网络和变电站电量与电能质量集成化管理***相连接，所述数据通信单元在所述控制信号的控制下实现将所述电压信号的一系列指标传输至所述变电站电量与电能质量集成化管理***；
所述数据存储单元与所述主控单元相连接并存储所述电压信号的一系列指标；
所述电压信号的一系列指标包括电压偏差指标、电压波动与闪变指标、三相电压不平衡指标、公共电网谐波指标、电压暂降与短时中断指标、电力***频率偏差指标。
监测所述变压器二次侧的电压信号的电压值并记录电压监测时间，判断所述电压值是否超过所允许的限值并统计所述电压值超过所允许的限值的电压超限时间，根据计算电压超限率，再根据电压合格率＝1-电压超限率计算出电压合格率，所述电压合格率用于表征所述电压偏差指标。
先剔除Un(1±22％)范围以外的无效电压值后再进行统计计算，所述所允许的限值包括上限值和下限值，所述上限值为Un(1+7％)，所述下限值为Un(1-10％)，其中Un为额定电压，所述电压超限时间包括电压超上限时间和电压超下限时间，
计算所述电压波动与闪变指标的方法为：先通过采样计算出所述电压信号的短时间电压闪变指标，再根据多个所述短时间电压闪变指标计算出长时间电压闪变指标，判断所述长时间电压闪变指标是否超标并记录所述长时间电压闪变指标超标的闪变超限时间，根据计算闪变合格率，所述闪变合格率用于表征所述电压波动与闪变指标。
计算所述三相电压不平衡指标的方法为：基于三相电压的幅值和相位计算正序分量、负序分量和零序分量，再根据计算所述三相电压不平衡率，判断所述三相电压不平衡率是否超限并记录所述三相电压不平衡率超限时间，根据计算三相电压不平衡率合格率，所述三相电压不平衡率合格率用于表征所述三相电压不平衡指标，其中，U1为三相电压的正序分量方均根值，U2为三相电压的负序分量方均根值，U0为三相电压的零序分量方均根值。
计算所述公共电网电压谐波指标的方法为：对所述电压信号的波形进行FFT分解而计算出各次电压谐波数据Uhi，通过计算出谐波电压含量，再根据计算出电压总畸变率，判断所述电压总畸变率是否超限并记录所述电压总畸变率超限时间，根据计算电压总畸变率合格率，其中Ui为所述电压信号的基波，所述电压总畸变率合格率用于表征所述公共电网电压谐波指标。
计算所述电压暂降与短时中断指标的方法为：对于每一相电压信号，分别以半周波和一周波为周期刷新所述电压信号的均方根值，获得半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)和每周波电压均方根值Urms(1)(k2)，当一相或多相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)低于设置的暂降阈值时，电压暂降开始，当所有相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)等于或高于所述暂降阈值与迟滞电压之和时，电压暂降结束，据此记录电压暂降次数以及暂降深度，以所述电压暂降次数以及暂降深度来表征所述电压暂降与短时中断指标。
计算所述电力***频率偏差指标的方法为：计算所述电压信号的频率并判断所述频率是否在合格范围内，并统计所述电压信号的频率超出所述合格范围的频率超限时间，根据计算出频率合格率，所述频率合格率用于表征所述电力***频率偏差指标。
优选的，所述信号调理电路包括依次连接的电压互感器、电压变换电路、滤波电路、电压过零比较电路；
所述电压测量单元包括A/D转换器；
所述主控单元包括ARM处理器及其***电路；
所述数据通信单元为电力线载波数据通信单元；
所述数据存储单元包括FLASH存储器。
优选的，所述主控单元还连接有数据输出显示单元。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的电压质量指标监测装置能够对变电站中的各项电压质量指标进行全面监测，从而为变电站供电电压指标存在的问题提供有效的信息，为电能质量评估治理提供量化依据。
附图说明
附图1为本发明的电压质量指标监测装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种与变电站的变压器二次侧母线相连接并用于监测变压器二次侧的电压信号质量的电压质量指标监测装置，包括信号调理电路、电压测量单元、主控单元、数据通信单元、数据存储单元以及数据输出显示单元。
信号调理电路与变压器二次侧母线相连接，它实时将变压器二次侧的电压信号采样变换为电压测量单元能够处理的模拟量信号。该信号调理电路包括依次连接的精度等级为0.1级的电压互感器、电压变换电路、滤波电路、电压过零比较电路。
电压测量单元与信号调理电路相连接，它将信号调理电路输出的模拟量信号转换为主控单元能够处理的数字量信号。电压测量单元包括工业级高精度14位A/D转换器。
主控单元与电压测量单元相连接，它基于电压测量单元输出的数字量信号实时分别计算电压信号的一系列指标，包括：电压偏差指标、电压波动与闪变指标、三相电压不平衡指标、公共电网谐波指标、电压暂降与短时中断指标、电力***频率偏差指标。主控单元还能够输出控制数据通信单元的控制信号。主控单元包括ARM处理器(或MCU、CPU等)及其***电路。
数据通信单元与主控单元相连接，并通过通讯网络和变电站电量与电能质量集成化管理***相连接。数据通信单元在控制信号的控制下实现将电压信号的一系列指标传输至变电站电量与电能质量集成化管理***。数据通信单元采用电力线载波数据通信单元。
数据存储单元与主控单元相连接并存储电压信号的一系列指标，它包括FLASH存储器。
数据输出显示单元与主控单元相连接，从而能够输出和/或显示电压信号的一系列指标，它可以分别由数据输出单元和数据显示单元构成。
该电压质量指标监测装置能够通过网络接入到变电站电量与电能质量集成化管理***，实现供电电压指标数据的上传。
上述电压质量指标监测装置包括以下工作步骤：
(1)初始化：上电后首先进行硬件初始化，包括ARM处理器及其实时时钟模块、A/D转换器、FLASH存储器等的初始化；
(2)数据采集：在由电压互感器接入本装置的测量通道上启动电压采样定时器，从而通过信号调理电路对变压器二次侧的电压信号进行采样，A/D转换器输出电压采样值，经电压测量单元变换后送入主控单元；
(3)数据计算：在主控单元中对电压信号进行一些列指标的计算分析，所得出的结果通过数据输出显示单元进行显示、通过数据通信单元上传至变电站电量与电能质量集成化管理***中、通过数据存储单元进行存储。
在主控单元中，对电压偏差指标、电压波动与闪变指标、三相电压不平衡指标、公共电网谐波指标、电压暂降与短时中断指标、电力***频率偏差指标的计算分析方法如下：
1、电压偏差指标
电压偏差指标以电压合格率表征。
在采样的中断服务程序中，可根据相邻两次采样值计算出电网周期，进而得到电网频率，然后根据电网周期设置采样定时器的定时周期，用以控制同步采样。每当MCU获取到一个新的采样数据，就执行一次电压合格率计算程序，判断当前电压合格状况。
在采样得到电压值后执行电压合格率计算程序，其过程如下：
a、异常剔除：监测变压器二次侧的电压信号的电压值并记录电压监测时间，将异常的电压值剔除，即剔除额定电压Un(1+22％)范围以外的无效电压值而得到有效电压值进行储存；
b、统计单元计算：以1min作为一个统计单元，取1min内有效电压值的平均值U1min，作为被监测点即时的实际运行电压；
c、电压合格率计算：判断电压值是否超过所允许的限值，所允许的限值包括上限值和下限值，上限值为Un(1+7％)，下限值为Un(1-10％)，Un为额定电压，电压超限时间包括电压超上限时间和电压超下限时间，当U1min＞Un(1+7％)时电压值超上限，当U1min＜Un(1-10％)时电压值超下限。统计电压值超过所允许的限值的电压超限时间，根据
即
计算电压超限率。
然后再根据
电压合格率＝1-电压超限率
计算出电压合格率。
或者可以现根据
电压合格率＝1-(电压越上限率+电压越下限率)
进行计算。
2、电压波动与闪变指标
电压波动与闪变指标以闪变合格率来表征。
a、先通过采样计算出电压信号的短时间电压闪变指标Pstj，即通过采样对电压波动分量进行解调，获得与电压波动成线性关系的电压，在观察期内(10min)进行统计，由CPF曲线获得短时闪变值，Pstj，j表示短时间电压闪变指标的编号；
b、再根据多个短时间电压闪变指标计算出长时间电压闪变指标(每两小时计算一次)。
c、判断长时间电压闪变指标是否超标，即判断是否Plt＞1，并记录长时间电压闪变指标Plt超标的闪变超限时间。闪变合格率为实际运行电压在闪变合格范围内的累计运行时间与对应的装置总运行时间的百分百，即根据
计算闪变合格率。
3、三相电压不平衡指标
三相电压不平衡指标以三相电压不平衡率合格率表征。
在三相***中，通过测量三相电压的幅值和相位，利用对称分量法，求出三相电压的正序分量、负序分量和零序分量，进而得到正序分量方均根值U1(单位为伏)，负序分量方均根值U2(单位为伏)，零序分量方均根值U0(单位为伏)，再根据
计算三相电压不平衡率，并据此判断三相电压不平衡率是否超限，记录三相电压不平衡率超限时间后结合装置的总运行时间，根据
计算三相电压不平衡率合格率。
4、公共电网电压谐波指标
公共电网电压谐波指标以电压总畸变率合格率表征。
对电压信号的波形进行FFT分解而计算出0-50次的各次电压谐波数据Uhi，i＝1-50，然后按照
计算出谐波电压含量Uh，再根据
计算出电压总畸变率THDu，其中Ui为电压信号的基波。
判断电压总畸变率是否超限并记录电压总畸变率超限时间，根据
计算电压总畸变率合格率。
5、电压暂降与短时中断指标
电压暂降与短时中断指标以电压暂降次数以及暂降深度来表征。得到电压采样值后，判断是否有电压暂降发生并计算暂降特征量，对于每一相电压信号，其判断过程如下：
以半周波为周期(计算窗口)刷新电压信号的均方根值，得到半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)：
式中：
N——每周期的采样点数；
U(i)——第i次采样得到的电压信号的瞬时值；
t——计算开始时刻；
k1——以半周波为周期的计算窗口序号，k1＝1，2，3，…；则半周波电压均方根值的第一个值是在第一个周波内，即从采样点1至N获得的，半周波电压均方根值的第二个值是在采样点(N/2)+1至(N/2)+N获得的，以此类推。
以一周波为周期(计算窗口)刷新电压信号的均方根值，得到每周波电压均方根值Urms(1)(k2)：
式中：
N——每周期的采样点数；
U(i)——第i次采样得到的电压信号的瞬时值；
t——计算开始时刻；
k2——以一周波为周期的计算窗口序号，k2＝1，2，3，…；则每周波电压均方根值的第一个值是在第一个周波内，即从采样点1至N获得的，每周波电压均方根值的第二个值是在采样点N+1至2N获得的，以此类推。
预设暂降阈值，一般依据电压暂降的定义设置为0.9p.u.(额定电压的90％)为暂降阈值。当一相或多相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)低于设置的暂降阈值时，电压暂降开始，当所有相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)等于或高于暂降阈值与迟滞电压之和时，电压暂降结束。从而根据电压暂降的过程记录电压暂降次数以及暂降深度。
6、电力***频率偏差指标
电力***频率偏差指标以频率合格率表征。
计算电力***频率偏差指标的方法为：启动测频捕获功能与采样定时器，在捕获的中断服务程序中，可根据相邻两次捕获值计算出电网周期，进而计算电压信号的频率，以1s作为一个统计单元，取1s内频率预处理值的平均值，作为被监测点即时的实际运行频率f。
判断频率f是否在合格范围49.8＜f＜50.2内。统计电压信号的频率超出合格范围的频率超限时间(单位为s)，根据
计算出频率合格率。
通过上述方法计算出的各项指标通过通信网络进行数据传输而上传至变电站电量与电能质量集成化管理***，通过网络通讯实现供电电压指标的数据传输。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电压质量指标监测装置，与变电站的变压器二次侧母线相连接并用于监测所述变压器二次侧的电压信号的质量，其特征在于：所述电压质量指标监测装置包括信号调理电路、电压测量单元、主控单元、数据通信单元和数据存储单元；
所述信号调理电路与所述变压器二次侧母线相连接，所述信号调理电路实时将所述变压器二次侧的电压信号采样变换为所述电压测量单元能够处理的模拟量信号；
所述电压测量单元与所述信号调理电路相连接，所述电压测量单元将所述信号调理电路输出的所述模拟量信号转换为所述主控单元能够处理的数字量信号；
所述主控单元与所述电压测量单元相连接，所述主控单元基于所述电压测量单元输出的数字量信号实时分别计算所述电压信号的一系列指标，所述主控单元还能够输出控制所述数据通信单元的控制信号；
所述数据通信单元与所述主控单元相连接，并通过通讯网络和变电站电量与电能质量集成化管理***相连接，所述数据通信单元在所述控制信号的控制下实现将所述电压信号的一系列指标传输至所述变电站电量与电能质量集成化管理***；
所述数据存储单元与所述主控单元相连接并存储所述电压信号的一系列指标；
所述电压信号的一系列指标包括电压偏差指标、电压波动与闪变指标、三相电压不平衡指标、公共电网谐波指标、电压暂降与短时中断指标、电力***频率偏差指标。
2.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述电压偏差指标的方法为：监测所述变压器二次侧的电压信号的电压值并记录电压监测时间，判断所述电压值是否超过所允许的限值并统计所述电压值超过所允许的限值的电压超限时间， 再根据电压合格率＝1-电压超限率计算出电压合格率，所述电压合格率用于表征所述电压偏差指标。
3.根据权利要求2所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：先剔除Un(1±22％)范围以外的无效电压值后再进行统计计算，所述所允许的限值包括上限值和下限值，所述上限值为Un(1+7％)，所述下限值为Un(1-10％)，其中Un为额定电压，所述电压超限时间包括电压超上限时间和电压超下限时间，
4.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述电压波动与闪变指标的方法为：先通过采样计算出所述电压信号的短时间电压闪变指标，再根据多个所述短时间电压闪变指标计算出长时间电压闪变指标，判断所述长时间电压闪变指标是否超标并记录所述长时间电压闪变指标超标的闪变超限时间，根据所述闪变合格率用于表征所述电压波动与闪变指标。
5.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述三相电压不平衡指标的方法为：基于三相电压的幅值和相位计算正序分量、负序分量和零序分量，再根据计算所述三相电压不平衡率，判断所述三相电压不平衡率是否超限并记录所述三相电压不平衡率超限时间，根据 所述三相电压不平衡率合格率用于表征所述三相电压不平衡指标，其中，U1为三相电压的正序分量方均根值，U2为三相电压的负序分量方均根值，U0为三相电压的零序分量方均根值。
6.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述公共电网电压谐波指标的方法为：对所述电压信号的波形进行FFT分解而计算出各次电压谐波数据Uhi，通过计算出谐波电压含量，再根据 判断所述电压总畸变率是否超限并记录所述电压总畸变率超限时间，根据其中Ui为所述电压信号的基波，所述电压总畸变率合格率用于表征所述公共电网电压谐波指标。
7.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述电压暂降与短时中断指标的方法为：对于每一相电压信号，分别以半周波和一周波为周期刷新所述电压信号的均方根值，获得半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)和每周波电压均方根值Urms(1)(k2)，当一相或多相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)低于设置的暂降阈值时，电压暂降开始，当所有相电压信号的半周波电压均方根值Urms(1/2)(k1)或每周波电压均方根值Urms(1)(k2)等于或高于所述暂降阈值与迟滞电压之和时，电压暂降结束，据此记录电压暂降次数以及暂降深度，以所述电压暂降次数以及暂降深度来表征所述电压暂降与短时中断指标。
8.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：计算所述电力***频率偏差指标的方法为：计算所述电压信号的频率并判断所述频率是否在合格范围内，并统计所述电压信号的频率超出所述合格范围的频率超限时间，根据所述频率合格率用于表征所述电力***频率偏差指标。
9.根据权利要求1所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：所述信号调理电路包括依次连接的电压互感器、电压变换电路、滤波电路、电压过零比较电路；
所述电压测量单元包括A/D转换器；
所述主控单元包括ARM处理器及其***电路；
所述数据通信单元为电力线载波数据通信单元；
所述数据存储单元包括FLASH存储器。
10.根据权利要求1或9所述的电压质量指标监测装置，其特征在于：所述主控单元还连接有数据输出显示单元。
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