專利名稱：一種過電壓在線監(jiān)測方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在線監(jiān)測電網(wǎng)過電壓的方法及監(jiān)測裝置，屬監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，過電壓對電網(wǎng)安全的影響越來越受到人們的重視。近年來，電 網(wǎng)的電氣設(shè)備絕緣事故時(shí)有發(fā)生，而且引發(fā)事故的原因難以直接?xùn)嗣?，只有采用有效的在線監(jiān) 測方法，在過電壓發(fā)生時(shí)完整準(zhǔn)確地記錄故障過電壓的波形和各種參數(shù)，才能為了解事故發(fā)生 前后過電壓的情況和發(fā)生過程中對電網(wǎng)電壓的影響提供準(zhǔn)確資料，并為技術(shù)人員分析事故原因 提供可靠依據(jù)。
目前，現(xiàn)有的過電壓在線監(jiān)測方法就其原理來說有三種， 一是通過電站本身的電壓互感器 (簡稱PT) 二次端口提取的電壓信號作為過電壓數(shù)據(jù)；二是對于10kV和35kV配電網(wǎng)直接在電 站母線上裝設(shè)電容分壓器測量過電壓；三是對于110kV及以上的電網(wǎng)采用高壓容性設(shè)備套管末 屏接電容組成電容分壓器獲取電壓信號。這三種方法均存在明顯缺點(diǎn)對于第一種監(jiān)測裝置來 說，由于PT在過電壓的高頻信號作用下呈現(xiàn)的飽和特性(非線性)與頻關(guān)效應(yīng)，二次端口提 取的電壓信號嚴(yán)重失真，不能直接使用，否則失真嚴(yán)重。第二種和第三種盡管可以真實(shí)再現(xiàn)一 次系統(tǒng)的過電壓，但由于它所采用的分壓器直接接到一次母線或容性設(shè)備接地端，因而現(xiàn)場改 動大，施工困難，并且分壓器本身的故障也會對電站帶來諸多不利影響。另外，第二種和第三 種監(jiān)測方法還需要使用通信裝置，將過電壓信號發(fā)送到控制室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種能方便地獲取電網(wǎng)中的高保真過電壓信 號的過電壓在線監(jiān)測方法；本發(fā)明還同時(shí)給出了該監(jiān)測方法所使用的監(jiān)測裝置。
本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種過電壓在線監(jiān)測方法，它由依次連接的電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡 以及工控機(jī)構(gòu)成硬件系統(tǒng)，由工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電壓互感器二次側(cè)的過電壓信 號，然后根據(jù)電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路的電壓傳遞函數(shù)，結(jié)合電壓互感器的飽和特性， 進(jìn)行快速反演還原計(jì)算，獲得電壓互感器一次側(cè)電壓波形，最后通過與數(shù)據(jù)庫中存儲的各種類 型的過電壓特征進(jìn)行比較，判別過電壓的類型。
上述過電壓在線監(jiān)測方法，具體采用以下步驟
a. 工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集經(jīng)信號調(diào)理保護(hù)電路處理后的電壓互感器二次側(cè)的 過電壓信號v^);
b. 根據(jù)電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路的電壓傳遞函數(shù)，由下式反演計(jì)算不考慮電壓互 感器飽和特性情況下、電壓互感器一次側(cè)的時(shí)域過電壓信號
其中，K(0是未考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果；h(0是電容分壓 器低壓側(cè)的時(shí)域電壓信號；C,為數(shù)值擬合的極點(diǎn)；a,為留數(shù)；t/和e為常數(shù)；5是沖擊函數(shù)；
是沖擊函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；"是積分變量；r是積分起始時(shí)刻； c.根據(jù)PT的飽和特性對上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正-
測量得到PT的飽和曲線，應(yīng)用最小二乘擬合可得到其飽和特性，其形式為
其中，、仍為考慮PT飽和特性的高壓偵U母線電壓，R為表示PT的飽和形成的非線性電 阻，將未考慮PT飽和特性的高壓偵U母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果i^)代入到上式，計(jì)算出考慮PT 飽和特性的高壓側(cè)母線電壓v, V);
d.將計(jì)算出的考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓V(O波形與數(shù)據(jù)庫中已存儲的各種類 型過電壓的特征進(jìn)行比較，判別過電壓的類型，給出過電壓防護(hù)建議。
一種過電壓在線監(jiān)測裝置，它由依次連接的電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡
以及工控機(jī)組成，所述電壓互感器接在高壓母線上，所述信號調(diào)理保護(hù)電路由分壓電路和隔離 電路組成，所述分壓電路由高壓電容和低壓電容組成，它們串聯(lián)連接后經(jīng)信號傳輸匹配電纜接 電壓互感器的輸出端，所述隔離電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成，所述運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器，其 輸入端接低壓電容兩端的輸出信號，輸出端接數(shù)據(jù)采集卡。
上述過電壓在線監(jiān)測裝置，增設(shè)一個(gè)過流保護(hù)器和兩個(gè)過壓保護(hù)器，所述過流保護(hù)器與 分壓電路串聯(lián)連接，第一過壓保護(hù)器并聯(lián)于分壓電路上，第二過壓保護(hù)器并接在電壓跟隨器的 輸出端。
本發(fā)明采用電壓互感器在控制室內(nèi)對母線電壓進(jìn)行采樣，采用工控機(jī)對PT的二次側(cè)信號 進(jìn)行快速反演還原計(jì)算，獲得不失真的一次側(cè)電壓波形并對過電壓的類型進(jìn)行判斷。所有設(shè)備、 裝置均可布置在控制室內(nèi)，不需要改動電站一次接線，也不需要在現(xiàn)場與控制室之間進(jìn)行信號 傳輸，不僅造價(jià)低，而且避免了電壓波形傳輸過程中產(chǎn)生的衰減與變形以及電磁兼容問題。信 號調(diào)理保護(hù)電路用于將PT的輸出信號無畸變地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，過流保護(hù)器可以限制后續(xù) 電路的短路和過載電流，過壓保護(hù)器可以防止過電壓對后續(xù)高速數(shù)據(jù)采集卡的侵?jǐn)_，隔離電路 將信號調(diào)理電路的輸入和輸出進(jìn)行電氣隔離，起到相互保護(hù)作用，高速數(shù)據(jù)采集卡可以采集高 頻過電壓信號。本發(fā)明不僅能夠?qū)崟r(shí)捕捉、存儲電力系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波形，通過對暫態(tài)過電 壓波形進(jìn)行分析，為電力系統(tǒng)事故原因分析提供可靠數(shù)據(jù)，而且其硬件結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖l是本發(fā)明電原理框圖2是信號調(diào)理保護(hù)電路的電原理圖3是系統(tǒng)的計(jì)算模型；
圖4是考慮飽和特性后PT的二端口模型；
圖5是本發(fā)明過電壓類型判斷軟件流程圖。 -
圖中各標(biāo)號為PT、電壓互感器，F(xiàn)u、過流保護(hù)器，VP1、第一過壓保護(hù)器，VP2、第二過
壓保護(hù)器，F(xiàn)、運(yùn)算放大器，Cl、高壓電容，C2、低壓電容，R、表示PT的飽和形成的非線性 電阻。
本文所用符號v々)、未考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果，v2(0、 PT 輸出電壓，v3 、分壓器高壓側(cè)的信號，v4(f)、分壓器低壓側(cè)的時(shí)域電壓信號，K(s)、 的頻域信號，F(xiàn)2("、 、(f)的頻域信號，K(s)、巧(0的頻±或信號，F(xiàn) 、、(,)的頻域信號， AO)、 PT的電壓傳遞函數(shù)，//2(》、二次電纜的電壓傳遞函數(shù)，//3(力、分壓器的電壓傳遞 函數(shù)，i/(力、整體電壓傳遞函數(shù)，&、傳輸線的波阻抗，；k、傳輸線的傳播常數(shù)，/、傳輸 線的長度，Z。、傳輸線的單位長度電感，C。、傳輸線的單位長度對地電容，G。、傳輸線的 單位長度對地電導(dǎo)，i 。、傳輸線的單位長電阻，c,.、數(shù)值擬合的極點(diǎn)；",、留數(shù)，d和e、 常數(shù)，5、沖擊函數(shù)，5'、沖擊函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，w、積分變量，r、積分起始時(shí)刻，v(o、考 慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓，戶、散射參數(shù)矩陣，&、 i^、尸21和尸22、散射參數(shù)矩陣的 4個(gè)參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
參看圖l，過電壓在線監(jiān)測裝置直接從PT在控制室內(nèi)的測量二次端口提取電壓信號，經(jīng)無 畸變分壓器轉(zhuǎn)變后輸入到工控機(jī)，由工控機(jī)的后臺處理軟件對PT的二次側(cè)信號進(jìn)行快速反演 還原計(jì)算，獲得一次側(cè)電壓波形。
本發(fā)明采用電壓互感器二次測量輸出作為采樣信號；通過經(jīng)過仔細(xì)匹配的傳輸電纜與信號 調(diào)理保護(hù)單元連接，信號調(diào)理保護(hù)單元包括分壓器、過流保護(hù)器、過壓保護(hù)器和隔離電路；分 壓器包括高壓臂和低壓臂，高壓臂內(nèi)的高壓電容和低壓臂內(nèi)的低壓電容串聯(lián)，將100V電壓及 過電壓信號分壓至5V以下，其高壓臂經(jīng)過流保護(hù)器和輸入傳輸電纜相連，同時(shí)其高壓端和地 之間接有過電壓保護(hù)器，分壓輸出端經(jīng)隔離單元和過電壓保護(hù)器同高速采樣板相連；過流保護(hù) 器可以限制后續(xù)電路的短路和過載電流；過壓保護(hù)器可以防止過電壓對后續(xù)高速采樣板的侵 擾；隔離電路將信號調(diào)理單元的輸入和輸出進(jìn)行電氣隔離，起到相互保護(hù)作用；高速采樣板可 以采集高頻過電壓信號；高速數(shù)據(jù)采樣卡通過總線插槽與工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。
該硬件電路能夠長期在線運(yùn)行實(shí)時(shí)釆樣、能夠捕捉、存儲電力系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波形、通 過暫態(tài)過電壓波形進(jìn)行分析，為電力系統(tǒng)的設(shè)備事故原因分析提供數(shù)據(jù)。
參看圖2，信號調(diào)理保護(hù)單元包括分壓器、過流保護(hù)器、過壓保護(hù)器和隔離電路；分壓器 包括高壓臂和低壓臂，高壓臂內(nèi)的高壓電容和低壓臂內(nèi)的低壓電容串聯(lián)，將100V電壓及過電 壓信號分壓至5V以下，其高壓臂經(jīng)過流保護(hù)器和輸入傳輸電纜相連，同時(shí)其高壓端和地之間 接有過電壓保護(hù)器，分壓輸出端經(jīng)隔離單元和過電壓保護(hù)器同高速采樣板相連，本分壓器特點(diǎn) 是采用精確計(jì)算選取的電容，輸入阻抗高，方波響應(yīng)特性小于50納秒；過流保護(hù)器可以限制 后續(xù)電路的短路和過載電流，其電阻極小，無電感；過壓保護(hù)器可以防止過電壓對后續(xù)高速采 樣板的侵?jǐn)_，過壓保護(hù)器采用高輸入阻抗間隙結(jié)構(gòu)，不會對分壓器輸入阻抗造成影響；隔離電 路將信號調(diào)理單元的輸入和輸出進(jìn)行電氣隔離，起到相互保護(hù)作用，采用高輸入阻抗放大器隔 離，輸入阻抗達(dá)109Q;這樣信號調(diào)理單元具有輸入阻抗高、功耗小、分壓精確、波形無畸變 的特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本原理
①建立系統(tǒng)的線性計(jì)算模型
參看圖3，不考慮PT的飽和特性，將PT、 二次電纜和分壓器等值為三個(gè)互相級聯(lián)的二端 口網(wǎng)絡(luò)，圖3中v々)、v2(0、 v^)和v^)依次為高壓母線(PT—次側(cè))、PT二次側(cè)(二次電 纜入口)、 二次電纜出口 (分壓器高壓側(cè))和分壓器低壓側(cè)的時(shí)域電壓信號，其對應(yīng)的頻域電 壓信號為^(s)、 F2("、 73(^和74(力。設(shè)A(力、〃20)、 //3(力依次為PT、 二次電纜和分壓
器的一次頂樹二次側(cè)的電壓傳遞函數(shù)為，則它們的表達(dá)式如下-
<formula>formula see original document page 8</formula>再將三個(gè)互相級聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)等值為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)該網(wǎng)絡(luò)(系統(tǒng))整體電壓傳遞
函數(shù)為i/0)，則:
<formula>formula see original document page 9</formula>(4)
②計(jì)算公式 由(4)式可得:<formula>formula see original document page 9</formula>
(5)
對l進(jìn)行數(shù)值擬合得至咖下的形式:
<formula>formula see original document page 9</formula>
(6)
對(6)式進(jìn)行反拉普拉斯變換，其時(shí)域形式為:
<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
柳tr
在(6)式和(7)式中，c,為數(shù)值擬合的極點(diǎn)，a,.為留數(shù)，d和e為常數(shù)。
對1和V4(0進(jìn)行時(shí)域遞歸巻積既可得到v々)，其計(jì)算公式如下 <formula>formula see original document page 9</formula> ( 8 )
由數(shù)據(jù)采集卡采集得到分壓器二次側(cè)時(shí)域電壓h(o ，輸入到工控機(jī)的后臺處理反算軟
件，應(yīng)用(8)式對、(,)和1//^)進(jìn)行連續(xù)的時(shí)域巻積就可以得到^(0。該v^)為未考慮PT 飽和特性的高壓側(cè)母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果。 ③PT的飽和特性的處理
參看圖4，測量得到PT的飽和曲線，應(yīng)用最小二乘擬合可得到其飽和特性，其形式為
<formula>formula see original document page 9</formula>
(9)
式中iV(O為考慮PT飽和特性的高壓母線電壓，R為表示PT的飽和形成的非線性電阻。 將、W代入到式(9)中，即可計(jì)算得到v/(0。
傳遞函數(shù)的獲取
對于PT和分壓器，應(yīng)用頻譜網(wǎng)絡(luò)分析儀領(lǐng)糧它們的二端口散射參數(shù)。設(shè)測量得到的PT
的散射參數(shù)矩陣為尸:
"1 "422.
，則柳)='
12
，同理可測量計(jì)算得到
(1 + 。(1-尸22) + 4尸21 分壓器的傳遞函數(shù)//30)。
對于二次電纜，將其等值為傳輸線，則其二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)矩陣為
cosh(;K/)zc sinh(//)
1
sinh(;K/) cosh(y/)
，其電壓傳遞函數(shù)為//2(^)=
1
cosh(;r/)
式中 |^±^為
傳輸線的波阻抗，y = V(i 。 + A。)(G。 + sC。)為傳輸線的傳播常數(shù)，/為傳輸線的長度， 丄。，C。,G。,i 。分別為傳輸線的單位長度電感、單位長度對地電容、單位長度對地電導(dǎo)和單位 長度電阻，它們可通過電磁場有限元方法計(jì)算獲得。 數(shù)據(jù)的采集
數(shù)據(jù)釆集程序通過數(shù)據(jù)采集卡對、(/)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描并記入緩存， 一旦信號達(dá)到過電壓標(biāo) 準(zhǔn)，開始存儲、(0到數(shù)據(jù)庫，并將存儲的數(shù)據(jù)傳給主程序。 過電壓類型的判斷
電力系統(tǒng)過電壓主要有以下幾種
① 外部過電壓，主要為雷電過電壓。
② 內(nèi)部過電壓，包括工頻過電壓、操作過電壓、諧振過電壓等。
過電壓類型判斷程序的功能是根據(jù)獲得的電壓波形的各種參數(shù)(如頻率、幅值與波形陡度 等)，形成特征向量A，將該特征向量與數(shù)據(jù)庫中已存儲的各種類型過電壓的特征進(jìn)行比較，并 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，判別過電壓的類型，給出過電壓防護(hù)建議。其軟件流程如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種過電壓在線監(jiān)測方法，其特征是，它由依次連接的電壓互感器(PT)、信號調(diào)理保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡以及工控機(jī)構(gòu)成硬件系統(tǒng)，由工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電壓互感器(PT)二次側(cè)的過電壓信號，然后根據(jù)電壓互感器(PT)、信號調(diào)理保護(hù)電路的電壓傳遞函數(shù)，結(jié)合電壓互感器(PT)的飽和特性，進(jìn)行快速反演還原計(jì)算，獲得電壓互感器(PT)一次側(cè)電壓波形，最后通過與數(shù)據(jù)庫中存儲的各種類型的過電壓特征進(jìn)行比較，判別過電壓的類型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述過電壓在線監(jiān)測方法，其特征是，它采用以下步驟-a. 工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集經(jīng)信號調(diào)理保護(hù)電路處理后的電壓互感器(PT) 二次 側(cè)的過電壓信號^W;b. 根據(jù)電壓互感器(PT)、信號調(diào)理保護(hù)電路的電壓傳遞函數(shù)，由下式反演計(jì)算不考慮電 壓互感器飽和特性情況下、電壓互感器(PT) —次側(cè)的時(shí)域過電壓信號vi (0 = J"v41 _ w)[c,e-"'+必(w—r)+W(w—r)]c^其中，K(0是未考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果；^(0是電容分壓 器低壓側(cè)的時(shí)域電壓信號；C,為數(shù)值擬合的極點(diǎn)；",.為留數(shù)；d和e為常數(shù)；5是沖擊函數(shù)； 是沖擊函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；"是積分變量；r是積分起始時(shí)刻；C.根據(jù)PT的飽和特性對上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正測量得到PT的飽和曲線，應(yīng)用最小二乘擬合可得到其飽和特性，其形式為其中，V(O為考慮PT飽和特性的高壓偵ij母線電壓，R為表示PT的飽和形成的非線性電阻，將未考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓的線性計(jì)算結(jié)果v^)代入到上式，計(jì)算出考慮 PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓巧'(O ; 頁d.將計(jì)算出的考慮PT飽和特性的高壓側(cè)母線電壓v/(0波形與數(shù)據(jù)庫中已存儲的各種類 型過電壓的特征進(jìn)行比較，判別過電壓的類型。
3、 一種過電壓在線監(jiān)測裝置，其特征是，它由依次連接的電壓互感器(PT)、信號調(diào)理保 護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡以及工控機(jī)組成，所述電壓互感器(PT)接在高壓母線上，所述信號調(diào)理 保護(hù)電路由分壓電路和隔離電路組成，所述分壓電路由高壓電容(Cl)和低壓電容(C2)組成， 它們串聯(lián)連接后經(jīng)信號傳輸匹配電纜接電壓互感器(PT)的輸出端，所述隔離電路由運(yùn)算放大 器(F)構(gòu)成，所述運(yùn)算放大器(F)接成電壓跟隨器電路，其輸入端接低壓電容(C2)兩端的 輸出信號，輸出端接數(shù)據(jù)采集卡。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述過電壓在線監(jiān)測裝置，其特征是，增設(shè)一個(gè)過流保護(hù)器(Fu)和 兩個(gè)過壓保護(hù)器，所述過流保護(hù)器(Fu)與分壓電路串聯(lián)連接，第一過壓保護(hù)器(VP1)并聯(lián) 于分壓電路上，第二過壓保護(hù)器(VP2)并接在電壓跟隨器的輸出端。
全文摘要
一種過電壓在線監(jiān)測方法，用于解決電網(wǎng)過電壓監(jiān)測中的問題。其技術(shù)方案是它由依次連接的電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡以及工控機(jī)構(gòu)成硬件系統(tǒng)，由工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電壓互感器二次側(cè)的過電壓信號，然后根據(jù)電壓互感器、信號調(diào)理保護(hù)電路的電壓傳遞函數(shù)，結(jié)合電壓互感器的飽和特性，進(jìn)行快速反演還原計(jì)算，獲得電壓互感器一次側(cè)電壓波形，最后通過與數(shù)據(jù)庫中存儲的各種類型的過電壓特征進(jìn)行比較，判別過電壓的類型。本發(fā)明不僅能夠?qū)崟r(shí)捕捉、存儲電力系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波形，為電力系統(tǒng)的設(shè)備事故原因分析提供可靠數(shù)據(jù)，而且其硬件結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。
文檔編號G01R19/165GK101373197SQ20081007958
公開日2009年2月25日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者張重遠(yuǎn), 律方成, 李文峰, 李春燕, 彬 楊, 梁貴書, 王永強(qiáng), 杰 閆 申請人:華北電力大學(xué)(保定)