变电站谐波在线监测的应用研究

李宁波;徐之文;张映鸿;黄少先

【摘 要】The harmonic cause power quality to decline, affect the safe and economic operation of the equipment, and increase the interference of the communication system. It exploits a harmonic monitoring and analyses system to meet the practical application. The system have a three-layer structure, each layer communicates with internet. This paper emphasizes harmonic analyses and online application,the test results indicate the system exploited has practical utility.% 谐波在电网中引起电能质量下降，影响电力系统设备和通信系统的安全经济运行，为了满足应用需求研究开发了一套谐波监测与分析系统。该谐波在线监测与分析系统采用三层网络拓扑结构，每层采用互联网形式进行通信。着重分析了系统的谐波分析及其在线应用功能，测试结果显示所开发的系统非常具有实用价值。 【期刊名称】《机电工程技术》 【年(卷),期】2013(000)005 【总页数】4页(P48-51)

【关键词】谐波;电能质量;谐波监测与分析;在线应用 【作 者】李宁波;徐之文;张映鸿;黄少先

【作者单位】华南理工大学，广东广州 5101;华南理工大学，广东广州 5101;湖南省电力公司 长沙电业局，湖南长沙 410015;华南理工大学，广东广州 5101

【正文语种】中 文 【中图分类】TM63 0 引言

随着工业的发展以及科学技术的进步，电力系统中非线性负荷不断增加，非线性的负载从电网中吸收非正弦电流波，引起电网电压严重畸变，使电能质量下降，影响发电、供电和用电设备的安全经济运行，增加对通信系统的干扰。同时，电网谐波对各种电气设备，继电保护、自动装置、计算机测量和计量仪器均有不利影响[1-2]。目前，国际上公认谐波“污染”是电网的公害，国际上电气工程领域的两大权威学术组织——IEEE 和IEC 分别起草了抑制电力系统谐波的相关标准，并多次修订[3]。

谐波分析的方法有很多，传统的谐波分析理论基础是基于傅立叶变换的分析，随着计算机、微处理器的广泛应用，数字技术在这一领域越来越多地被采用，出现了离散采样的傅立叶变换（Distributed Fourier Transform，简称DFT），以及后来发展的快速傅立叶变换（Fast Fourier Transfer，简称FFT），是目前应用中检测谐波的最常用最为成熟的方法，该方法用于检测基波信号及整数次谐波信号，已经成为现代谐波测量与分析的主要数学分析算法[4-5]。FFT 是数字信号分析和处理领域的一个重要算法，其在语音信号处理、图像处理、雷达信号处理、功率谱估算、系统的分析、仿真等众多方面都得到了较为广泛的应用。DFF采用快速傅立叶变换（FFT）作为工具，已经形成了现代谐波检测与分析算法的基础[6]。

对电力谐波进行实时在线监测具有重大意义，本文通过谐波分析算法的研究，建立了一套变电站谐波在线监测与分析系统。 1 傅立叶变换

连续信号x（t）的傅立叶变换定义为

傅立叶变换将信号从时域变换到频域，其实质是将原始信号分解为一组正交的三角函数加权组合。它能较好地刻画信号的频域特性，能清楚地表示出谐波的幅值和相角。

作为经典的信号分析方法，傅立叶变换具有正交、完备等许多优点，而且具有快速傅立叶（FFT）这样的经典算法。在电能质量分析领域，傅立叶变换主要用于频谱分析，一般对电压及电流两个时间信号同时进行采样，同时做频谱分析，以便快速给出它们的谐波幅度、相角以及谐波功率等。 2 系统框架

电能质量在线监测与分析系统的典型应用主要包括：电能质量数据的在线显示、电能质量指标越限报警和控制、电能质量数据分析、历史数据分析、电能质量报告发布等，如图1所示。 图1 电能质量监测典型结构

本文所研究的变电站谐波在线监测与分析系统网络拓扑结构如图2所示。 该谐波在线监测与分析系统采用三层网络拓扑结构，第一层为各个变电站的谐波监测设备，设备采用ION 7600谐波在线监测装置，第二层为地区供电局谐波监测与分析中心，第三层位省级谐波监测与分析中心。每一层的长距离通信可采用PSNT、GPRS/GSM、光纤或Internet等方式。 3 系统主要功能 （1）谐波分析

ION 7600测量和显示基波到63次的各次谐波分量，包括2～63 各次谐波畸变率、总谐波畸变率、偶次谐波总畸变率、奇次谐波总畸变率、谐波相角、中间谐波、满足国标GB/T149 对公用电网谐波的测试要求，所测得的交流电压电流的波形和

谐波棒图，K 因子和峰值因子既可直接在本身所带的大屏幕液晶显示器上显示，也可上位机显示，并可根据国标设定谐波越限报警范围。 图2 系统结构

（2）波形采样及电压上冲下陷

ION 7600每周波采样256点，电压回路AD位数为14 位，电流回路AD 位数为18 位，测量精度达到0.1%。ION 7600 能监测的最小暂态变化为78 μs ，ION 7500为156 μs 。 （3）闪变分析

公共供电点电压因冲击性功率的负荷（如炼钢电弧炉，电弧焊机等）引起的电压快速变化导致闪变效应，易导致人眼疲劳、不舒服，甚至情绪烦躁，ION 7600 具有电压闪变监测功能，满足EN50160、IEC 61000-4-7/4-15及GB 12326。 （4）电压波动与故障录波

ION 7600 能捕捉所有电压、电流通道的波形，分析干扰源。谐波分量超标、畸变率超标、电压有效值超标、冲击负荷投切、短路故障等均可启动电压波形与故障录波记录，捕捉电压波形细微的变化。

可设定启动条件发生前和发生后的波形数量，可在监控软件下显示和比较各输入通道波形。ION 7600 在启动一次96 周波（1.92 秒）故障录波后进入10秒的高速定时记录，每半周波记录一次有效值或电压电流包络线。因此对于一次启动，可记录长达12 秒的故障前后的电压波动。ION 7600可连续启动10次。 （5）序分量测量及电压不平衡度分析

ION 7600 可测量电压电流的不平衡度及零序、正序、负序的幅值和相位，在装置本体的大屏幕液晶屏或上位机显示器上显示电压电流的相位图。 （6）供电可靠性监测

一般情况下，电力系统能提供99.9%的供电可靠性（3 个“9”表示每年8.76 小

时故障时间）。但在一些生产工艺对供电可靠性要求极高的企业，如IC制造业，即使一秒钟的故障也会造成巨大的经济损失，因此希望供电可靠性达99.999 999 9%（9 个“9”表示一年只有2 个周波故障时间）。ION 7600 具备以“9”的个数表示供电可靠性的功能，直观表示供电可靠性监测的结果。 （7）电力系统频率波动监测及记录

ION 7600频率测量精度为0.01 Hz，精度范围从18 Hz 连续到72 Hz，在线监测电力系统频率，可设置频率越限报警及记录。 （8）零线谐波电流监测

ION 7600提供的Io和In接线端子用于零线谐波电流监测及接地电流监测。 （9）电能质量超标电能计量

ION 7600 连续不断监视电能质量是否符合标准，通过软件可设置24组不同的超标条件，启动超标电能量统计及同时记录对应超标量，时间分辨率达1 ms。 （10）数据记录和事故过程记录

ION 7600自带4 MB（可选8 MB）的非易失性存储器，可设定40 组、共0 个数据定时记录功能。

电力（供电）系统发生电能质量超标时，整个系统在极其短暂的时间里可能伴随一系列连续的不正常事件和状态变位，ION 7600 可存贮500个事件，数据记录和事件过程记录是分析电能质量恶化真正原因非常有用的工具。 4 谐波分析功能

该系统能够以多种形式显示实时或历史各通道各次谐波（最高63 次）和间谐波（最高40次）。

含量数据；提供各次谐波的谐波电量数据分析，用户可指定比较重要的谐波，分析其幅值、相角、功率等电量数据。其谐波在线分析和谐波频谱分析图如图3和4所示。

图3 谐波在线分析 图4 谐波频谱分析图 5 在线应用

5.1 电压电流谐波在线监测

电压电流谐波总畸变率（THD）在线监测如图5所示。图5中显示了35 kV侧电容器组电压和电流谐波总畸变率在线监测值。 5.2 各次谐波监测与显示

可以实现电压电流的各次谐波含有率，电压V4的各次谐波含有率如图6所示。 图5 THD在线监测 图6 各次谐波含有率

图6 中显示了电压V4 的2～63 次谐波含有率，图中THD表示总谐波畸变率，THD Even表示偶次谐波总畸变率，THD Odd表示奇次谐波总畸变率。 谐波电压和谐波电流大致主要集中3 次、5 次、7 次，谐波监测系统在监测时段内三相电压3、5、7 次谐波及THD 值波形走势图如图7 所示，三相电流3、5、7 次谐波和THD 值波形走势图如图8 所示。图7 及图8 中，黑色曲线为THD、蓝色曲线为3 次谐波、绿色曲线为7 次谐波。 图7 三相电压3、5、7次谐波及THD值波形走势图 6 结论

在500 kV 变电站35 kV 侧并联电容器组安装谐波在线装置，可及时了解和跟踪并联电容器组的运行情况，解决了电容器组定期人工检查费时费力的问题，监测效果更好。

图8 三相电流3、5、7次谐波和THD值波形走势图

同时，可有效缩短监测周期，出现谐波等电能质量指标越限时，可及时通知运行人员迅速采取有效措施做出处理，有力地保护了并联电容器组的安全运行。

参考文献：

［1］俸靖.公用电网谐波污染的来源、危害及治理措施［J］.继电器，2003（S1）：39-41.

［2］吴竞昌，宋文南，曲涛，等.电力系统谐波［M］.北京：水利电力出版社，1998.

［3］Rosa F C.赵琰，孙秋野译.电力系统谐波［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［4］徐春霖.快速傅里叶变换电网谐波分析仪的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.

［5］卞皓玮，张继勇，张苏新，等.基于LabVIEW的双馈风力发电机组在线谐波分析研究［J］.机电工程，2012（7）：837-840.

［6］裴星宇.电力系统并联电容器工作时谐波影响分析［J］.科技资讯，2010（27）：130-131.