專利名稱：一種電網實時監控系統及方法
技術領域：
本發明涉及電網控制技術領域，尤其涉及一種電網實時監控系統及方法。
背景技術：
我國的中壓電網絕大多數是小電流接地系統，即中性點非直接接地系統，當發生單相接地故障且單相接地電流較大時，容易產生弧光接地過電壓和相間短路，從而給供電設備造成了極大的危害，導致事故的發生。針對供配電系統的故障統計數據表明，單相接地故障發生的概率占66%以上。

發明內容
本發明實施例的目的是提供一種電網實時監控系統及方法，可以實時在線監控電網中的運行數據，并進行實時分析判別故障相，并作相應的故障處理。為了實現前述發明目的，本發明實施例還提供了一種電網實時監控系統，所述系統包括:信號采集模塊，用來對電流及電壓通道進行實時交流采樣；信號調理器，用來通過抗混疊濾波電路濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號；處理與控制模塊，用來對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。進一步優選地，所述信號采集模塊包括互感器，用來采集A、C兩相電壓、電流信號。進一步優選地，所述系統還包括:顯示模塊，用來進行功率、功率因數、諧波畸變率和/或諧波的實時顯示、和/或超限數據顯示。進一步優選地，所述系統還包括:輸入模塊，用來進行顯示輸出參數的設定。進一步優選地，所述系統還包括:通訊模塊，用來與外部在線遠程控制系統或諧波補償系統進行實時電網數據的交換。進一步優選地，所述系統還包括:報警模塊，用來當故障發生時，進行報警。為了實現本發明的發明目的，本發明實施例還提供了一種電網實時監控方法，所述方法包括:
對電流及電壓通道進行實時交流信號采樣；通過抗混疊濾波電路對所述交流信號進行濾波，濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號；對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。進一步優選地，所述將計算結果和允許值進行比較確定是否出現故障具體包括:通過零序電壓與線路零序電流的相關性，判別故障區間。進一步優選地，所述當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或斷路器閉合具體包括:若系統保護范圍內發生弧光接地故障，則立即進行處理，若是上段用戶或母線發生故障，系統報警但不發出消弧動作。本發明實施例通過提供一種電網實時監控系統及方法，使得在出現弧光接地時，通過對相電壓及零序電壓的檢測分析，在IOms之內判別出故障相，并向真空斷路器發出合閘命令，真空斷路器操作機構在20ms之內動作，將故障相與接地網直接連接，系統在30ms之內將弧光接地快速轉化為金屬性接地，并保證系統在故障情況下運行2小時以上。同時，系統還具備諧波在線監測功能，實時分析、顯示電流諧波分量，電流諧波分量超出閾值時相應的斷路器輸出閉合，控制諧波補償系統的投入，可廣泛用于電力系統的變電所或發電廠以及冶金、礦山、石化等企業的供電系統，對提高系統供電可靠性及安全運行有明顯的效果。


通過下面結合附圖對其示例性實施例進行的描述，本發明上述特征和優點將會變得更加清楚和容易理解。圖1為本發明實施例一種電網實時監控系統組成示意圖；圖2為本發明實施例一種電網實時監控系統結構示意圖；圖3為本發明實施例一種電網實時監控方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，為本發明實施例電網實時監控系統的組成示意圖，該系統包括:信號采集模塊，用來對電流及電壓通道進行實時交流采樣；信號調理器，用來通過抗混疊濾波電路濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號；處理與控制模塊，用來對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，則控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。該系統可實現消弧和諧波監測，與傳統的系統相比較，其使用更加靈活。在具體實現上，系統由硬件部分和軟件部分組成。整個系統由多個控制單元組成，各控制單元結構基本相同，通過RS485、CAN通信總線組成系統，系統通過總線實現了數據共享，進行集中遠程控制，并預留了與其它系統，如集中控制系統、故障處理系統的數據交換端口，用戶可方便地通過菜單操作方式設定、修改參數和邏輯；同時系統可自檢并對自身故障進行報警。在系統硬件上，系統硬件部分主要包括信號采集模塊、電壓互感器、斷路器、隔離開關、組合式過電壓保護器、處理與控制模塊等部分。信號采集模塊配置在前端，采用高精度的電壓與電流信號交流采樣電路。系統采用高速數字信號處理器(DSP) +32位高性能RAM處理器的雙CPU設計。一個處理器用于實時交流采樣及高速處理，對信號實時進行處理與頻域分析，另一個處理器用于系統控制及人機交互，保證了系統的處理及響應速度。斷路器采用三相三機構真空斷路器，每相有一組單獨的操作機構，利用電子控制，可實現單相快速分合閘。斷路器的一端分別接至母線，另一端直接接地。正常運行時，真空斷路器三相均處于斷開狀態，斷路器中各相操作機構之間相互閉鎖受控制器單相合閘。當判別出故障相后，分相控制一組斷路器，使故障相接地，將弧光接地變成金屬性接地，以達到徹底消除弧光的目的。系統通過零序電壓與線路零序電流的相關性，判別故障區間，若本系統的保護范圍內發生弧光接地故障，則立即進行處理，若是上段用戶或母線發生故障，系統報警但不發出消弧動作，用戶可以根據故障區間情況，及時反映和處理從而達到選線功能。該系統可以遠程實時監控動作情況，根據現場情況控制器可間隔20s (20s-99s可調)控制真空斷路器合閘相分閘，若是瞬時故障且已消失，則設備不再動作；若為永久性故障，則真空斷路器再次將故障相合閘。待故障線路切除后設備可由中央控制室遠程復位，并使故障相接地，將弧光接地變成金屬性接地，以達到徹底消除弧光的目的。系統采用移開式真空斷路器，可以重復多次使用，不用更換相關部件，降低了運行成本。如圖2所示為信號采集模塊、處理與控制模塊的硬件結構所示，主要由數據采集和處理、數據存儲器和程序存儲器、數據通訊、液晶顯示、時鐘電路、鍵盤按鍵、報警控制等部分。該系統主要應用于三相三線制的高壓配電系統中，A、C兩相電壓、電流信號通過電壓互感器和電流互感器采集進來，再轉換為-5V +5V的電壓信號，然后通過抗混疊濾波電路濾除造成混疊的高次諧波，再通過四路同時采樣的A/D轉換器MAX125轉換成數字信號，送入DSP進行處理，CPLD是可編程邏輯器件，完成數字電路的譯碼、接口任務等。處理結果可以通過串行通訊口與上位PC機或遠程終端進行通訊。另外，系統還可根據鍵盤按鍵的輸入不同，完成在液晶顯示器LCD上的功率、功率因數、諧波畸變率和諧波的實時顯示、超限數據顯示，以及進行參數設定和數據查找功能。系統針對其應用環境，進行抗干擾設計，具有高可靠性，在苛刻的工作條件下，系統仍能正確工作。
在系統軟件上，主要是完成系統初始化，執行應用系統的算法函數模塊和數據采樣模塊、FFT算法模塊、顯示模塊、通訊模塊、弧光接地判別和消弧動作控制等。算法函數模塊進行有效值計算、功率及功率因數計算、總諧波畸變率計算、單次諧波含有率計算以及和允許值進行比較確定是否超限的計算、弧光接地判別和弧光消除控制
算法等。系統軟件由主程序和采樣中斷服務程序兩大部分構成。主程序的主體是:每一次定時器溢出時進入采樣中斷服務程序，采集到新的數據之后，在主程序中將數據刷新，然后重新計算電壓模擬量的有效值并作為判斷的依據和相應處理，處理完畢后等待下一次定時器溢出，周而復始，不斷的循環。采樣中斷服務程序每隔一個采樣時間觸發一次，每個周期采樣12個點，在中斷服務程序中完成三相電壓以及靈虛電壓的采集和A/D轉換。在主程序中，根據半周積分算法將各個交流信號的最大值和有效值計算出來，然后判斷是否有過電壓產生，并作出相應的處理。為了實現本發明的發明目的，本發明實施例還提供了一種電網實時監控方法，其方法流程如圖3所示:S101.進行系統初始化,初始化內容包括:寄存器、初始化、中斷矢量表初始化、DSP串口初始化、A/D初始化、液晶初始化、時鐘初始化、變量的定義和初始化值設定、設置各數據存放的首地址、密碼、報警復位、電量標準等。S102.采用12位高速A/D，對電流及電壓通道進行實時交流采樣，并進行放大濾波。數據采集遵從這樣的原則:(I)數據采集按照等間隔的時間間隔定時執行；(2)計算在它所要處理的數據采集完成以后執行，但又不能因為執行當前計算而打斷當前正在進行的下一組數據的采集，即計算不能和實時數據采集沖突。另外，采樣長度的選擇與頻率分辨率的確定。首先要保證能反映信號的全貌，滿足采樣定理的要求，對周期信號，理論上采集一個周期信號就可以了。在此用固定的采樣頻率25.6kHz進行高密度采樣，采樣中斷時間由DSP的片內定時器完成。這里我們采集I個半周期以上，保證有2個過零點，以便選出整周期信號。對于50Hz周期信號一周期剛好512點，再均勻甩點。因為FFT是采用一周期2的整數次地計算出信號周期，根據周期進行插值運算和篩選，取得256點數據進行FFT計算。這種方法與硬件鎖相環技術實現的倍頻采樣相比，降低了硬件設計成本；和軟件測量電網頻率，再確定下一周期信號的采樣時間的方法相比，能更實時地跟蹤電網頻率的變化。S103.對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，則控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。系統通過零序電壓與線路零序電流的相關性，判別故障區間，若本系統的保護范圍內發生弧光接地故障，則立即進行處理，若是上段用戶或母線發生故障，系統報警但不發出消弧動作，用戶可以根據故障區間情況，及時反映和處理從而達到選線功能。電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，諧波消除裝置投入工作，對波電流諧波進行消除。同時，監測系統是否發生弧光接地，若滿足條件，則控制相應的真空斷路器閉合，消除弧光。系統可以遠程實時監控動作情況，根據現場情況控制器可間隔20s(20s-99s可調)控制真空斷路器合閘相分閘，若是瞬時故障且已消失，則設備不再動作；若為永久性故障，則真空斷路器再次將故障相合閘。待故障線路切除后設備可由中央控制室遠程復位，并使故障相接地，將弧光接地變成金屬性接地，以達到徹底消除弧光的目的。系統采用移開式真空斷路器，可以重復多次使用，不用更換相關部件，降低了運行成本。本發明實施例通過提供一種電網實時監控系統及方法，使得在出現弧光接地時，通過對相電壓及零序電壓的檢測分析，在IOms之內判別出故障相，并向真空斷路器發出合閘命令，真空斷路器操作機構在20ms之內動作，將故障相與接地網直接連接，系統在30ms之內將弧光接地快速轉化為金屬性接地，并保證系統在故障情況下運行2小時以上。同時，系統還具備諧波在線監測功能，實時分析、顯示電流諧波分量，電流諧波分量超出閾值時相應的斷路器輸出閉合，控制諧波補償系統的投入，可廣泛用于電力系統的變電所或發電廠以及冶金、礦山、石化等企業的供電系統，對提高系統供電可靠性及安全運行有明顯的效果。可實現的功能包括:判別金屬接地、弧光接地、PT斷線、PT諧振、系統諧振及電流諧波的異常事件；線路單相弧光接地發生后，分相消弧輸出繼電器閉合，控制斷路器動作，使故障相接地，將弧光接地變成金屬性接地，以消除弧光；實現電流諧波的在線監測與補償；對發生接地、PT斷線、PT諧振、系統諧振及電流諧時，產生報警信號；判別母線接地和線路接地，對于線路弧光接地，消弧輸出動作，對于母線接地，則消弧輸出不動作；具有RS485通訊接口，采用Modebus通訊規約，能夠配合各種RTU和主站系統；可查詢最近50條事件記錄，記錄內容包括故障類型，發生時間，故障發生時的系統狀態數據等。本發明所屬領域的一般技術人員可以理解，本發明以上實施例僅為本發明的優選實施例之一，為篇幅限制，這里不能逐一列舉所有實施方式，任何可以體現本發明權利要求技術方案的實施，都在本發明的保護范圍內。需要注意的是，以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限于此，在本發明的上述指導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形同在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種電網實時監控系統,其特征在于,所述系統包括: 信號采集模塊，用來對電流及電壓通道進行實時交流采樣； 信號調理器，用來通過抗混疊濾波電路濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號； 處理與控制模塊，用來對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述信號采集模塊包括互感器，用來采集A、C兩相電壓、電流信號。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述系統還包括: 顯示模塊，用來進行功率、功率因數、諧波畸變率和/或諧波的實時顯示、和/或超限數據顯示。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述系統還包括: 輸入模塊，用來進行顯示輸出參數的設定。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的系統，其特征在于，所述系統還包括: 通訊模塊，用來與外部在線遠程控制系統或諧波補償系統進行實時電網數據的交換。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述系統還包括: 報警模塊，用來當故障發生時，進行報警。
7.—種電網實時監控方法，其特征在于，所述方法包括: 對電流及電壓通道進行實時交流信號采樣； 通過抗混疊濾波電路對所述交流信號進行濾波，濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號; 對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限、若超限，則發出報警信號，若電流諧波過大，則消諧繼電器閉合輸出，控制諧波消除裝置對電流諧波進行消除，和/或判別P T的輔助二次繞組輸出信號是否由低電平變成高電平，并對輸出信號進行分析，判斷是否發生弧光接地故障，當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或閉合。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述將計算結果和允許值進行比較確定是否出現故障具體包括: 通過零序電壓與線路零序電流的相關性，判別故障區間。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述當故障發生時發出控制命令控制斷路器合閘或斷路器閉合具體包括: 若系統保護范圍內發生弧光接地故障，則立即進行處理，若是上段用戶或母線發生故障，系統報警但不發出消弧動作。
全文摘要
本發明實施例公開了一種電網實時監控系統及方法，用于電網控制技術領域，所述系統包括信號采集模塊，用來對電流及電壓通道進行實時交流采樣；信號調理器，用來通過抗混疊濾波電路濾除造成混疊的高次諧波得到濾波信號；處理與控制模塊，用來對所述濾波信號進行計算，得出三相電壓、零序電壓及電流的有效值、功率及功率因數、總諧波畸變率及單次諧波含有率，并將計算結果和允許值進行比較確定是否超限，若超限，則發出報警信號，控制進行消除電流諧波或弧光接地故障。可廣泛用于電力系統的變電所或發電廠以及冶金、礦山、石化等企業的供電系統，對提高系統供電可靠性及安全運行有明顯的效果。
文檔編號H02J3/01GK103208800SQ201210007968
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者王羽中, 許峰, 張莉, 張寶奇 申請人:上海翱辰電氣科技有限公司