專利名稱：電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流(簡稱GIC)監(jiān)測方法及裝置，用于地磁暴在輸電線路引發(fā)的GIC監(jiān)測。
背景技術(shù)：
太陽活動引起的地球磁場劇烈變化稱地磁暴或磁暴。磁暴在輸電線路引發(fā)的GIC對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有很大的影響。以前我國電網(wǎng)以省、大區(qū)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，長距離輸電線路少，因此磁暴的影響問題并不突出。近年，隨著西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)大系統(tǒng)的建設(shè)，很多長距離輸電系統(tǒng)都發(fā)現(xiàn)了GIC的影響，因此迫切需要一種能測量、記錄電網(wǎng)GIC的裝置，為電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行、監(jiān)視提供有效手段。
在國家自然基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號50477039)資助下，課題組在研究GIC對我國電網(wǎng)的影響問題。由于GIC是我國長距離輸電系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的新問題，因此目前國內(nèi)市場上還沒有能監(jiān)測電網(wǎng)GIC的裝置；美國電科院1993年開發(fā)的15通道GIC監(jiān)測裝置，采用間隔5秒鐘記錄一次數(shù)據(jù)的方法，硬盤使用12小時(shí)即被充滿，不得不以降低精度為代價(jià)延長采集間隔時(shí)間。因此，電網(wǎng)GIC監(jiān)測方法需要研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電網(wǎng)GIC監(jiān)測方法及裝置。本發(fā)明根據(jù)電網(wǎng)GIC的特征，開創(chuàng)一種新的電網(wǎng)GIC監(jiān)測方法；提供一種多功能、高精度的GIC監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)輸電線、變壓器GIC的準(zhǔn)確測量。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所述的電網(wǎng)GIC監(jiān)測方法，對原始采集信號先采用數(shù)字式濾波技術(shù)消除噪聲，然后依據(jù)電網(wǎng)GIC閾值和磁暴特征作為啟動及分析處理判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)GIC波形錄制和數(shù)據(jù)記錄。具體信號采集和處理如下1、采用兩只磁通門傳感器采集輸電線路的GIC；采用霍爾傳感器采集變壓器中性點(diǎn)的GIC；對電網(wǎng)GIC產(chǎn)生的諧波和引起的功率變化分析，采用霍爾傳感器采集互感器的二次電壓、電流。
2、對變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC信號的監(jiān)測，以電網(wǎng)GIC閾值作為錄波啟動判據(jù)，依據(jù)對電網(wǎng)GIC隨機(jī)性、“準(zhǔn)直流”、持續(xù)時(shí)間長特征的分析，錄制磁暴在電網(wǎng)產(chǎn)生的GIC波形和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波、功率變化的分析。
3、在變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC采集和互感器二次電壓、電流采集上，采用16路同步采集卡實(shí)現(xiàn)同步采樣；對變壓器、輸電線路原始采集信號處理，采用了常用的軟件數(shù)字濾波技術(shù)消除噪聲。
本發(fā)明所述監(jiān)測方法中的信號提取方法通過硬件體現(xiàn)，而監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和具體功能的實(shí)現(xiàn)，則通過裝置的軟件具體體現(xiàn)。
本發(fā)明的裝置主要包括信號采集傳感器、同步信號采集卡和工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分。對電網(wǎng)GIC信號提取方法，是采用雙磁通門傳感器采集輸電線路的GIC，采用霍爾傳感器采集變壓器中性點(diǎn)的GIC，以避免普通電磁式傳感器飽和帶來的測量誤差和解決從高壓電網(wǎng)提取信號困難的問題；而對測量電網(wǎng)GIC產(chǎn)生的諧波和引起的功率變化，采用霍爾傳感器采集互感器的二次電壓、電流方法計(jì)算，以提高采集精度和降低裝置制造成本。
本發(fā)明采用磁通門傳感器、霍爾傳感器采集的輸電線路和變壓器電壓、電流信號，采用屏蔽電纜接入信號調(diào)理板；信號調(diào)理板采用扁平電纜接16路同步采集卡；同步采集卡采用USB接口與系統(tǒng)工控計(jì)算機(jī)相連接；工控計(jì)算機(jī)采用電話撥號方式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心的信息傳輸。
在變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC采集和互感器二次電壓、電流采集上，采用16路通道同步采集卡實(shí)現(xiàn)對信號的同步采樣。
本發(fā)明裝置功能包括變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC錄波與分析，GIC在輸電線路、變壓器產(chǎn)生的諧波電流、電壓和引起的有功、無功功率變化分析，以及電網(wǎng)GIC與諧波電流越限報(bào)警等多種監(jiān)測功能。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明監(jiān)測方法能有效地測量GIC這種隨機(jī)性、“準(zhǔn)直流”、持續(xù)時(shí)間長的干擾信號，以及直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)流入變壓器的直流偏磁電流；本發(fā)明監(jiān)測方法具有數(shù)據(jù)處理量少、節(jié)約存儲空間等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所述裝置通過16路同步采集通道，能同時(shí)采集變電站兩臺變壓器中性點(diǎn)電流和高低壓電壓、電流，以及3條輸電線路電壓、電流。與國外的同類裝置相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了與GIC相關(guān)監(jiān)測量的集成，因此裝置具有功能多的特點(diǎn)；并且采集精度高、制造成本低。


圖1是本發(fā)明所述監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)采集處理主程序流程圖；圖2是本發(fā)明所述監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)采集子程序流程圖；圖3是本發(fā)明所述GIC監(jiān)測裝置的軟件總體結(jié)構(gòu)；圖4是本發(fā)明所述GIC監(jiān)測裝置的硬件總體結(jié)構(gòu)；圖5是本發(fā)明所述GIC監(jiān)測裝置的一幅監(jiān)測波形分析界面。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合磁暴和電網(wǎng)GIC的特征對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
太陽活動產(chǎn)生的磁暴是一種自然災(zāi)害，對包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的很多現(xiàn)代人工技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，如石油與天然氣管道、通信線路等都有一系列的有害影響。由于太陽活動的不可抗拒性，因此電網(wǎng)的GIC與磁暴變化具有相同的特征隨機(jī)發(fā)生，變化頻率在0.001～0.1Hz的范圍內(nèi)，持續(xù)時(shí)間幾十分鐘到幾十小時(shí)不等。在地磁學(xué)中，按K指數(shù)的大小，將磁暴分為三級K＝5，6為中常磁暴；Kp＝7，8為中烈磁暴；Kp＝9為強(qiáng)磁暴。通常強(qiáng)磁暴才可能對電網(wǎng)造成有害的影響。
因此，由于電網(wǎng)GIC的隨機(jī)性、“準(zhǔn)直流”、持續(xù)時(shí)間長，采用一般的實(shí)時(shí)采集與記錄方法必然數(shù)據(jù)量大，無效數(shù)據(jù)會浪費(fèi)大量存儲空間；采用電力系統(tǒng)故障錄波裝置中的突變量啟動方法也不適用，因?yàn)椤皽?zhǔn)直流”性質(zhì)的GIC信號變化緩慢；因此，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理是解決GIC監(jiān)測問題的關(guān)鍵。
本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)采集與處理主程序模塊如圖1所示。監(jiān)測裝置上電后，數(shù)據(jù)采集處理主程序啟動，經(jīng)過采集卡初始化和建立主機(jī)通信過程后，自動進(jìn)入數(shù)據(jù)采集子程序；如有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等中斷請求，則執(zhí)行相關(guān)中斷請求。本發(fā)明數(shù)據(jù)采集方法的實(shí)現(xiàn)如圖2所示，其關(guān)鍵技術(shù)及過程如下在臨時(shí)存儲區(qū)記錄設(shè)定時(shí)間(如圖2為t)GIC數(shù)據(jù)，然后依據(jù)事先設(shè)定的直流電流閾值進(jìn)行判斷，如果出現(xiàn)越限則進(jìn)入下一步，否則將臨時(shí)存儲區(qū)清零；如果進(jìn)入下一步，則利用電網(wǎng)GIC的“準(zhǔn)直流”、持續(xù)時(shí)間長的特征做進(jìn)一步的判斷，圖2中采用了最簡單的計(jì)數(shù)器方法來記錄時(shí)間，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間則保存臨時(shí)存儲區(qū)數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警信號；從而實(shí)現(xiàn)對有效監(jiān)測信號的連續(xù)存儲。因此，本發(fā)明采用的方法不僅簡單，并且能準(zhǔn)確捕捉、記錄和存儲電網(wǎng)的GIC；同時(shí)，方法對測量直流輸電單極運(yùn)行時(shí)進(jìn)入變壓器的直流偏磁電流同樣有效。
對于信號采集采樣率和采集時(shí)間間隔的選擇，本發(fā)明中對變壓器和輸電線路的電流、電壓均采用連續(xù)6個(gè)周波(120ms)、每周波64點(diǎn)采樣(國標(biāo)GB/T14549-1993對諧波分析次數(shù)規(guī)定為1～19次)，一次采集時(shí)間間隔為5秒鐘(也可設(shè)定)；取用6個(gè)周波采樣值計(jì)算電網(wǎng)諧波和有功、無功功率，目的在于減小電網(wǎng)頻率變化采用周波采樣引起的測量誤差；同時(shí)，通過6個(gè)周波采樣計(jì)算電網(wǎng)GIC的平均值，對GIC這種“準(zhǔn)直流”信號也能保證很高的精度。
依據(jù)圖1和圖2的程序流程圖，不難編制數(shù)據(jù)采集與處理部分的程序；有了監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用流行的通用FFT諧波分析算法和電壓、電流、功率等算法，也很容易編寫這些相關(guān)參數(shù)的分析、計(jì)算程序。本發(fā)明所述監(jiān)測裝置的應(yīng)用軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，監(jiān)測裝置整個(gè)應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)；其中，圖3中的數(shù)據(jù)采集處理模塊是本發(fā)明裝置的關(guān)鍵部分；而圖3中其它部分的軟件不難實(shí)現(xiàn)，也不難理解，因此關(guān)于軟件實(shí)現(xiàn)不再做更多的說明和解釋。
由于輸電線路電壓等級高和電磁式傳感器存在直流飽和問題，因此采用什么方法從電網(wǎng)準(zhǔn)確提取被測信號是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。對監(jiān)測變壓器中性點(diǎn)GIC，采用本裝置專用、特制的霍爾傳感器能夠保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，但對采集輸電線路的GIC，由于目前霍爾傳感器絕緣水平的限制，直接用霍爾傳感器的采集方法不可能實(shí)現(xiàn)，而從互感器二次側(cè)采集會帶來很大的飽和誤差。因此，對輸電線路的GIC信號采集，本發(fā)明采用基于雙磁通門傳感器的信號提取方法。
磁通門傳感器是數(shù)字化地震觀測臺用于監(jiān)測地磁場變化的傳感器，在沒有人工系統(tǒng)電磁場干擾的情況下，磁通門傳感器對地電場、磁場變化相當(dāng)敏感，因此有很高的測量精度；但由于變電站附近電磁場很強(qiáng)，因此采用單只磁通門傳感器測量輸電線路GIC產(chǎn)生的磁場變化沒有意義。因此，本發(fā)明采用兩只相隔一定距離的磁通門傳感器，測量輸電線路附近不同位置的磁場變化，因此兩只傳感器磁場變化的差值就是GIC流過輸電線路產(chǎn)生的磁場變化，依據(jù)GIC引起的磁場變化和法拉第電磁感應(yīng)原理，可以計(jì)算流過輸電線路產(chǎn)生的GIC，從而實(shí)現(xiàn)對輸電線路GIC的準(zhǔn)確測量。這種方法即能實(shí)現(xiàn)對輸電線路GIC的測量，并且不直接涉及電網(wǎng)的運(yùn)行設(shè)備，對電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行沒有任何影響。
本發(fā)明所述裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，裝置在結(jié)構(gòu)上雖然與一般監(jiān)測裝置沒有根本區(qū)別，但本發(fā)明所述的電網(wǎng)GIC信號提取方法、監(jiān)測方法和裝置功能，是本發(fā)明創(chuàng)新的具體體現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)；除上述信號提取方法、監(jiān)測方法關(guān)鍵創(chuàng)新外，在功能上與國外同類裝置相比，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)GIC及諧波、功率等相關(guān)電氣參數(shù)的集成測量，具有一臺裝置監(jiān)測多個(gè)相關(guān)參數(shù)的特點(diǎn)。
裝置的16路模擬量輸入通道的10路，用于采集變電站兩臺變壓器高低壓側(cè)B相電流、AC線電壓和中性點(diǎn)電流，剩余6路通道用于采集3條輸電線路的B相電流、AC線電壓；變壓器中性點(diǎn)電流信號的采集，用于錄制變壓器的GIC波形和數(shù)值；變壓器進(jìn)出線電流、電壓信號的采集，用于計(jì)算變壓器飽和產(chǎn)生的諧波和引起的有功、無功功率變化；輸電線路電流、電壓信號的采集，用于錄制GIC和計(jì)算諧波及有功功率、無功功率。裝置有8路開關(guān)量輸出通道實(shí)現(xiàn)報(bào)警。
本發(fā)明所述裝置監(jiān)測的GIC和相關(guān)量數(shù)值是分析GIC對變壓器、繼電保護(hù)及電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的重要依據(jù)。因此，本發(fā)明具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流GIC監(jiān)測方法，其特征在于采用磁通門和霍爾傳感器采集信號，以直流電流閾值和電網(wǎng)GIC特征量作啟動判據(jù)及分析判據(jù)，來錄制、記錄磁暴在電網(wǎng)產(chǎn)生的GIC；具體信號采集和處理為a、采用兩只磁通門傳感器采集輸電線路的GIC；采用霍爾傳感器采集變壓器中性點(diǎn)的GIC；對電網(wǎng)GIC產(chǎn)生的諧波和引起的功率變化分析，采用霍爾傳感器采集互感器的二次電壓、電流；b、對被采集信號的分析、處理，采用以直流電流閾值作記錄啟動判據(jù)，以電網(wǎng)GIC持續(xù)時(shí)間和“準(zhǔn)直流”特征作分析判據(jù)的方法，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)GIC信號的采集，以及電網(wǎng)諧波和有功、無功功率變化的分析；c、在變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC采集和互感器二次電壓、電流采集上，采用16路同步采集卡實(shí)現(xiàn)同步采樣；對變壓器、輸電線路原始采集信號處理，采用了常用的軟件數(shù)字濾波技術(shù)消除噪聲。
2.按照權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于采用磁通門和霍爾傳感器從電網(wǎng)采集信號；以直流電流閾值和GIC“準(zhǔn)直流”特征作啟動判據(jù)及分析判據(jù)；具有電網(wǎng)GIC錄波、諧波分析、有功與無功變化分析和GIC超限報(bào)警功能。
3.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述監(jiān)測方法的電網(wǎng)GIC監(jiān)測裝置，它包括信號采集傳感器、同步信號采集卡和工控計(jì)算機(jī)三部分；其特征在于a、采用磁通門傳感器、霍爾傳感器采集輸電線路和變壓器的電壓、電流信號，被采集信號采用屏蔽電纜接入信號調(diào)理板；b、在變壓器中性點(diǎn)、輸電線路GIC采集和互感器二次電壓、電流采集上，采用16路通道同步采集卡實(shí)現(xiàn)對信號的同步采樣；c、信號調(diào)理板采用扁平電纜接同步采集卡，同步采集卡采用USB接口與工控計(jì)算機(jī)相連接，裝置采用電話撥號方式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度中心的信息傳輸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流GIC監(jiān)測方法及裝置。其方法是采用磁通門傳感器和霍爾傳感器，分別采集輸電線路和變壓器中性點(diǎn)的GIC信號；依據(jù)直流電流閾值和GIC“準(zhǔn)直流”、持續(xù)時(shí)間長的特征作為啟動及分析判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)GIC這種隨機(jī)性、“準(zhǔn)直流”、長時(shí)間信號的測量和記錄。本發(fā)明的裝置包括信號采集傳感器、同步信號采集卡和工控計(jì)算機(jī)三部分。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于具有數(shù)據(jù)處理量少、節(jié)約存儲空間、測量精度高等特點(diǎn)。不僅僅用于電網(wǎng)GIC的監(jiān)測，對直流輸電系統(tǒng)單極－－大地方式運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入交流電網(wǎng)變壓器的直流偏磁電流檢測也同樣有效。本發(fā)明的裝置采集精度高、制造成本低。
文檔編號G01R31/00GK1632602SQ20051000248
公開日2005年6月29日 申請日期2005年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月25日
發(fā)明者劉連光, 張 浩, 張清明, 劉春明, 劉宗岐 申請人:華北電力大學(xué)(北京)