一种配电网暂态过电压监测系统的制作方法

本发明涉及一种电力系统的电压监测设备，尤其是涉及一种配电网暂态过电压监测系统。

背景技术：

过电压是导致电气设备绝缘损伤和设备故障的主要外因，尤其是雷电过电压，由于其幅值远高于电网的额定运行电压，会导致电压互感器、避雷器、变压器等设备绝缘水平降低，设备损坏，甚至爆炸，对具有绕组的电力设备如变压器、电抗器纵绝缘的危害尤为突出，造成较大经济损失和社会影响。因此，监测输电线路过电压情况对于获取真实的输电线路过电压数据、分析过电压事故、改进电网绝缘配合、改善架空线路的防雷保护措施以及保障电力系统安全运行具有重要意义。

目前对配电网的监测一般采用电压互感器，其频响带宽很难满足真实传送雷电波频谱的要求，故而其监测效果一般不好，同时，不能解决大容量数据存储与传输问题，没有具有可靠和完善的通信功能，数据采集速率和频率响应等满足不了有技术的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种配电网暂态过电压监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种配电网暂态过电压监测系统，包括中压电容分压器、滤波和采样装置以及嵌入式检测装置，其中，嵌入式检测装置包括监测芯片、内存模块、存储模块、通讯模块、时钟模块和电源模块；所述中压电容分压器从配电网中获取电压信号，该电压信号通过滤波和采样装置对电压信号进行滤波和采样后转化为数字信号进入内存模块，监测芯片对内存模块中的数字信号进行分析并保存至存储模块，所述通讯模块、时钟模块和电源模块均连接监测芯片。

进一步地，所述的中压电容分压器采用弱阻尼等电位屏蔽式电容分压器，其高压臂采用聚苯乙烯电容器，低压臂采用多个脉冲电容器同轴并联而成，高压臂末端串联阻尼电阻r1，在输出端需串联匹配电阻r2；中压电容分压器的高度为25cm，分压比为k＝300:1。

进一步地，所述的电阻r1采用100ω的无感电阻。

进一步地，所述的滤波和采样装置包括依次连接的高通滤波器和采样电路，所述高通滤波器连接中压电容分压器，所述采样电路包括一级放大子电路和滤波芯片，该滤波芯片连接监测芯片。

进一步地，所述的滤波芯片的型号为adc3221。

进一步地，所述的通讯模块的通讯方式为wifi。

进一步地，所述的监测芯片的型号为cortexm7；所述的内存模块采用64mb的ddr2；所述的存储模块采用sd卡。

进一步地，监测芯片对内存模块中的数字信号进行时域分析，如在时域内发现暂态过电压现象，则对最大采集电压的前后各5个周波进行频域分析，并将过电压数据按日期和时间命名后保存至存储模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明用于监测暂态过电压现象，当电力设备受到雷击等暂态过电压损害后，能够记录相关的波形数据作为对其损害的判断依据，从而给其它系统提供依据。因此，本发明的应用能有效减少暂态过电压对电力系统和设备造成的危害，减少设备的绝缘损坏，提高电力系统供电质量和安全可靠性。

2、发明通过中压电容分压器采样过压信号，并且采用嵌入式检测装置进行超高速采样，能分析出频率在1mhz以下的波形，真正做到分析雷电波。

3、本发明实时进行数据对比，从而确定相关的暂态电压波形和现象并记录事件发生的时间及相关波形数据，从硬件和软件两个方面采用可行抗干扰措施，提高装置的稳定性；形成的波形事件数据存储在装置的sd卡里面，方便后续通讯或者直接拷贝到计算机上进行分析。

4、本发明中压电容分压器采用弱阻尼等电位屏蔽式电容分压器，它具有良好的高低频响应，能满足内外过电压监测需要，克服了普通的电压互感器对雷电过电压的响应特性不够，不能作为过电压获取设备的缺点。

5、本发明采用滤波芯片的型号为adc3221，监测芯片的型号为cortexm7，内存模块采用64mb的ddr2，均具有功耗低，采购成本小的特点，易于本发明的大规模的生产应用，具有良好的商业性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为嵌入式检测装置的结构示意图；

图3为中压电容分压器的结构示意图；

图4为采样电路的结构示意图；

附图标记：1、中压电容分压器，2、滤波和采样装置，21、滤波芯片，3、嵌入式检测装置，31、监测芯片，32、内存模块，33、存储模块，34、通讯模块，35、时钟模块，36、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种配电网暂态过电压监测系统，其硬件部分包括中压电容分压器1、滤波和采样装置2以及嵌入式检测装置3，其中，嵌入式检测装置3包括监测芯片31、内存模块32、存储模块33、通讯模块34、时钟模块35和电源模块36。监测芯片31的型号为cortexm7；内存模块32采用64mb的ddr2；存储模块33采用sd卡；通讯模块34的通讯方式为wifi。

中压电容分压器1从配电网中获取电压信号，该电压信号通过滤波和采样装置2对电压信号进行滤波和采样后转化为数字信号进入内存模块32，监测芯片31对内存模块32中的数字信号进行分析并保存至存储模块33，所述通讯模块34、时钟模块35和电源模块36均连接监测芯片31。

如图3所示，中压电容分压器1采用弱阻尼等电位屏蔽式电容分压器，它具有良好的高低频响应，能满足内外过电压监测需要。其高压臂采用聚苯乙烯电容器c1，低压臂采用多个脉冲电容器c2同轴并联而成，为减小振荡，高压臂末端串联阻尼电阻r1，在输出端需串联匹配电阻r2，电阻r2为50ω。该分压器最高能承受50kv的过电压，按标准大气压下外绝缘爬距3kv/cm计算，分压器高度不小于17cm，本装置取25cm。中压电容分压器1分压后的电压值不能太大或太小，否则对于信号的传输和处理将较困难，此处取分压比k＝300:1。

分压器测量雷电波时波头的振荡是常见问题，为减小振荡，要求分压器具有较小的电感。但分压器电感通常总是存在，因此需考虑加合适的阻尼电阻抑制振荡。本实施例中，低压臂上的电压上升时间受高压臂时间常数c1r1控制。为减小误差，要求此时间常数不大于被测波形波头时间的1/10，如需测量1.2μs/50μs的标准雷电波，则要求c1r1≤120ns。为消除低频振荡的临界阻尼电阻为r1，为获得较小的响应时间，r1可取得小一些，根据实测，分压器电感约为1.92μh，因此计算出在高压臂中应串接的阻尼电阻r1为120ω左右，本实施例取100ω，则c1r1＝20ns<120ns，满足雷电波测量要求。此外，阻尼电阻r1应选用较大功率的无感电阻，最大功率为2.5w。

如图4所示，滤波和采样装置2包括依次连接的高通滤波器和采样电路，所述高通滤波器连接中压电容分压器1，在采集的时候滤除基波电压和低次谐波电压。所述采样电路包括一级放大子电路和滤波芯片3，该滤波芯片21连接监测芯片31。因为经过分压器分压的信号比较微弱，因此在采样电路上增加一级运放，用于对采样信号的功率进行放大，同时对采样信号的幅值进行压缩，满足采样ad要求。采样ad使用adi公司的adc3221芯片，该ad是一款16位的高速率采样芯片，其采样速率最大可以到10msps，不但满足工作需求，而且工作能耗小，采购成本低。

本实施例的的工作原理是在cortexm7芯片的时序控制下，利用中压电容分压器1获取电压信号，此电压信号经过相关的跟随电路通过高通滤波后输入到ad采样端，高速ad采样后，通过dma传输到检测装置的ddr2ram中，然后cortexm7芯片对ddr2ram中的数据进行时域分析，如在时域内发现暂态过电压现象，则对最大采集电压的前后各5个周波(200ms)进行频域分析，并保存相关数据和记录事件。

本发明的应用软件部分包括在线监测、数据分析、以及远程访问与控制三个部分。

在线监测部分实现了过电压数据提取，并通过一定的判据来监测波形参数的变化，一旦有过电压事故发生，便提取过电压数据，将过电压数据按日期和时间命名后保存至sd卡中去。

数据分析部分实现了过电压波形时域与频域分析，其中时域分析包括过电压波形再现和过电压波形参数计算，频域分析包括功率谱分析、幅度谱分析、相位谱分析、以及谐波分析。该部分由独立的线程完成，由于嵌入式系统的局限性，因此只能分析过电压前后的5个周波，分析好的结果同样存储在sd卡中。

1)过电压数据时域分析：在时域分析中需要计算的过电压波形参数包括过电压波形起始点、过电压波形峰值点、过电压峰值、波头时间、波头陡度等。

2)过电压数据频域分析：在测试技术中往往需要将时域信号变换到频域上加以分析，从频域的角度反映和揭示信号的变化规律，这种频域分析的方法又称为频谱分析法。对信号的频谱分析可以获得更多有用的信息，如求得过电压信号中的各频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而为我们对过电压分析提供依据。分析主要通过快速傅里叶变化来进行，傅里叶变化的基准频率和电网频率同步，从而不会存在高频信号时分析混叠的情况。

远程访问与控制部分包括：

1)以太网控制模块，当系统检查到网线接入后进行以太网的连接尝试，使用rtos系统中嵌入lwip协议，检查到网络连接进行本机mac地址及ip配置(未配置进行dhcp尝试)，配置成功后连接服务器，连接成功后则通信数据采用以太网通信。

2)wifi控制模块，采用本地组网通信的wi-fi模块，该模块能自建ap热点，支持从端设备接入并建立数据连接抄读装置数据、参数配置等。

综上，本实施例从硬件、软件两方面设计，开发了一种配电网暂态过电压监测系统。该系统可以监测35kv变电站10kv三相母线的瞬时过电压。通过对该系统的使用，可以记录配电网过电压发生发展过程的准确信息，为进一步研究抑制过电压方法提供实际依据，同时还可以把分析结果用于电力系统的绝缘设计等方面，具有实用价值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。