专利名称：一种电网实时监控系统及方法
技术领域：
本发明涉及电网控制技术领域，尤其涉及一种电网实时监控系统及方法。
背景技术：
我国的中压电网绝大多数是小电流接地系统，即中性点非直接接地系统，当发生单相接地故障且单相接地电流较大时，容易产生弧光接地过电压和相间短路，从而给供电设备造成了极大的危害，导致事故的发生。针对供配电系统的故障统计数据表明，单相接地故障发生的概率占66%以上。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种电网实时监控系统及方法，可以实时在线监控电网中的运行数据，并进行实时分析判别故障相，并作相应的故障处理。为了实现前述发明目的，本发明实施例还提供了一种电网实时监控系统，所述系统包括:信号采集模块，用来对电流及电压通道进行实时交流采样；信号调理器，用来通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号；处理与控制模块，用来对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。进一步优选地，所述信号采集模块包括互感器，用来采集A、C两相电压、电流信号。进一步优选地，所述系统还包括:显示模块，用来进行功率、功率因数、谐波畸变率和/或谐波的实时显示、和/或超限数据显示。进一步优选地，所述系统还包括:输入模块，用来进行显示输出参数的设定。进一步优选地，所述系统还包括:通讯模块，用来与外部在线远程控制系统或谐波补偿系统进行实时电网数据的交换。进一步优选地，所述系统还包括:报警模块，用来当故障发生时，进行报警。为了实现本发明的发明目的，本发明实施例还提供了一种电网实时监控方法，所述方法包括:
对电流及电压通道进行实时交流信号采样；通过抗混叠滤波电路对所述交流信号进行滤波，滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号；对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。进一步优选地，所述将计算结果和允许值进行比较确定是否出现故障具体包括:通过零序电压与线路零序电流的相关性，判别故障区间。进一步优选地，所述当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或断路器闭合具体包括:若系统保护范围内发生弧光接地故障，则立即进行处理，若是上段用户或母线发生故障，系统报警但不发出消弧动作。本发明实施例通过提供一种电网实时监控系统及方法，使得在出现弧光接地时，通过对相电压及零序电压的检测分析，在IOms之内判别出故障相，并向真空断路器发出合闸命令，真空断路器操作机构在20ms之内动作，将故障相与接地网直接连接，系统在30ms之内将弧光接地快速转化为金属性接地，并保证系统在故障情况下运行2小时以上。同时，系统还具备谐波在线监测功能，实时分析、显示电流谐波分量，电流谐波分量超出阈值时相应的断路器输出闭合，控制谐波补偿系统的投入，可广泛用于电力系统的变电所或发电厂以及冶金、矿山、石化等企业的供电系统，对提高系统供电可靠性及安全运行有明显的效果。
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。图1为本发明实施例一种电网实时监控系统组成示意图；图2为本发明实施例一种电网实时监控系统结构示意图；图3为本发明实施例一种电网实时监控方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，为本发明实施例电网实时监控系统的组成示意图，该系统包括:信号采集模块，用来对电流及电压通道进行实时交流采样；信号调理器，用来通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号；处理与控制模块，用来对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，则控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。该系统可实现消弧和谐波监测，与传统的系统相比较，其使用更加灵活。在具体实现上，系统由硬件部分和软件部分组成。整个系统由多个控制单元组成，各控制单元结构基本相同，通过RS485、CAN通信总线组成系统，系统通过总线实现了数据共享，进行集中远程控制，并预留了与其它系统，如集中控制系统、故障处理系统的数据交换端口，用户可方便地通过菜单操作方式设定、修改参数和逻辑；同时系统可自检并对自身故障进行报警。在系统硬件上，系统硬件部分主要包括信号采集模块、电压互感器、断路器、隔离开关、组合式过电压保护器、处理与控制模块等部分。信号采集模块配置在前端，采用高精度的电压与电流信号交流采样电路。系统采用高速数字信号处理器(DSP) +32位高性能RAM处理器的双CPU设计。一个处理器用于实时交流采样及高速处理，对信号实时进行处理与频域分析，另一个处理器用于系统控制及人机交互，保证了系统的处理及响应速度。断路器采用三相三机构真空断路器，每相有一组单独的操作机构，利用电子控制，可实现单相快速分合闸。断路器的一端分别接至母线，另一端直接接地。正常运行时，真空断路器三相均处于断开状态，断路器中各相操作机构之间相互闭锁受控制器单相合闸。当判别出故障相后，分相控制一组断路器，使故障相接地，将弧光接地变成金属性接地，以达到彻底消除弧光的目的。系统通过零序电压与线路零序电流的相关性，判别故障区间，若本系统的保护范围内发生弧光接地故障，则立即进行处理，若是上段用户或母线发生故障，系统报警但不发出消弧动作，用户可以根据故障区间情况，及时反映和处理从而达到选线功能。该系统可以远程实时监控动作情况，根据现场情况控制器可间隔20s (20s-99s可调)控制真空断路器合闸相分闸，若是瞬时故障且已消失，则设备不再动作；若为永久性故障，则真空断路器再次将故障相合闸。待故障线路切除后设备可由中央控制室远程复位，并使故障相接地，将弧光接地变成金属性接地，以达到彻底消除弧光的目的。系统采用移开式真空断路器，可以重复多次使用，不用更换相关部件，降低了运行成本。如图2所示为信号采集模块、处理与控制模块的硬件结构所示，主要由数据采集和处理、数据存储器和程序存储器、数据通讯、液晶显示、时钟电路、键盘按键、报警控制等部分。该系统主要应用于三相三线制的高压配电系统中，A、C两相电压、电流信号通过电压互感器和电流互感器采集进来，再转换为-5V +5V的电压信号，然后通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波，再通过四路同时采样的A/D转换器MAX125转换成数字信号，送入DSP进行处理，CPLD是可编程逻辑器件，完成数字电路的译码、接口任务等。处理结果可以通过串行通讯口与上位PC机或远程终端进行通讯。另外，系统还可根据键盘按键的输入不同，完成在液晶显示器LCD上的功率、功率因数、谐波畸变率和谐波的实时显示、超限数据显示，以及进行参数设定和数据查找功能。系统针对其应用环境，进行抗干扰设计，具有高可靠性，在苛刻的工作条件下，系统仍能正确工作。
在系统软件上，主要是完成系统初始化，执行应用系统的算法函数模块和数据采样模块、FFT算法模块、显示模块、通讯模块、弧光接地判别和消弧动作控制等。算法函数模块进行有效值计算、功率及功率因数计算、总谐波畸变率计算、单次谐波含有率计算以及和允许值进行比较确定是否超限的计算、弧光接地判别和弧光消除控制
算法等。系统软件由主程序和采样中断服务程序两大部分构成。主程序的主体是:每一次定时器溢出时进入采样中断服务程序，采集到新的数据之后，在主程序中将数据刷新，然后重新计算电压模拟量的有效值并作为判断的依据和相应处理，处理完毕后等待下一次定时器溢出，周而复始，不断的循环。采样中断服务程序每隔一个采样时间触发一次，每个周期采样12个点，在中断服务程序中完成三相电压以及灵虚电压的采集和A/D转换。在主程序中，根据半周积分算法将各个交流信号的最大值和有效值计算出来，然后判断是否有过电压产生，并作出相应的处理。为了实现本发明的发明目的，本发明实施例还提供了一种电网实时监控方法，其方法流程如图3所示:S101.进行系统初始化,初始化内容包括:寄存器、初始化、中断矢量表初始化、DSP串口初始化、A/D初始化、液晶初始化、时钟初始化、变量的定义和初始化值设定、设置各数据存放的首地址、密码、报警复位、电量标准等。S102.采用12位高速A/D，对电流及电压通道进行实时交流采样，并进行放大滤波。数据采集遵从这样的原则:(I)数据采集按照等间隔的时间间隔定时执行；(2)计算在它所要处理的数据采集完成以后执行，但又不能因为执行当前计算而打断当前正在进行的下一组数据的采集，即计算不能和实时数据采集冲突。另外，采样长度的选择与频率分辨率的确定。首先要保证能反映信号的全貌，满足采样定理的要求，对周期信号，理论上采集一个周期信号就可以了。在此用固定的采样频率25.6kHz进行高密度采样，采样中断时间由DSP的片内定时器完成。这里我们采集I个半周期以上，保证有2个过零点，以便选出整周期信号。对于50Hz周期信号一周期刚好512点，再均匀甩点。因为FFT是采用一周期2的整数次地计算出信号周期，根据周期进行插值运算和筛选，取得256点数据进行FFT计算。这种方法与硬件锁相环技术实现的倍频采样相比，降低了硬件设计成本；和软件测量电网频率，再确定下一周期信号的采样时间的方法相比，能更实时地跟踪电网频率的变化。S103.对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，则控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。系统通过零序电压与线路零序电流的相关性，判别故障区间，若本系统的保护范围内发生弧光接地故障，则立即进行处理，若是上段用户或母线发生故障，系统报警但不发出消弧动作，用户可以根据故障区间情况，及时反映和处理从而达到选线功能。电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，谐波消除装置投入工作，对波电流谐波进行消除。同时，监测系统是否发生弧光接地，若满足条件，则控制相应的真空断路器闭合，消除弧光。系统可以远程实时监控动作情况，根据现场情况控制器可间隔20s(20s-99s可调)控制真空断路器合闸相分闸，若是瞬时故障且已消失，则设备不再动作；若为永久性故障，则真空断路器再次将故障相合闸。待故障线路切除后设备可由中央控制室远程复位，并使故障相接地，将弧光接地变成金属性接地，以达到彻底消除弧光的目的。系统采用移开式真空断路器，可以重复多次使用，不用更换相关部件，降低了运行成本。本发明实施例通过提供一种电网实时监控系统及方法，使得在出现弧光接地时，通过对相电压及零序电压的检测分析，在IOms之内判别出故障相，并向真空断路器发出合闸命令，真空断路器操作机构在20ms之内动作，将故障相与接地网直接连接，系统在30ms之内将弧光接地快速转化为金属性接地，并保证系统在故障情况下运行2小时以上。同时，系统还具备谐波在线监测功能，实时分析、显示电流谐波分量，电流谐波分量超出阈值时相应的断路器输出闭合，控制谐波补偿系统的投入，可广泛用于电力系统的变电所或发电厂以及冶金、矿山、石化等企业的供电系统，对提高系统供电可靠性及安全运行有明显的效果。可实现的功能包括:判别金属接地、弧光接地、PT断线、PT谐振、系统谐振及电流谐波的异常事件；线路单相弧光接地发生后，分相消弧输出继电器闭合，控制断路器动作，使故障相接地，将弧光接地变成金属性接地，以消除弧光；实现电流谐波的在线监测与补偿；对发生接地、PT断线、PT谐振、系统谐振及电流谐时，产生报警信号；判别母线接地和线路接地，对于线路弧光接地，消弧输出动作，对于母线接地，则消弧输出不动作；具有RS485通讯接口，采用Modebus通讯规约，能够配合各种RTU和主站系统；可查询最近50条事件记录，记录内容包括故障类型，发生时间，故障发生时的系统状态数据等。本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，在本发明的上述指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形同在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种电网实时监控系统,其特征在于,所述系统包括: 信号采集模块，用来对电流及电压通道进行实时交流采样； 信号调理器，用来通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号； 处理与控制模块，用来对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块包括互感器，用来采集A、C两相电压、电流信号。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 显示模块，用来进行功率、功率因数、谐波畸变率和/或谐波的实时显示、和/或超限数据显示。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 输入模块，用来进行显示输出参数的设定。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 通讯模块，用来与外部在线远程控制系统或谐波补偿系统进行实时电网数据的交换。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 报警模块，用来当故障发生时，进行报警。
7.—种电网实时监控方法，其特征在于，所述方法包括: 对电流及电压通道进行实时交流信号采样； 通过抗混叠滤波电路对所述交流信号进行滤波，滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号; 对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限、若超限，则发出报警信号，若电流谐波过大，则消谐继电器闭合输出，控制谐波消除装置对电流谐波进行消除，和/或判别P T的辅助二次绕组输出信号是否由低电平变成高电平，并对输出信号进行分析，判断是否发生弧光接地故障，当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或闭合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将计算结果和允许值进行比较确定是否出现故障具体包括: 通过零序电压与线路零序电流的相关性，判别故障区间。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述当故障发生时发出控制命令控制断路器合闸或断路器闭合具体包括: 若系统保护范围内发生弧光接地故障，则立即进行处理，若是上段用户或母线发生故障，系统报警但不发出消弧动作。
全文摘要
本发明实施例公开了一种电网实时监控系统及方法，用于电网控制技术领域，所述系统包括信号采集模块，用来对电流及电压通道进行实时交流采样；信号调理器，用来通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波得到滤波信号；处理与控制模块，用来对所述滤波信号进行计算，得出三相电压、零序电压及电流的有效值、功率及功率因数、总谐波畸变率及单次谐波含有率，并将计算结果和允许值进行比较确定是否超限，若超限，则发出报警信号，控制进行消除电流谐波或弧光接地故障。可广泛用于电力系统的变电所或发电厂以及冶金、矿山、石化等企业的供电系统，对提高系统供电可靠性及安全运行有明显的效果。
文档编号H02J3/01GK103208800SQ201210007968
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者王羽中, 许峰, 张莉, 张宝奇 申请人:上海翱辰电气科技有限公司