電網地磁感應電流監測方法及裝置的製作方法
2023-09-27 07:16:25
專利名稱：電網地磁感應電流監測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統的監測技術領域，特別是提供了一種電網地磁感應電流(簡稱GIC)監測方法及裝置，用於地磁暴在輸電線路引發的GIC監測。
背景技術：
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的GIC對電力系統安全運行有很大的影響。以前我國電網以省、大區電網為基礎，長距離輸電線路少，因此磁暴的影響問題並不突出。近年，隨著西電東送、全國聯網大系統的建設，很多長距離輸電系統都發現了GIC的影響，因此迫切需要一種能測量、記錄電網GIC的裝置，為電網設備的運行、監視提供有效手段。
在國家自然基金項目(批准號50477039)資助下，課題組在研究GIC對我國電網的影響問題。由於GIC是我國長距離輸電系統發現的新問題，因此目前國內市場上還沒有能監測電網GIC的裝置；美國電科院1993年開發的15通道GIC監測裝置，採用間隔5秒鐘記錄一次數據的方法，硬碟使用12小時即被充滿，不得不以降低精度為代價延長採集間隔時間。因此，電網GIC監測方法需要研究。
發明內容
本發明的目的在於提供一種電網GIC監測方法及裝置。本發明根據電網GIC的特徵，開創一種新的電網GIC監測方法；提供一種多功能、高精度的GIC監測裝置，實現了對電網輸電線、變壓器GIC的準確測量。
本發明通過下述技術方案予以實現。
本發明所述的電網GIC監測方法，對原始採集信號先採用數字式濾波技術消除噪聲，然後依據電網GIC閾值和磁暴特徵作為啟動及分析處理判據，實現對電網GIC波形錄製和數據記錄。具體信號採集和處理如下1、採用兩隻磁通門傳感器採集輸電線路的GIC；採用霍爾傳感器採集變壓器中性點的GIC；對電網GIC產生的諧波和引起的功率變化分析，採用霍爾傳感器採集互感器的二次電壓、電流。
2、對變壓器中性點、輸電線路GIC信號的監測，以電網GIC閾值作為錄波啟動判據，依據對電網GIC隨機性、「準直流」、持續時間長特徵的分析，錄製磁暴在電網產生的GIC波形和實現電網諧波、功率變化的分析。
3、在變壓器中性點、輸電線路GIC採集和互感器二次電壓、電流採集上，採用16路同步採集卡實現同步採樣；對變壓器、輸電線路原始採集信號處理，採用了常用的軟體數字濾波技術消除噪聲。
本發明所述監測方法中的信號提取方法通過硬體體現，而監測方法的數據採集、分析、處理和具體功能的實現，則通過裝置的軟體具體體現。
本發明的裝置主要包括信號採集傳感器、同步信號採集卡和工控計算機系統三部分。對電網GIC信號提取方法，是採用雙磁通門傳感器採集輸電線路的GIC，採用霍爾傳感器採集變壓器中性點的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提取信號困難的問題；而對測量電網GIC產生的諧波和引起的功率變化，採用霍爾傳感器採集互感器的二次電壓、電流方法計算，以提高採集精度和降低裝置製造成本。
本發明採用磁通門傳感器、霍爾傳感器採集的輸電線路和變壓器電壓、電流信號，採用屏蔽電纜接入信號調理板；信號調理板採用扁平電纜接16路同步採集卡；同步採集卡採用USB接口與系統工控計算機相連接；工控計算機採用電話撥號方式組網，實現與電網調度中心的信息傳輸。
在變壓器中性點、輸電線路GIC採集和互感器二次電壓、電流採集上，採用16路通道同步採集卡實現對信號的同步採樣。
本發明裝置功能包括變壓器中性點、輸電線路GIC錄波與分析，GIC在輸電線路、變壓器產生的諧波電流、電壓和引起的有功、無功功率變化分析，以及電網GIC與諧波電流越限報警等多種監測功能。
本發明的優點在於本發明監測方法能有效地測量GIC這種隨機性、「準直流」、持續時間長的幹擾信號，以及直流輸電系統單極運行時流入變壓器的直流偏磁電流；本發明監測方法具有數據處理量少、節約存儲空間等優點。
本發明所述裝置通過16路同步採集通道，能同時採集變電站兩臺變壓器中性點電流和高低壓電壓、電流，以及3條輸電線路電壓、電流。與國外的同類裝置相比，本發明實現了與GIC相關監測量的集成，因此裝置具有功能多的特點；並且採集精度高、製造成本低。
圖1是本發明所述監測方法的數據採集處理主程序流程圖；圖2是本發明所述監測方法的數據採集子程序流程圖；圖3是本發明所述GIC監測裝置的軟體總體結構；圖4是本發明所述GIC監測裝置的硬體總體結構；圖5是本發明所述GIC監測裝置的一幅監測波形分析界面。
具體實施例方式
下面結合磁暴和電網GIC的特徵對本發明作進一步的描述。
太陽活動產生的磁暴是一種自然災害，對包括電力系統在內的很多現代人工技術網絡，如石油與天然氣管道、通信線路等都有一系列的有害影響。由於太陽活動的不可抗拒性，因此電網的GIC與磁暴變化具有相同的特徵隨機發生，變化頻率在0.001～0.1Hz的範圍內，持續時間幾十分鐘到幾十小時不等。在地磁學中，按K指數的大小，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為強磁暴。通常強磁暴才可能對電網造成有害的影響。
因此，由於電網GIC的隨機性、「準直流」、持續時間長，採用一般的實時採集與記錄方法必然數據量大，無效數據會浪費大量存儲空間；採用電力系統故障錄波裝置中的突變量啟動方法也不適用，因為「準直流」性質的GIC信號變化緩慢；因此，如何實現數據的採集與處理是解決GIC監測問題的關鍵。
本發明所述的數據採集與處理主程序模塊如圖1所示。監測裝置上電後，數據採集處理主程序啟動，經過採集卡初始化和建立主機通信過程後，自動進入數據採集子程序；如有數據傳輸、數據處理等中斷請求，則執行相關中斷請求。本發明數據採集方法的實現如圖2所示，其關鍵技術及過程如下在臨時存儲區記錄設定時間(如圖2為t)GIC數據，然後依據事先設定的直流電流閾值進行判斷，如果出現越限則進入下一步，否則將臨時存儲區清零；如果進入下一步，則利用電網GIC的「準直流」、持續時間長的特徵做進一步的判斷，圖2中採用了最簡單的計數器方法來記錄時間，當達到設定的時間則保存臨時存儲區數據並發出報警信號；從而實現對有效監測信號的連續存儲。因此，本發明採用的方法不僅簡單，並且能準確捕捉、記錄和存儲電網的GIC；同時，方法對測量直流輸電單極運行時進入變壓器的直流偏磁電流同樣有效。
對於信號採集採樣率和採集時間間隔的選擇，本發明中對變壓器和輸電線路的電流、電壓均採用連續6個周波(120ms)、每周波64點採樣(國標GB/T14549-1993對諧波分析次數規定為1～19次)，一次採集時間間隔為5秒鐘(也可設定)；取用6個周波採樣值計算電網諧波和有功、無功功率，目的在於減小電網頻率變化採用周波採樣引起的測量誤差；同時，通過6個周波採樣計算電網GIC的平均值，對GIC這種「準直流」信號也能保證很高的精度。
依據圖1和圖2的程序流程圖，不難編制數據採集與處理部分的程序；有了監測數據，採用流行的通用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參數的分析、計算程序。本發明所述監測裝置的應用軟體總體結構如圖3所示，監測裝置整個應用軟體採用模塊化設計；其中，圖3中的數據採集處理模塊是本發明裝置的關鍵部分；而圖3中其它部分的軟體不難實現，也不難理解，因此關於軟體實現不再做更多的說明和解釋。
由於輸電線路電壓等級高和電磁式傳感器存在直流飽和問題，因此採用什麼方法從電網準確提取被測信號是保證測量結果準確度的關鍵。對監測變壓器中性點GIC，採用本裝置專用、特製的霍爾傳感器能夠保證測量結果準確，但對採集輸電線路的GIC，由於目前霍爾傳感器絕緣水平的限制，直接用霍爾傳感器的採集方法不可能實現，而從互感器二次側採集會帶來很大的飽和誤差。因此，對輸電線路的GIC信號採集，本發明採用基於雙磁通門傳感器的信號提取方法。
磁通門傳感器是數位化地震觀測臺用於監測地磁場變化的傳感器，在沒有人工系統電磁場幹擾的情況下，磁通門傳感器對地電場、磁場變化相當敏感，因此有很高的測量精度；但由於變電站附近電磁場很強，因此採用單只磁通門傳感器測量輸電線路GIC產生的磁場變化沒有意義。因此，本發明採用兩隻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，因此兩隻傳感器磁場變化的差值就是GIC流過輸電線路產生的磁場變化，依據GIC引起的磁場變化和法拉第電磁感應原理，可以計算流過輸電線路產生的GIC，從而實現對輸電線路GIC的準確測量。這種方法即能實現對輸電線路GIC的測量，並且不直接涉及電網的運行設備，對電網設備的正常運行沒有任何影響。
本發明所述裝置的硬體結構如圖4所示，裝置在結構上雖然與一般監測裝置沒有根本區別，但本發明所述的電網GIC信號提取方法、監測方法和裝置功能，是本發明創新的具體體現和關鍵技術；除上述信號提取方法、監測方法關鍵創新外，在功能上與國外同類裝置相比，實現了電網GIC及諧波、功率等相關電氣參數的集成測量，具有一臺裝置監測多個相關參數的特點。
裝置的16路模擬量輸入通道的10路，用於採集變電站兩臺變壓器高低壓側B相電流、AC線電壓和中性點電流，剩餘6路通道用於採集3條輸電線路的B相電流、AC線電壓；變壓器中性點電流信號的採集，用於錄製變壓器的GIC波形和數值；變壓器進出線電流、電壓信號的採集，用於計算變壓器飽和產生的諧波和引起的有功、無功功率變化；輸電線路電流、電壓信號的採集，用於錄製GIC和計算諧波及有功功率、無功功率。裝置有8路開關量輸出通道實現報警。
本發明所述裝置監測的GIC和相關量數值是分析GIC對變壓器、繼電保護及電網安全運行影響的重要依據。因此，本發明具有重要意義和實用價值。
權利要求
1.一種電網地磁感應電流GIC監測方法，其特徵在於採用磁通門和霍爾傳感器採集信號，以直流電流閾值和電網GIC特徵量作啟動判據及分析判據，來錄製、記錄磁暴在電網產生的GIC；具體信號採集和處理為a、採用兩隻磁通門傳感器採集輸電線路的GIC；採用霍爾傳感器採集變壓器中性點的GIC；對電網GIC產生的諧波和引起的功率變化分析，採用霍爾傳感器採集互感器的二次電壓、電流；b、對被採集信號的分析、處理，採用以直流電流閾值作記錄啟動判據，以電網GIC持續時間和「準直流」特徵作分析判據的方法，實現對電網GIC信號的採集，以及電網諧波和有功、無功功率變化的分析；c、在變壓器中性點、輸電線路GIC採集和互感器二次電壓、電流採集上，採用16路同步採集卡實現同步採樣；對變壓器、輸電線路原始採集信號處理，採用了常用的軟體數字濾波技術消除噪聲。
2.按照權利要求1所述的監測方法，其特徵在於採用磁通門和霍爾傳感器從電網採集信號；以直流電流閾值和GIC「準直流」特徵作啟動判據及分析判據；具有電網GIC錄波、諧波分析、有功與無功變化分析和GIC超限報警功能。
3.一種實施權利要求1所述監測方法的電網GIC監測裝置，它包括信號採集傳感器、同步信號採集卡和工控計算機三部分；其特徵在於a、採用磁通門傳感器、霍爾傳感器採集輸電線路和變壓器的電壓、電流信號，被採集信號採用屏蔽電纜接入信號調理板；b、在變壓器中性點、輸電線路GIC採集和互感器二次電壓、電流採集上，採用16路通道同步採集卡實現對信號的同步採樣；c、信號調理板採用扁平電纜接同步採集卡，同步採集卡採用USB接口與工控計算機相連接，裝置採用電話撥號方式組網，實現與電網調度中心的信息傳輸。
全文摘要
本發明提供了一種電網地磁感應電流GIC監測方法及裝置。其方法是採用磁通門傳感器和霍爾傳感器，分別採集輸電線路和變壓器中性點的GIC信號；依據直流電流閾值和GIC「準直流」、持續時間長的特徵作為啟動及分析判據，實現了對電網GIC這種隨機性、「準直流」、長時間信號的測量和記錄。本發明的裝置包括信號採集傳感器、同步信號採集卡和工控計算機三部分。本發明的優點在於具有數據處理量少、節約存儲空間、測量精度高等特點。不僅僅用於電網GIC的監測，對直流輸電系統單極－－大地方式運行時，進入交流電網變壓器的直流偏磁電流檢測也同樣有效。本發明的裝置採集精度高、製造成本低。
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 優先權日2005年1月25日
發明者劉連光, 張 浩, 張清明, 劉春明, 劉宗岐 申請人:華北電力大學(北京)