一起测控装置测量电压异常跳变的分析与处理

一起测控装置测量电压异常跳变的分析与处理

叶耀聪  梁海华

广东电网有限责任公司东莞供电局，广东省，东莞市，523000

摘要： 测控装置是综合自动化系统的重要组成部分，其采集上送的遥测数据将直接影响调度安全监视、电力市场交易等关键功能，因此，保证测控装置采集上送数据的稳定性具有重要意义。本文介绍一起110kV变电站测控装置测量电压异常跳变实例，通过现场排查和理论分析得出测量电压跳变原因，并提出处理措施。

关键词：测控装置；测量跳变；频率混叠；谐波

0  引言

厂站测控装置是综合自动化系统的重要组成部分，负责完成变电站设备数据采集、控制、监测、防误闭锁等功能，实现全变电站的监控。其采集上送的实时遥测数据将直接影响调度安全监视、电力市场交易等关键功能，因此，保证测控装置采集上送数据的稳定性具有重要意义。

1  测控装置电压异常跳变现象

调度监盘发现某110kV变电站10kV母线电压波动较大，特别是10kV #2乙M母线A、C相电压波动越上、下限。

继保自动化班组到站检查母线测控装置和主变变低测控装置母线电压采样值，发现装置显示电压基波含量和谐波含量频繁变化，同时A、C相母线电压全波有效值频繁跳变，电压极差排序为#2乙M〉#2甲M〉#3M〉#1M，各段母线电压跳变情况见下表1。使用观察接入同一PT绕组的保护装置、电压监测装置的三相电压采样基本保持稳定，无跳变越限现象。

表1 某110kV变电站测控装置10kV母线电压跳变情况

由于二次电压基波含量和谐波含量的频繁变化，导致测控装置上送到厂站后台监控机和主站调度台的电压数据跳变越限。

2  问题排查定位

2.1  一次系统问题排查定位

该110kV变电站配置3台主变，110kV侧线变组运行，10kV侧单母分段运行，各段10kV母线配置单独的电压互感器。10kV母线正常为分列运行，其主接线图如图1所示。

图1 某110kV变电站正常运行主接线图

2.1.1  PT本体问题排查定位

观察全站二次设备电压采样值，与测控装置使用同一PT绕组的保护装置、电压监测装置三相电压均保持稳定，无异常跳变；与测控装置使用不同PT绕组的计量表三相电压均保持稳定，无异常跳变。全站二次设备仅10kV侧测控装置发生电压跳变现象，因此推断PT本体问题几率较低。

2.1.2  一次电源及相邻10kV间隔问题排查定位

将#3主变由运行转冷备用，10kV #2乙M与10kV #3M一次并列，由#2主变供电；10kV #1M与10kV #2甲M一次并列，由#1主变供电。观察测控装置的母线电压跳变情况维持不变。同源供电的#2乙M、#3M测控电压跳变情况不一致，排除主变电源和其他10kV间隔原因导致测控电压跳变。

2.2  二次系统问题排查定位

10kV #2乙M与10kV #3M一次并列的情况下，将52乙PT和53PT电压二次并列，断开53PT二次电压空开，由52乙PT为#2乙M、#3M二次设备提供二次电压。观察#2乙M测控电压波动情况有所改善，#2乙M和#3M测控装置母线AC相电压均在5.84-6.06kV之间跳变，跳变幅度较二次并列前降低了。因此，推断是PT二次负载导致测控装置电压异常跳变。

与测控装置使用同一PT绕组的保护装置、电压监测装置在运行状态，检查其二次电压回路，发现只有电压监测装置仅接入AC相电压。在52乙PT和53PT电压二次并列的情况下，断开#2乙M电压监测装置二次电压空开，#2乙M、#3M测控电压谐波含量、全波有效值恢复稳定。在#2乙M、#3M二次电压分列的情况下，断开#2乙M电压监测装置二次电压空开，#2乙M测控电压谐波含量、全波有效值同样恢复稳定。断开#2甲M的电压监测装置二次电压空开，断开后的测控电压谐波含量、全波有效值恢复稳定。断开前后的测控电压跳变情况见表2。

综上，推测是电压监测装置导致测控装置电压跳变越限。

表2 断开电压监测装置二次电压空开前后测控电压跳变情况

3  问题分析

3.1  测控装置电压跳变原因分析

为分析电压波形谐波变化情况，接入录波装置对10kV #2乙M电压波形进行录波，10kV #2乙M的A相电压谐波含量如图2所示。录波测量的电压基波有效值及各次谐波有效值基本保持稳定，无明显跳变现象，其中3次、5次、7次、11次、20次、23次和25次谐波含量较大。

该变电站使用的测控装置测量采样率为2400Hz，即每周波采集48个点，采样间隔为0.41666（6循环）ms。由于数字电路无法使用无限循环小数作为采样间隔，因此测控装置实际的采样间隔为0.41665ms，对应的采样率为2400.096Hz。该站电压基波频率为50.01Hz，根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍才能完整反映信号，根据公式（1）可以计算出本站测控装置无法反映24次及以上的谐波含量。

                                                       （1）

式中Fs为采样频率，Fmax为信号最高频率。本变电站测控装置2400.096Hz的采样频率可完整测量1200.048Hz（23.996倍基波）及以下频率的信号。

24次及以上的谐波分量经测控装置离散采样后，将重建成基波分量和2-23次谐波分量，在时域和频域上产生频率混叠现象。根据公式（2）可以计算波形重建后的混叠频率，重建后的波形与原有的基波分量和2-23次谐波分量在采样窗口中存在频率差。以25次谐波为例，其重建波形的混叠频率为1149.846Hz，该频率与原23次谐波频率1150.23Hz相近，两者频率差0.384Hz。由于两种波形存在频率差，随着采样窗口的变化，混叠后的波形幅值也随之变化，因此测控装置基波含量和谐波含量在不断跳变，进而使全波有效值不断跳变。

                                      （2）

式中Fa为重建后的混叠频率，F为原信号频率，n是[  ]内的整数，小数点后面的数字全部舍弃。

该变电站使用的保护装置测量采样率虽然也是2400Hz，但是在采样插件设置了低通滤波回路，可忽略24次及以上谐波影响，所以保护装置电压不受高次谐波影响而发生跳变。而电压监测装置采样频率为6400Hz，能完整反映各次谐波，因此不受谐波影响而发生跳变。

图2 录波装置测量电压谐波情况（带电压监测装置）

3.2  二次电压回路谐波产生原因分析

本次案例排查定位的谐波源是电压监测装置，该装置将电压互感器二次AC相间电压通过AC/DC整流电路转换为装置直流电源，示意图见图3，同时装置内部设置PWM控制DC/DC电路。上述电路包含半导体器件、晶闸管和场效应管等非线性元件，会在输入端产生谐波，若输入端不设置交流滤波电路，谐波将会影响整个电压互感器二次侧负载。

图3 该变电站电压监测装置电源回路示意图

断开10kV #2乙M电压监测装置二次电压空开后，对10kV #2乙M电压波形进行录波，10kV #2乙M的A相电压谐波含量如图4所示。对比图2，24次及以上的谐波含量明显降低，经测控装置离散采样产生的频率混叠现象有所减弱，使得测控装置全波有效值保持稳定。

图4 录波装置测量电压谐波情况（不带电压监测装置）

4  处理措施

4.1  消除二次回路中的高次谐波

本站使用的电压监测装置利用整流电路从电压互感器二次侧取电，增加了电源侧的谐波含量。从根源上考虑治理，二次设备的装置电源应避免使用整流逆变电路，减少电压互感器二次侧的谐波污染，装置电源应通过专用的直流馈线屏或交流馈线屏取电。

若无法避免，当使用整流逆变电路从电压互感器二次侧取电时，应在装置电源侧增加交流滤波器，降低高次谐波含量。

4.2  测控装置设置低通滤波电路

本次案例分析中，24次及以上的高次谐波是造成测控装置测量电压跳变的直接原因，若在装置采样插件设置滤波电路滤除高次谐波，将能避免高次谐波带来的频率混叠现象。根据文献[3]要求，测控装置应能测量2-13次谐波，在13次及以下谐波的影响下，装置应能保持一定的测量误差。所以，测控装置内部可设置合适的低通滤波电路，既要滤除24次及以上谐波的影响，又要精确测量13次及以下谐波。

4.3  提高测控装置采样率

此次测控装置的频率混叠现象，是因为测控装置采样率低于高次谐波频率。在谐波污染较高的环境中，为降低高次谐波带来的频率混叠影响，可适当提高测控装置的采样率。

5  结束语

本文介绍了一起110kV变电站测控装置测量电压异常跳变的分析与处理实例。通过现场排查定位和理论分析，确定问题来源于电压监测装置在电压互感器二次侧产生高次谐波，导致测控装置发生频率混叠现象，致使测控装置测量电压异常跳变。同时，本文还提出针对性的处理措施，可以避免测控装置发生频率混叠现象，确保测量的稳定性。

参考文献

[1]应怀樵,沈松,刘进明.频率混叠在时域和频域现象中的研究[J].振动、测试与诊断,2006,26(1):1-4.

[2]陈桂友,朱何荣,熊慕文,等.一起直流换流站测控装置测量电压跳变实例分析[J].电气技术,2015,(12):139-141.

[3]DL/T 1512-2016.变电站测控装置技术规范[S].

[4]邓金龙,常江,占子飞,等.一种电源及电压监测仪[P].中国专利:CN201720914634.7,2018,03,27.