牵引供电电能质量分析及故障录波设计方案

张 林 包素丽 孙金华

（国电南自轨道交通公司，南京 210000）

在牵引供电电力机车运行过程中，电力机车一方面是一个很大的非线性负载，会产生大量的高次谐波，另一方面电力机车对于电网还是不对称负荷，会产生负序分量，大量非线性、冲击性负荷的使用，给牵引供电系统的电能质量带来了严重的危害[1-2]。要实现对电能质量的综合治理，就必须实现电能质量的在线分析与实时监测，以了解电能质量的水平。这有利于及时发现电网上的电能质量问题，便于“早发现、早治理”，为电网创造一个良好的环境。同时，故障录波数据是牵引供电系统故障分析和保护动作判断的重要依据。本文结合多年牵引供电运行经验，依据电能质量国家标准，基于嵌入式实时多任务操作平台，提出了一种融合了电能质量分析及故障录波的实现方案。

1 硬件设计

依据本方案设计的电能质量分析及故障录波装置采用基于16位同步采样A/D转换器的模拟量高精度采集系统；交流输入通道为两路牵引所进线电压电流共12路通道，每周波128点采样，并且确保所有通道完全同步；CPU采用Freescale公司的PowerQuicc II系列，高频率，低功耗，装置具有极强的数据处理能力；采用基于商用实时多任务操作系统的通用软硬件开发平台，系统稳定性好；采用多层印制电路板布线技术及SMT表面贴装技术；提供灵活的通信接口方式，最多可同时配置两个RS-485 和3个以太网通信接口。采用印制板背插式机箱结构，使装置内部强、弱电回路在走线上完全分开，避免了相互干扰，提高了装置抗干扰能力；高标准的电磁兼容性能，密闭、抗震的机箱结构，外壳防护符合IP50的要求。本装置硬件主要组成模件有：交流模件、保护CPU模件、监控MMI模件、面板模件、开入模件、电源模件。

交流模件提供多个电压输入和电流输入回路，分别供启动录波和测量用，交流量经压互、流互变换后通过母板连线至CPU模件。

CPU模件是装置的核心模件，功能包括模拟数据的采样和处理、保护算法、与监控模件及 I/O模件通信、事件定值的存储等基本功能。模件以FreeScale公司的 PowerQUICC II芯片为主处理器，CPU频率最高到400MHz，低功耗（0.8W at 266MHz）。设计有32MB NOR FLASH用于程序存储，256MB NAND FLASH用于事件、录波等文件存取；设计有32MB SDRAM，系统启动后程序运行于SDRAM，8kB FRAM（铁电存储器）用于电度量存储。CPU模件高主频和大容量存储使 CPU具有极强的数据处理能力，为故障的快速分析处理提供了保证。CPU模件采用二阶RC无源抗混叠低通滤波和16位、6路同步采样A/D转换器AD7656构成模拟量采集系统，采样精度高，采样回路无可调元件，具备高度的可靠性。交流采样功能框图如图1所示。

图1 交流采样功能框图

监控 MMI模件负责处理装置信息的输入输出，并驱动面板模件提供监视、调试和设置的人机界面。监控模件用HDLC通信与主控模件交换信息。监控模件一方面把主控模件的工作状态、输入、输出、定值、事件记录、录波等信息搜集整理后传输给站控层监控系统，同时提供装置人机界面便于就地监视和打印。另一方面，监控模件将站控层和人机界面的控制、设置和调试信息传送给主控模件。监控模件设有硬件时钟和 GPS对时输入接口，作为整个装置的时钟源，GPS对时输入接口的有：空接点、有源24V及RS485三种模式的选择，可根据需要灵活选配。

面板模件完成触摸屏位置采集、TFT液晶屏驱动、蜂鸣器和LED的控制、以太网、USB信号的传递以及与监控模件的通信等基本功能。

2 软件原理

本方案产品具有两主变高压侧三相电压、电流谐波分析功能[3]：分析2～25次谐波、谐波含有率、总谐波畸变率；形成谐波计算结果数据库，分析基波、谐波相互关系，存储谐波越限报告；装置具有三相电压、电流不平衡度分析功能：显示1＃、2＃进线电压、电流值、正序、负序分量，计算电压、电流不平衡度。

2.1 测量量计算

本方案产品测量量计算包括全变电所进线电压、电流（基波及2～25次谐波）、有功功率、无功功率、功率因数、系统频率等均是基于傅里叶算法而实现。

2.2 录波启动方式

录波启动方式包括手动启动、开入量启动和交流量启动3种方式。

手动启动：人工启动故障录波装置，可当地或远方启动。用于检查装置的运行状况，检测正常运行时的各路输入量的波形。

图2 测量量软件流程图

开入量启动： 用于监测保护装置动作及各开入量的状态是否发生变化。开入量可选择设定为是否启动录波。

交流量启动：根据交流量的电压值来判断是否存在故障，包括电压突变量启动，电流突变量启动，电压欠压启动，以及电压过压启动。每一种启动方式都可选择投退。

2.3 录波交流量启动条件

装置一般采集两台主变的高压侧3相电压和3相电流，突变量启动判断用的是装置输入的电压和电流，当主变电压输入的为相电压时（可在装置运行参数中选择设置），装置会计算出线电压做过压和欠压启动的判断使用。

1）电压、电流突变量启动

电压、电流突变量启动判据为△UIφ＞△UIZD。其中：△UIφ=|UIφ(t)-2UIφ(t-T)+UIφ(t-2T)|，φ为A、B、C三种相别，T为20ms，UIφ(t)为t时刻相电压或电流的采样值，△UIZD为相电压或电流突变量启动定值。

电压、电流突变量启动录波条件为（以下条件均要满足）：①本组任一相电压或电流突变量连续三次大于本组突变量启动定值；②录波启动压板投入且本组突变量启动压板投入；③本侧进线隔离开关在合位（仅对电压突变量启动要求）。

2）电压1组、电压2组欠压启动

欠压启动录波条件为（以下条件均要满足）：①本组任一线电压低于欠压启动定值；②录波启动压板投入且本组欠压启动压板投入；③本侧进线隔离开关在合位。

当欠压启动条件满足持续时间大于3s后退出本次欠压启动录波。

3）电压1组、电压2组过压启动

过压启动录波条件为（以下条件均要满足）：①本组任一线电压高于过压启动定值；②录波启动压板投入且本组过压启动压板投入；③本侧进线隔离开关在合位。

2.4 录波记录

录波记录每次录波启动时刻的前4后10周波数据，间隔在3s内的录波启动记录在1份录波报告中，录波启动发生后3s内没有新的启动发生则结束本次录波，生成一份完整的录波报告。如果连续启动超过 30s则认为启动超时，也结束本次录波。装置可保存不低于20份的录波报告。

2.5 谐波越限判据

1）谐波电压越限

式中，Uh为第h次谐波电压值，U1为基波电压值，HRUh第h次谐波电压含有率，HRUhZD为第h次谐波电压含有率越限整定值，电压谐波含有率大于整定值时启动谐波越限报告记录。

2）谐波电流越限

式中，Ih为第 h次谐波电流值，I1为基波电流值，HRIh第h次谐波电流含有率，HRIhZD为第 h次谐波电流含有率越限整定值，电流谐波含有率大于整定值时启动谐波越限报告记录。

2.6 不平衡度越限判据

1）电压不平衡度越限

式中，U1为三相电压正序分量均方根值，V；U2为三相电压负序分量均方根值，V；εU为电压不平衡度，εUZD为电压不平衡度整定值。电压不平衡度大于整定值时启动电压不平衡度越限报告记录。

2）电流不平衡度越限

式中，I1为三相电流正序分量均方根值，V；I2为三相电流负序分量均方根值，V；εI为电流不平衡度，εIZD为电流不平衡度整定值。电流不平衡度大于整定值时启动电流不平衡度越限报告记录。

3 本方案的有益效果

随着电气化铁道高速铁路和城市轨道交通的大力发展，供电系统对自动化系统也提出新的功能需求，供电的实时性、可靠性、连续性已经成为整个社会关心的重要问题之一，对电能质量的实时监测尤为重要，电能质量装置是解决电能质量测试的设备，可以提供电力运行中的谐波分析及功率品质等数据分析，同时能够对大型用电设备在起动或停止的过程中对电网的冲击进行全程监测。

本方案产品已成功应用于京沪高速铁路、南京南京地铁、合蚌引入“四电”系统集成项目综合自动化系统；新建铁路宜昌至万州线站后设备综合自动化系统；新建杭甬铁路客运专线设备物资购售综合自动化系统；哈大客运专线工程牵引变电所综合自动化等。

4 结论

本方案设计从基础硬件、软件原理和工程应用 3个方面全面提升电能质量分析及故障录波产品的功能和性能。随着电气化铁路建设的快速发展，本公司的销售业绩不断提高，该产品将会在牵引供电高速铁路及城市轨道交通领域得到日益广泛的认可与应用。

[1]张旭俊,马建,涂其远.电能质量分析的新概念及其测量仪器[J].电测与仪表,2005,42(2):1-4.

[2]杨淑英.电能质量测量方法及其监测装置研究[J].华北电力大学学报,2003,30(5):136-140.

[3]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.