电能质量检测与记录系统研究概述

孙剑涛

【摘 要】电力工业是关系到国计民生的支柱产业，在国民经济中具有非常重要的地位。随着人们生活水平的不断提高，电能已成为现代化生产的主要动力，它在国计民生中日益显示出举足轻重的作用。因此，保证电力系统安全可靠地运行和电能的质量具有很重要的意义。电能质量检测与记录系统是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置，它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功、无功以及系统频率的全过程变化现象。本文借助高性能嵌入式处理器及高速数字信号处理器（DSP），以《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》为基础对电能质量检测与记录系统展开研究，以达到对数据检测精度、记录存储能力、系统实时性、系统稳定性越来越高的要求。

【关键词】电力工业；电能质量检测；记录装置

0 引言

电能质量检测与记录装置是研究现代电网的基础，也是评价继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据，性能优良的故障录波装置[1]对于保证电力系统安全运行及提高电能质量起到了重要的作用。电能质量检测与记录装置已成为电能质量检测与记录动态过程必不可少的精密设备，其主要任务是记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置的动作行为。

1 电力系统故障及危害

电能生产的特点是具有连续性、不能中断、也不能储存，因此，电能的生产、传输、分配和使用是在同一时间内完成的。生产、输送、分配、使用电能的发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体就是电力系统[2]。电力系统故障是指系统中某一元件的正常运行状态遭到破坏。发生故障后一般会引起电流的增大，电压和频率的降低或升高，从而导致电气设备和用户的正常工作遭到破坏。最常见也是最危险的故障是各种类型的短路。

故障分瞬时性故障和永久性故障两种。所谓瞬时性故障是指故障设备断开电源后，故障点的绝缘强度能够自行恢复。例如，大风引起树枝碰线等，如果重新将此线路合闸，线路将能恢复运行。永久性故障是指断开电源之后，故障仍然存在，如绝缘子的击穿或损坏，线路倒杆，变压器或电机绝缘损坏引起的匝间短路等等，这类故障在排除之前，是不可能很快恢复正常运行的。

电力系统故障的危害主要表现在以下各方面：

（1）系统中部分地区的电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏，严重时，可能引起电压崩溃，造成大面积停电。

（2）短路电流产生的电弧，烧坏故障设备。

（3）短路电流可达到额定值的几倍至几十倍。很大的短路电流产生的热效应和电动力，使故障支路的电气设备遭到破坏或损伤，从而缩短使用寿命。

（4）破坏电力系统各发电厂之间并列运行的稳定性，使系统产生振荡，甚至造成整个电力系统的瓦解。

2 电力系统对故障录波的技术要求

《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》中规定电力系统对故障录波的技术要求[3]：

（1）当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对扰动的全过程按要求进行记录，并当系统动态过程基本终止后，自动停止记录。

（2）存储容量应足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次系统大扰动发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参数（I、U、P、Q、f）及保护装置和安全自动装置的动作行为。

（3）所记录的数据可靠安全、满足要求、不失真。其记录频率（采样频率）和记录间隔（连续或间隔一定时间记录一次），以每次大扰动开始时为标准，宜分时段满足要求。其选择原则是：

（a）适应分析数据的要求。

（b）满足运行部门故障分析和系统分析的需要。

（c）尽可能只记录和输出满足实际需要的数据。

（d）各安装点记录及输出的数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统全部信息的要求。

3 电能质量检测与记录装置的基本要求

电力系统的动态记录分三种不同的功能。

3.1 高速故障记录

要求记录因短路故障[4]或系统操作引起的、由线路分布参数与作用在线路上出现的电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继电保护及安全自动保护装置的动作行为，也可用以记录系统操作过电压和可能出现的铁磁谐振现象。其特点是：采样速度高，一般采样频率不小于5Hz；全程记录时间短，一般不大于1s。

3.2 故障动态过程记录

记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功功率、无功功率[11]以及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统中各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。其特点是采样速率允许较低。一般不超过1.0kHz，但记录时间长，要直到暂态和频率大于0.1Hz的动态过程基本结束时才终止。已在系统中普遍采用的各种类型的故障录波器及事件顺序记录仪均属于此一类。

3.3 长过程动态记录

在发电厂，主要用于记录诸如汽流、汽压、汽门位置，有功及无功功率输出，转子转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所，则用于记录主要线路的有功潮流、母线电压及频率、变压器电压分接头位置以及自动装置的动作行为等。其特点是采样速率低（数秒一次），全过程长。

4 总结

本文对电能质量检测与记录系统展开研究，从电力系统故障及危害、电力系统对故障录波的技术要求、国内外电能质量检测与记录装置的比较、电能质量检测与记录装置的基本要求、电力系统动态过程记录的要求几方面加以阐述，进而达到进一步提高电能质量检测与记录系统性能的目的。

【参考文献】

[1]张志刚，王宪杰.多通道高速数据采集故障录波装置[J].电测与仪表，2002，39（3）：17-21.

[2]任雁铭.变电站计算机通信网络和系统的研究[D].保定：华北电力大学，2000.

[3]刘辉，张桂枝，乐秀播.基于DSP的双处理器微机保护[J].河海大学学报，2001， 29（3）：60-64.

[4]李钰.新型发电机变压器组故障录波装置的研究[D].保定：华北电力大学， 2006.

[5]Hdialgo R M， Femandez J G， et al. A simple adjustable window algorithm to improve FFT measurements[J]， IEEE Trans. On IM， 2002， 51（1）： 31-36.

[责任编辑：薛俊歌]