变电站直流电源系统便携式电能质量检测仪研制

陈金木，陈 冠，蒋斯琪，沈小军

(1.国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 201800；2.同济大学电气工程系，上海 200092)

0 引言

直流电源系统是变电站继电保护装置、自控装置及照明装置的工作电源[1]。近年来，直流系统绝缘监测受到高度重视，另外直流系统供电质量的重要性也备受关注，Q/GDW1969—2013《变电站直流系统绝缘监测装置技术规范》中规定应对变电站直流电源系统的电能质量进行检测。理论分析及工程总结表明，变电站直流电源系统的电能质量应包含直流电压幅值波动、正负极直流电压幅值偏差、高次谐波分量、工频交流窜入等指标。传统的直流系统状态监测装置不具备变电站直流电源系统电能质量的综合评估功能，相关领域的电能质量检测装置也不支持变电站直流电源系统的电能质量各项指标同步综合量测评估。

鉴于此，本文设计了一种变电站直流电源系统电能质量检测仪，并基于Multisim软件对设计的硬件电路进行了仿真，验证了仪表设计功能的可行性及参数设计的合理性，为减少或避免因电能质量恶化引发事故提供工具。

1 变电站直流电源电能质量劣化因素及特征分析

直流电源系统电能质量会受到电压波动、电压偏移、交流电压窜入等的影响，电能质量下降的原因通常是直流系统出现了一些故障，目前常见的直流系统的电能质量劣化故障主要有以下几点：

(1)直流电源系统接地故障。直流电源系统故障多为系统中某一点与地之间发生短接或对地绝缘性能发生劣化[2]，直流系统的接地故障会造成母线电压波动与正负极电压不对称现象[3]，导致系统电能质量严重下降。

(2)直流电源系统交流窜入。变电站现场除了直流回路外，还存在着大量而广泛的交流回路，当直流回路与这些交流二次回路相连时，会使交流信号窜入直流系统正负极母线[4]，导致母线对地等效电压不再等于其正常工作状态的电压值，电压出现明显波动，出现工频分量。

(3)直流系统蓄电池组故障。蓄电池的工作电压会受其自身特性与充电设备等的影响[5]，导致蓄电池组不能输出额定电压，使直流系统母线电压出现波动和偏差，严重影响电能质量。

(4)交流充电机故障造成谐波超标。当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高，谐波电流增大，引起继电保护及自动装置误动[6]，干扰通信装置，损坏系统设备，引发系统事故，威胁直流系统的电能质量和其安全运行[7]。

2 直流系统电能质量检测仪硬件设计

2.1 检测仪拓扑结构

研制的直流系统电能质量检测仪拓扑结构如图1所示。检测仪通过接线端子接入直流电源正负极(母排)，由信号采集终端依次采集正、负极母线的相关电压参数，将采集的数据进行打包整合，利用通信模块将数据通过Wi-Fi网络传输到智能诊断后台，终端后台进行数据分析，根据相关指标对电能质量进行评估，并展示结果。可见直流系统电能质量检测仪要实现直流电压幅值波动、正负极直流电压幅值偏差、高次谐波分量及工频交流窜入等评估功能，需在工作状态下准确采集直流电压信号与交流电压采样。检测仪工作时不能对直流电源系统状态造成干扰，影响系统的可靠性和电能质量。

图1 直流系统电能质量监测系统拓扑结构图

检测仪采集交直流电压信号次序及基本策略如下：按照直流电压信号、工频交流信号、高次谐波信号的顺序依次采集评估，每次每类信息采样时长为1 s，信号采集间隔为1 s，采集过程中S1～S4的状态如表1所示。1表示闭合，0表示断开。

表1 信号采集开关状态控制表

2.2 检测仪硬件电路设计

2.2.1 直流电压采样调理模块

设计的母线直流电压检测电路如图2(a)所示，为使待测量电压U1在主控制器ADC电压输入范围内，利用电阻R1与R2组成的检测电阻对直流母线电压进行分压。设计将正极母线与地之间的直流电压等比缩小为原来的1/50，即R2与R1+R2之比应为1:50，通常直流系统绝缘监测装置电阻桥Rb为kΩ级，为了使检测电路的接入对直流系统本身不造成电压波动与偏移，应当使R1+R2≫Rb，综上使R1=49 MΩ，R2=1 MΩ。

经过分压电路，电阻R2两端的电压还需要经过调理电路输入到主控制器模块。对于调理电路，如图2(a)所示，将AD623的1号引脚与8号引脚悬空，设置AD623为单增益模式(G=1)，因为U1电压大小已经满足后级的电压输入范围，所以利用AD623设计电路起到隔离与缓冲的作用，可以将测量电压在尽可能小的误差情况下输入至主控模块进行数据预处理以及数模转换。

设计的负极母线对地电压检测电路如图2(b)所示，与正极母线对地电压检测电路原理大致相同，区别将AD623设置为双电源供电模式，电路增益为-1，将分压电路输出的负值转换为绝对值以适配主控制器A/D转换端口的输入电压范围。直流母线电压值Ud2等于负极对地电压的绝对值|Udf|加上正极对地电压Udz，因此采集正、负极母线电压直流信号，经过计算就能得到直流系统母线电压。

(a)正极对地电压检测电路

(b)负极对地电压检测电路图2 母线直流电压采样调理电路图

2.2.2 交流电压采样调理模块

电容具有“隔直通交”的特性，利用一阶RC滤波器，可实现直流母线上的交流信号的提取。直流母线交流分量信号的提取分为2个部分：对窜入的工频分量进行提取；对系统的高次谐波进行提取。设计的母线交流分量信号检测电路及参数如图3所示。

(a)母线工频电压采样电路

(b)母线高次谐波电压采样电路图3 母线交流电压采样电路图

图3(a)是设计的工频交流电压采样电路，该信号传感模块连接在正极母线与地，以及负极母线与地之间，经过滤波电路后，电路中的50 Hz交流分量被提取出来。

根据Q/GDW 1969—2013《变电站直流系统绝缘监测装置技术规范》中5.7.2要求，当窜入交流的幅值达到10 V时应当报警，为了对电能质量进行精确评估，采样电路需要对10 V以下的交流电压有较高的测量精度，同时保留一定测量裕度，因此设计电路的测量量程为0～30 V。提取的交流分量经过一个由R2、R3组成的20∶1的分压电路进行分压，再通过一个由稳压二极管组成的双向±1.5 V限幅电路，使输出电压范围适配后级A/D转换0～3.3 V的输入电压范围。当输入电压小于30 V时，电路可以精确测量电压，当电压幅值超过30 V时，电路满量程输出。

图3(b)是设计的高次谐波采样电路，原理与工频电压采样电路大致相同。经过滤波电路后，电路中的大于150 Hz的交流高次分量被提取出来。由于高次谐波幅值较小，一般在5 V以内，为了精确测量，该电路中的分压电路变比减小为5∶1。

交流信号是有正负幅值的信号，需要将被测信号抬高至0 V以上，适应A/D转换器的需要。在设计中，使用了基于TL082运放的信号调理电路。如图4所示，电路由两级调理电路组成，实现双极性信号到单极性信号的调理。

图4 母线交流电压调理电路图

2.2.3 主控制器选型

根据系统拓扑，待采样的电压信号共有4路，其中待采样的交流电压频率范围在50～500 Hz之间，因此为了采集交、直流信号，主控制器的ADC采样速率至少在2 kHz以上，同时至少具备4个ADC转换通道，主控器还应通过控制继电器S1、S2、S3、S4的关断进行数据采集及数据存储，并通过通信模块与智能诊断后台进行数据传输。综合技术经济性，本装置选择基于ARM Cortex-M4内核的STM32F407单片机作为主控制器。该型MCU的ADC采样频率最高达6 MHz，内置有3个独立的12位模数转换器，每个ADC可共享16个外在转换通道，满足信号采样速率和通道数量的指标需求。

2.2.4 通信模块设计

交互通信模块基于单芯片无线微控制器CC3200进行设计，该芯片支持802.11 b/g/n无线协议。同时支持Station、AP、WiFi direct工作模式。模块通过UART串口通信与主控制器进行数据交换，并使用其数据透传功能，利用WiFi网络将主控制器采集的信号数据发送给智能诊断模块。

3 直流电源系统电能质量评估规则

直流系统电能质量利用电压波动、电压偏移、工频交流窜入量以及高次谐波分量等指标评估，评估流程如图5所示。

图5 电能质量状态评估流程图

评价指标计算方法如下：

(1)

式中： ΔU为电压波动；Umax为电压有效值曲线上相邻的2个极值中的最大值；Umin为电压有效值曲线上相邻的2个极值中的最小值；UN为额定电压。

电压变动频率f的计算如式(2)所示。

(2)

式中r为电压变动频度，1/s，即为单位时间内电压变动的次数，由小到大或由大到小各算一次变动。

电压偏移dU为母线对地电压Ur与母线标称电压Ue之差与标称电压Ue之比的百分数来表示。

(3)

高次谐波的分析可以使用小波变换[9]进行计算。对于函数Ψ(t)，当且仅当其傅里叶变换满足条件：

(4)

对于任意的信号f(t)，其连续小波变换为

(5)

(6)

通过伸缩尺度因子a与移动位移因子b，通过具有带通特性的小波变换，就能在各个频带上得到分解后的信号波形，求得谐波。电压谐波总畸变率等于各次谐波电压的和方根值与基波电压有效值之比的百分数，如式(7)所示。

(7)

参考《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》、《变电站直流系统绝缘监测装置技术规范》等技术规范和行业标准，结合现场专家经验，直流电源系统的电能质量评估规则如下：

(1)对于专供控制负荷的直流系统，考虑电缆压降，母线电压为标称电压的105%～110%；

(2)对于专供动力负荷的直流系统，考虑电缆压降，母线电压为标称电压的105%～112.5%；

(3)对于控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，考虑电缆压降，母线电压为标称电压的105%～110%；

(4)直流系统电压波动的变动频率小于1 Hz；

(5)直流对地电压偏移值小于直流系统标称电压的4.5%；

(6)直流系统正负极母线对地电压中交流电压幅值小于10 V；

(7)直流系统正负极母线上电压谐波畸变率小于5%。

4 直流系统电能质量监测系统可行性仿真

基于Multisim软件搭建了如图6所示的仿真模型，以校验检测仪系统参数设计的合理性和功能的可行性。图6中，Rb1、Rb2为绝缘检测装置平衡桥电阻(50 kΩ)，Rcable+、Rcable-为直流系统正、负极对地等效电阻(1 MΩ)，不考虑电缆压降，开关S1连接正极对地电压检测电路，开关S2连接交流工频采集电路，开关S3连接高次谐波采集电路，开关S4连接负极对地电压检测电路，开关S5模拟负极母线接地故障，开关S6模拟负极工频交流窜入，开关S7模拟正极高次谐波。

图6 直流系统电能质量检测仪电路仿真图

4.1 检测仪硬件设计参数的合理性仿真校核

(1)当直流电源系统处于正常状态时，正母线对地电压都应接近110 V。依次闭合图6中开关S1、S2、S3、S4，通过万用表XMM1与XMM2数据，观察接入系统检测电路对系统的影响，如表2所示。

表2 正常状态下检测电路对直流系统影响 V

(2)闭合图6中开关S5，模拟直流电源系统负极发生接地故障。依次闭合开关S1、S2、S3、S4，通过万用表XMM1与XMM2数据，观察接入系统检测电路对系统的影响，如表3所示。

表3 接地故障时检测电路对直流系统影响 V

以上仿真结果表明检测仪电路对直流系统的母线电压不造成影响，不改变直流电源系统原始状态，参数设置合理，具有可行性，满足系统设计原则。

4.2 检测仪功能可行性仿真验证

4.2.1 母线接地故障仿真

图7是将图6中S5闭合，模拟直流系统的负极母线单相接地故障，正、负极电压不对称现象的曲线。其中曲线1为正极对地电压采集电路输出波形，曲线2为负极对地电压采集电路输出波形。

图7 直流系统接地故障直流电压采样仿真波形图

由仿真数据可得该采样电路能够准确地反映直流母线的电压变化情况，同时调理电路输出电压范围在主控制器ADC输入电压的范围内，具有可行性，满足系统设计原则。

4.2.2 母线工频交流窜入故障仿真

将图6中S6闭合，模拟直流系统负极发生工频交流窜入，设定工频交流串入信号有效值为20 V。

由图8可知，通过母线交流分量采集电路，可以有效测量母线工频交流电压的变化，将20 V工频交流信号提取出来，满足后级电路的输入范围。

图8 负极工频交流20 V窜入故障仿真波形图

4.2.3 母线高次谐波窜入故障仿真

将图6中S7闭合模拟电源系统高次谐波。由图9可知，通过谐波分量采集电路，可以准确提取母线交流高次谐波电压的变化情况，具有可行性。

图9 正极交流高次谐波窜入仿真电路图

5 结束语

本文设计了一套便携式变电站直流电源系统电能质量检测仪，通过便携式模块检测记录变电站直流系统正负极母线电压，将数据发送给智能诊断模块，后台根据制定的评估指标分析实现直流电源系统电压质量评估。基于Multisim软件仿真结果表明检测仪的系统参数设置合理，功能可行。