基于虚拟仪器的变电站谐波监测与分析系统的实现

康 锴

（国网固原供电公司，宁夏 固原 756000）

0 引 言

目前，虽然我国已经开始重视对变电站谐波的监测和控制，但是传统测量仪器设备的体积大、功能较少、缺乏可扩展性，应用和维护成本高，无法实时进行谐波参数的监测和分析。相比之下，基于虚拟仪器的变电站谐波监测与分析系统具有强大的功能和灵活性，可实时动态监测和分析变电站谐波，为谐波的控制提供保障。因此，在变电站谐波监测分析过程中应积极采用虚拟仪器，提升谐波监测的效率和水平，为变电站电力系统的安全稳定运行提供有力支持。

1 变电站谐波分析

1.1 变电站谐波来源

对于变电站的电力系统而言，谐波的来源较多，主要涉及断路器操作、电容器补偿装置等，具体如表1所示。

表1 变电站谐波分析

1.2 变电站谐波的危害

变电站电力系统中存在谐波会导致整体电力系统运行的安全性和稳定性受到不利影响，具体危害表现如下。第一，谐波会导致电网中的有功功率损耗增大，造成电网负荷损失，引起电网能效降低，增加电力系统的运行成本。第二，谐波会引起电压波形失真，使得电压不再是纯正弦波，而是含有谐波成分，影响电力设备的正常工作，降低设备的可靠性和寿命。第三，谐波会导致电流波形失真，使得电流不再是纯正弦波，而是含有谐波成分，导致电流过载，使得电力设备的运行不稳定，甚至引起设备过热、损坏或触发保护装置。

1.3 传统的谐波测量仪器

谐波分析仪是一种专门用于测量电力系统谐波的仪器，可以通过连接到电力系统的测量点，实时监测电压和电流的波形，并对谐波进行分析和计算。谐波分析仪通常具有多个测量通道和高精度的谐波分析功能，可以提供谐波幅值、相位、频率等参数。此外，部分高级的数字电能表具有谐波测量功能，可以测量电压和电流的谐波含量。此类电能表通常具有内置的谐波分析算法，可以直接显示谐波幅值和总谐波畸变率等参数。

2 基于虚拟仪器的变电站谐波监测与分析系统的实现

2.1 系统硬件实现

以虚拟仪器为基础设计变电站谐波监测与分析系统，硬件组成部分包括信号调理机、数据采集卡以及虚拟仪器。

2.1.1 信号调理机

在相关系统中，信号调理机是实现信号采集、处理和调理的重要组成部分。

信号调理机通过连接到电力系统的测量点，采集电压和电流信号。它可以通过模拟输入通道或数字输入通道接收来自传感器或测量仪器的信号，并将其转换为数字信号进行后续处理。为去除噪声和杂散信号，信号调理机会对采集的信号进行滤波处理。常见的滤波方法包括低通滤波、带通滤波以及陷波滤波等，用于提取感兴趣的谐波信号。信号调理机可以对采集的信号进行放大处理，以增强信号的幅度和分辨率。放大器通常用于调整信号的增益和动态范围，使后续的谐波分析更准确和可靠。

信号调理机会对采集的信号进行采样，即以一定的采样频率将模拟信号转换为离散的数字信号。采样频率需要根据信号的频率特性和谐波分析的要求来确定，以保证采样的准确性和有效性。信号调理机会将采集到的信号数据进行存储，以便后续的谐波分析和数据处理。数据存储可以采用内部存储器或外部存储设备，如硬盘、固态硬盘或云存储等。

信号调理机可以通过网络或其他通信方式将采集的信号数据传输到上位机或数据中心，以便进行远程监测、分析和管理。数据传输可以采用以太网、无线通信或其他通信协议，具体根据系统的需求来确定[1]。

2.1.2 数据采集卡

基于虚拟仪器的变电站谐波监测系统中，数据采集卡是实现信号采集和转换的关键部分。首先，数据采集卡提供多个模拟输入通道，用于接收来自电力系统的电压和电流信号。这些通道可以连接测量点上的传感器或测量仪器，将模拟信号转换为数字信号。数据采集卡将模拟信号转换为数字信号，通常使用模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）进行转换。ADC将连续的模拟信号按照一定的采样频率进行离散化处理，生成对应的数字信号。数据采集卡可以在采集信号之前对信号进行处理。例如，可以进行滤波处理以去除噪声和杂散信号，或者进行放大处理，以增强信号的幅度和分辨率。其次，数据采集卡可以控制采样率，即每秒对信号进行多少次采样。采样率需要根据信号的频率特性和谐波分析的需求来确定，以保证采样的准确性和有效性。最后，数据采集卡可以将采集的数字信号数据存储在内部存储器或外部存储设备中，以确保数据的安全存储，并为后续的谐波分析和数据处理提供支持[2]。

2.1.3 虚拟仪器

基于虚拟仪器的变电站谐波监测系统中，虚拟仪器是核心部分。虚拟仪器可以通过与数据采集卡或其他数据源的连接，实时采集电压和电流信号数据。其可以对采集的数据进行处理，如滤波、放大等，以确保数据的准确性和可靠性。虚拟仪器可以将采集的数据以图形、图表等形式进行可视化展示。通过直观的界面，用户可以清晰观察到电压和电流信号的波形、频谱等信息，便于进行谐波分析和故障诊断。虚拟仪器内置谐波分析算法，可以对采集的电压和电流信号进行谐波分析，计算各个谐波分量的幅值、相位、总畸变率等参数，并将结果展示给用户，帮助用户了解电网谐波情况。虚拟仪器可以根据谐波分析的结果，判断电网中存在的故障类型[3]。

2.2 基本电气测量

基于虚拟仪器的变电站谐波监测与分析系统的基本电气测量主要涉及以下4点。

（1）电压测量。系统通过连接变压器或电位器将电压信号引入测量电路，然后使用电压传感器将电压信号转换为可测量的电压值。通过数据采集卡或其他测量设备将模拟电压信号转换为数字信号，再进行采样、滤波等处理，最终将结果显示在用户界面上。

（2）电流测量。系统通过连接变压器或电流互感器将电流信号引入测量电路，然后使用电流传感器将电流信号转换为可测量的电流值。通过数据采集卡或其他测量设备将模拟电流信号转换为数字信号进行采样、滤波等处理，最终将结果显示在用户界面上。

（3）谐波分析。系统通过对电压和电流信号进行采样和处理，提取信号中的谐波成分。谐波分析通常采用傅里叶变换或快速傅里叶变换等，将时域信号转换为频域信号，从而得到各个谐波分量的幅值、相位等参数。此类参数用于判断电网的谐波情况，并进行故障诊断和优化措施的制定。

（4）数据处理与显示。系统通过数据采集卡或其他测量设备将采集的电压和电流信号转换为数字信号，并使用数学算法对信号进行滤波、放大、采样等处理。然后，系统将处理后的数据传输到用户界面，通过图表、波形图等形式显示谐波分析结果。用户可以根据显示的结果进行数据分析、故障诊断和优化措施的制定[4]。

2.3 谐波监测分析实现

2.3.1 采样定理分析

采样定理是指在进行谐波监测过程中需要对电压和电流信号设定足够高的采样频率，避免信号失真和谐波分量的混叠。根据奈奎斯特采样定理，要准确重构一个信号，采样频率必须大于信号中最高频率的2倍。在谐波监测中，通常会考虑基波频率和谐波频率的最高频率，确定采样频率。

2.3.2 谐波规律分析

通过谐波分析算法，将时域信号转换为频域信号，提取出各个谐波分量的幅值、相位等参数。根据谐波分量的幅值和相位信息，分析谐波在不同频率上的分布情况，了解谐波的产生机制和传播规律。通过对谐波分量的幅值进行综合评估，确定谐波含量的大小，判断是否满足相关标准和要求。根据谐波规律的分析结果，判断是否存在谐波问题，对故障进行诊断，并制定相应的优化措施，如滤波器的设计和安装、谐波抑制装置的配置等[5]。

2.3.3 谐波预警

基于虚拟仪器的变电站谐波监测系统可用于监测和预警变电站谐波的严重度。系统可以通过谐波分析算法，对变电站中的电压和电流信号进行谐波分析，提取各个谐波分量的幅值。根据谐波分量的幅值与相关标准或规范进行比较，评估谐波含量的严重程度。除了谐波含量，系统还可以对谐波扰动进行评估。谐波扰动是指谐波对正常电网运行造成的影响，如电压失真、电流不平衡等。通过监测谐波扰动指标，如电压总谐波畸变率、电流不平衡度、谐波电流总畸变率等，可以判断谐波扰动的严重程度[6]。

3 结 论

以虚拟仪器为基础设计变电站谐波监测与分析系统，在应用过程中可以通过信号调理机和数据采集卡等硬件设备，全面采集和分析变电站电力系统的谐波问题。同时，可利用系统的软件部分对变电站进行电气测量和相位差测量，准确进行谐波的定理采样和规律分析，实现快速预警，从而合理消除谐波。另外，需要按照谐波监测的需求，制定完善的系统应用方案和体系，提升系统的应用效果和水平，确保能够深入准确完成谐波监测控制。