电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测方法及其装置 【技术领域】
本发明涉及一种在线检测方法及其装置，特别涉及一种电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测方法及其装置。
背景技术
电力系统供电的可靠性是由在一定时间内(如一年)中断用户供电的次数和持续时间来判断的。可靠性在很大程度上取决于电力系统的耐电冲击特性，虽然有许多原因可能导致供电的中断，但绝缘击穿却是最常见的。
为了保证电力系统供电的可靠性，系统中各类电气设备应有足够可靠的电气绝缘强度。在正常运行情况下，这些设备的绝缘结构处在系统最高运行电压的作用之下，但是，由于各种各样的原因，系统中的局部区域可能会出现高于系统最高运行电压的暂时过高电压，即过电压。
各种过电压的波形、幅值和持续时间均不相同，变化范围也很大，这些不同参数影响绝缘承受过电压的能力。例如，当过电压幅值很高时，可能使绝缘发生击穿，若幅值较小也会在多次作用下促使绝缘老化，降低击穿场强。运行经验和研究表明，过电压是造成电力系统绝缘损坏事故地直接原因，也是选择电气设备绝缘水平的决定性因素。
当过电压引发系统事故时，由于事故的原因错综复杂，如果没有有效的检测手段以获得有关过电压的可靠信息，仅靠假设和推测是很难对引发事故的原因做出正确的分析和判断。因此，在电力系统中，对过电压的检测有着极其重要的社会意义及经济效益。
故障录波装置，特别是带记忆功能的全过程故障录波装置，是电力系统分析各种事故、提高电网运行水平的重要装置。利用录波器能判别电网有无故障、什么性质的故障、故障发生和消失的时间以及判断故障地点，能清晰地掌握故障相电压的变化。这些不仅为短路故障分析、系统振荡分析、机电保护动作分析以及电气设备故障分析提供依据，也为系统过电压分析提供了依据。这种仪器可用于长期运行记录，也可作为现场试验的测试工具。
目前，在电力系统中采用的故障录波装置，主要记录的是以工频为基础的故障波形，由于其信号通过电压互感器获得带宽较低，以及采样单元较低的采样速率、较浅的采样深度等原因，对某些暂态过电压中的高频成分测不到，不能真实记录电力系统遭受的各种过电压的波形。
【发明内容】
针对目前在电力系统中采用的故障录波装置采样速率低，采样深度浅，对某些暂态过电压中的高频成分测不到，不能真实记录电力系统中遭受的各种过电压波形等不足，本发明的目的在于，提供一种电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测方法及其装置。
为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测的方法，采用高压分压器、信号调理单元、采集单元和工业控制计算机及其应用软件构成电力系统多通道瞬态波形在线检测平台，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)电压信号提取步骤：将至少一个高压分压器分别从高压母线对应的随机或指定检测点上引入电压信号；高压分压器的高压臂电容C1与低压臂电容C2串联，高压输入加在串联的C1与C2两端，输出则从低压臂电容C2的两端提取，电压信号经高压分压器的后由同轴电缆分别连接到一信号调理单元的多路电压信号输入端；
2)信号调理步骤：采用信号调理单元对提取的电压信号进行足足条理，每路信号首先经过二次分压电路，然后一路信号与采集卡的信号输入通道相连，另一路信号则进入触发电路；触发电路产生的触发信号控制采集单元的采集：
3)数据采集的步骤：当信号调理单元跟踪到过电压就会产生高电平通过同轴电缆通知采集单元，采集单元就根据所设置的采集参数进行采集，然后通过PCI总线将采集到的数据按指定的路径保存到工业控制计算机的硬盘上；
4)检测过程的程序控制步骤：由工业控制计算机内部的应用软件控制采集单元、记录、存储过电压的幅值、波形及相关信息，查询已保存的数据波形文件，并进行任意通道波形及相关信息的显示，实现对波形的多种操作和整个检测过程的程序控制。
实现上述检测方法的装置，其特征在于，它包括：
—一个以上的高压分压器，用于引入电压信号，高压分压器随机或指定分布在高压母线的不同检测点上，经电容分压后由同轴电缆分别连接到信号调理单元的电压信号输入端；
—信号调理单元，用于对高压分压器引入的电压信号进行处理，该信号调理单元主要包含二次分压电路和触发电路，每路电压信号首先经过二次分压，然后一路信号与采集卡的信号输入通道相连，另一路信号则进入触发电路，触发电路产生的触发信号控制采集卡的采集；
—采集单元，用于对电压信号的采集，采集单元由多块采集卡和RTSI总线组成，信号通道的路数决定采集卡的卡数，在采集单元中有一块采集卡作为主卡，其他卡作为副卡，主卡时钟与副卡时钟通过RTSI总线同步，当主卡接到采集命令就会通过RTSI总线通知其他副卡，从而各采集卡实现同步采集，并通过PCI总线将采集到的数据按指定的路径保存到工业控制计算机的硬盘上；
—工业控制计算机，用于整个检测过程的控制，其内部包含有电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置的应用软件，以不同的采集控制方式记录、存储过电压的幅值、波形及相关信息，可以查询已保存的数据波形文件，并进行任意通道波形及相关信息的显示，实现对波形的多种操作。
所述的高压分压器采用电容分压，分压比：1000∶1，最高响应频率100MHZ。
所述的信号调理单元含有二级分压电路和触发电路，每路信号首先经过二次分压，然后一路信号与采集卡的信号输入通道相连，另一路信号则进入触发电路，触发电路为双门限比较电路。
该装置可以在不同的采集控制下同时采集多路电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置瞬态波形内外过电压，不仅实时显示、存储检测到的过电压波形及相关信息，而且可以查询过电压历史数据并支持任意通道波形及相关信息的显示，同时可编辑形成文档。
本发明可以在不同的采集控制下同时采集多路电力系统瞬态波形过电压，不仅实时显示、存储检测到的过电压波形及相关信息，而且可以查询过电压历史数据并支持任意通道波形及相关信息的显示，同时可编辑形成文档。实现了整个运行过程的自动化、智能化，不仅运行稳定、操作方便，而且运行过程中无需人员值守。本发明可以真实记录电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置中遭受的各种过电压的波形，具有高可靠性，强抗干扰能力以及高保真性，能对电力系统过电压水平进行量化，以此验证过电压理论计算和实际情况的偏差，为更好的绝缘配合、修订绝缘水平提供参考。
【附图说明】
图1是本发明的装置结构图。
图2是本发明高压分压器的原理图。图中Ui是电压输入端，Uo是电压输出端，C1是高压臂电容，C2是低压臂电容。
图3是本发明信号调理单元的电路原理图。图中Ui是信号输入端，Uo是信号输出端，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8分别是电阻，C1、C2、C3、C4分别是电容，A1是四输入高速比较器，D1、D2分别是高速开关二极管，V+、V-分别是四输入高速比较器的正、负供电电源。
图4是本发明的应用程序结构图。
图5是本发明的应用程序流程图。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
【具体实施方式】
按照上述方法，本发明运用虚拟仪器技术，以工业控制计算机为硬件平台，结合高压分压器、信号调理单元、采集单元以及应用软件构成电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置多通道瞬态波形在线检测装置。
本实施例由六只高压分压器从高压母线的六个检测点上分别引入电压信号，分压后由同轴电缆分别连接到信号调理单元的六路电压信号输入端，处理后再由同轴电缆将信号调理单元的触发信号输出端及六路电压信号输出端分别与采集单元的触发信号输入端及六路电压信号输入端相连，采集单元通过PCI总线与工业控制计算机通讯。当检测到过电压，信号调理单元就发出触发信号通知采集单元采集。安装在工业控制计算机上的应用软件实现整个检测过程的程序控制。
按本实施例构成的电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置主要技术指标：
1)可测过电压波头范围
最小可测波头为50ns的瞬态波形过电压；
2)采样通道
本装置配置6个模拟量通道，可扩展；
3)采样速率
采样速率可调，每通道均可高达100MS/s；
4)采样深度
采样深度可调，每通道均可高达2M；
5)启动录波电压
可调，一般设为额定电压的1.5倍；
6)输入阻抗
1MΩ、50Ω。
7)预触发参考位置
0-100％(相对于采样深度的百分比)内可调。
技术创新点：
1)灵敏可靠的电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置实现内外过电压在线检测、自动跟踪功能，能在过电压发生时完整、准确地同时记录下六路瞬态波形过电压信号；
2)最小可测波头为50ns的瞬态波形过电压；
3)高质量高效率的采集功能，采样速率和采样深度可调，分别高达100MS/s和2M；
4)灵活方便的数据调用功能，可查询已保存过电压历史数据，进行任意通道波形及相关信息的显示，实现对波形的多种操作。
下面结合附图对装置的各个部分作进一步详细描述。
1.高压分压器
本发明的装置如图1所示，
高压分压器的原理图如图2所示。高压分压器采用电容分压方式，高压臂电容与低压臂电容串联后，输入加在串联后两端，输出则从低压臂电容两端提取。
2.信号调理单元
信号经高压分压器分压后，进入信号调理单元。信号调理单元含有分压电路和触发电路，其电路原理图分别如图3所示。在信号调理单元中，每路信号首先经过分压电路，然后一路信号与采集卡的信号输入通道相连，另一路信号则进入触发电路。触发电路产生的触发信号控制采集卡采集。触发电路为双门限比较电路。当输入触发电路的信号电压绝对值大于启动录波电压时，触发电路输出高电平，即触发电路动作产生触发信号触发采集卡采集数据；否则输出低电平，采集卡不被触发。在实际测量中，触发代表着一个事件的开始。但是，某电压信号达到某一幅值触发时，该信号在这之前已经存在，所以在本系统中实现了采集单元的预触发功能，以保证采集到的过电压波形的完整。
3.采集单元
本发明的采集单元采用美国NI仪器公司的三块PCI-5112型数据采集卡，与RTSI总线共同搭建起一个可同时进行多路信号数据采集的采集单元。采集卡安装在工业控制计算机内，实时采集数据并传输数据。它采用PCI总线方式，由于PCI总线的高速特性，有效地解决了实时采集、实时传输和实时存储等问题，解决了大容量数据的传输瓶颈，实现了短时间内发生的多次过电压数据不丢失。信号调理单元的触发通道与采集单元的触发通道相连，一旦信号调理单元跟踪到过电压就会产生高电平通过同轴电缆通知采集单元，采集单元就根据所设置的采集参数进行采集，然后通过PCI总线将采集到的数据按指定的路径保存到工业控制计算机的硬盘上。
4.工业控制计算机
工业控制计算机是本发明的核心硬件平台，主要支持过电压在线检测仪对整个检测过程的控制。它和应用软件结合起来可以控制采集单元，以不同的采集控制方式记录、存储过电压的幅值、波形及相关信息，可以查询已保存的数据波形文件，并进行任意通道波形及相关信息的显示，实现对波形的多种操作。该系统采用高性能品牌工业控制计算机，性能稳定、工作可靠、具有良好的抗干扰能力，同时配有液晶显示器及笔记本式键盘、光电鼠标。
5.应用软件
电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置的应用软件是基于美国NI仪器公司图形化编程软件LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)编制而成，界面友好，操作简单、维护方便。
本发明的应用软件与工业控制计算机结合起来主要实现对整个检测过程的控制，实现对采集单元的控制，对过电压的实时采集、存储和显示以及实现对已保存过电压历史数据的查询、操作等功能的实现。本发明应用软件结构图和流程图如图4和图5所示。
本发明的应用软件主要由主程序、采集程序以及数据调用程序三个部分组成。
主程序是本发明的应用软件的窗口，从这里可以进入其他程序。主界面是进行数据采集、数据调用及退出过电压在线检测仪的门户。通过鼠标左键单击相应按钮就可以进入下一级界面。
通过鼠标左键单击相应按钮就可以进入下一级界面。鼠标左键单击过电压在线检测仪主界面上的数据采集按钮后，就进入了数据采集程序。
采集程序主要完成对采集过程的控制和对过电压的扑捉、存储的过程，并将扑捉到的过电压波形实时显示出来。采集程序包含了采集参数设置界面和实时采集界面两个界面。
在采集参数设计界面中，相关于触发、采集的各个参数将被控制。这里，触发方式、输入阻抗、参考位置、触发门槛、信号范围、采样速率、采样深度、过电压数据保存路径均可用鼠标、键盘进行设置。当完成所有采集参数的设置之后，用鼠标左键单击确定按钮，就会进入实时采集界面。
实时数据采集界面将按参数设置界面所设置的方式进行采集，当跟踪到过电压，就会实时显示被扑捉到得过电压波形，并显示与此次采集相关的信息(如采集速率、采集长度、保存路径等)。在实时数据采集界面中，左边显示的是与本次采集相关的一些参数，右边显示的是采集到的数据波形。在界面右边从上向下的三块波形显示区，每一区显示两路通道，分别为通道1和通道2，通道3和通道4，通道5和通道6；其中通道1、通道3及通道5的波形以天蓝色显示，而通道2、通道4及通道6的波形以深蓝色显示。若用鼠标左键单击，本次采集就会结束，同时返回到主界面。
数据调用界面相当于多输入示波器的应用界面，完成对已保存数据波形的调用及实现对波形的各种操作。主要实现以下功能：
1)设置显示通道，可选择任意通道显示，单路或多路
2)调用过电压历史数据，可重复调用
3)设置光标参数，并显示光标的位置及对应光标的差值
4)调用数据相关信息的显示，如这个数据的采集时间，采集速率等
5)波形的拉伸，有两种方法可以实现：方法一，旋转X轴或Y轴的分度值旋钮；方法二，利用光标进行拉伸缩放。
6)波形的平移，有两种方法可以实现：方法一，移动X方向或Y方向对应的平移标度尺；方法二，利用光标进行平移。
7)退出数据调用界面，并返回主界面。
如上所述，采用本发明进行电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置可以在不同的采集控制下同时采集多路电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置瞬时内外过电压，不仅实时显示、存储检测到的过电压波形及相关信息，而且可以查询过电压历史数据并支持任意通道波形及相关信息的显示，同时可编辑形成文档。本发明实现了整个运行过程的自动化、智能化，不仅运行稳定、操作方便，而且运行过程中无需人员值守。本发明可以真实记录电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置中遭受的各种过电压的波形，具有高可靠性，强抗干扰能力以及高保真性，能对电力系统多通道瞬态波形过电压在线检测装置过电压水平进行量化，以此验证过电压理论计算和实际情况的偏差，为更好的绝缘配合、修订绝缘水平提供参考。