基于非接触测量传感器的配电网在线监测和故障识别研究

摘要

随着社会的高速进步发展，人民对电能质量的依赖和要求也日益增加。统计表明，95％以上电力用户所遭受的停电事故是由配电网故障引起的，因此，配电网的在线监测和故障识别对于电网的安全可靠运行以及推动智能电网的发展具有重要意义。传统的电力互感器因为在体积、重量、绝缘成本、稳态测量精度和暂态响应速度等方面的缺陷，已经越来越不适应现在对配电网电压和电流进行实时在线监测的要求，更难以用于配电网故障的识别。本文基于非接触的测量方式，提出了一种电压电流一体化的在线故障监测系统，并在此基础上提出了根据电压和电流变化来识别故障的方法。本文的主要工作体现在以下几个方面：
　　①提出了以电场耦合的方式来实现电压的非接触测量，研究了电场耦合式电压传感器的测量原理，通过传感器等效模型的建立，确定了电场耦合电压传感器工作于自积分模式的差动结构，在此基础上制作了PCB型的电场耦合电压传感器。提出了以Rogowski线圈实现电流的非接触测量，分析了Rogowski线圈的工作原理，对其暂态响应进行了理论推导和MATLAB仿真分析，并结合工频测量的需要，制作了以硅钢片为骨架的带磁芯 Rogowski线圈。在电场耦合式电压传感器和Rogowski线圈的基础上，对他们再进行组合，制作了非接触电压电流一体化传感器，其开口式的结构便于安装在配电线路和高压套管上使用。
　　②根据配电网故障在线监测的需求，设计了硬件测量电路，用于传感器输出测量电压和电流的信号调理与AD采样和转换。采用LabVIEW编写了上位机软件程序，完成了对测量数据的波形显示、分析和保存。基于UDP协议借助WIFI网络实现了硬件电路和上位机软件之间的双向通讯。
　　③提出了通过故障过程中电压和电流的变化来识别故障的方法，并通过理论分析证明了其可行性。在此基础上用PSCAD/EMTDC建立了配电网故障仿真模型，通过仿真进一步论证了该方法的正确性。在实际配电网中进行了传感器的挂网安装，效果良好，说明所设计的非接触电压电流一体化测量系统能在配电网的在线监测和故障识别中发挥独特的作用。
　　④搭建了配电网实验平台，用于对非接触电压电流一体化在线监测系统进行试验校验。通过与作为标准的泰克高压探头和SDD钳型电流互感器进行对比，对电压传感器和电流传感器的稳态测量性能进行了验证，还对灵敏度进行了标定，并通过线性度拟合得到了电压传感器和电流传感器的比例修正系数，可用于后续上位机软件对数据和波形的处理及校正。除此之外，还进行了电压传感器和电流传感器的开关操作暂态实验，验证了它们的暂态性能。最后，对系统进行完整测试，结果显示，该系统能够实现对配电网的实时在线监测和远程数据传输，是一种可以应用于在线监测和故障诊断领域中的非接触式智能化系统。

目录

封面

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 电压互感器的研究现状

1.3 电流互感器的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 非接触电压电流一体化传感器的设计

2.1 引言

2.2 电场耦合方式的电压传感器

2.3 非接触式电流传感器——Rogowski线圈

2.4 非接触电压电流一体化传感器制作

2.5 本章小结

3 系统硬件和程序设计

3.1 测量系统的总体设计

3.2 硬件电路设计

3.3 上位机软件程序设计

3.4 本章小结

4 传感器在配电网在线监测和故障识别中的应用

4.1 引言

4.2 配电网的特点

4.3 配电网短路故障特征分析

4.4 配电网短路故障识别总体方案

4.5 配电网短路故障仿真

4.6 传感器在实际配网中的安装

4.7 本章小结

5 试验研究与分析

5.1 引言

5.2 实验平台搭建

5.3 电压传感器试验

5.4 电流传感器试验

5.5 电压电流一体化传感器在线监测系统校验试验

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目