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摘要：近年来，随着电力电子技术的快速发展，大量含有电力电子装置的元器件被运用到电力系统工业中，如整流器、逆变器等。然而，这些装置的运用会产生诸如谐波、无功电流等污染电网的电流，使得电网的电能质量下降;除此之外，电网负载端的大量非线性负载也会产生谐波污染电网。对于如何抑制谐波和补偿电网成了如今学者们研究的重点。
关键词：电网；谐波电流；检测方法
1前言
传统的高压输电线路谐波检测方法采用有线方式，在变电站中将谐波检测仪接入PT/CVT二次侧，通过检测PT/CVT二次端的小电压信号来检测母线上的电压，间接获得线路中谐波含量。据统计，在国外72.5kV以上的电压等级的电压互感器几乎全部采用电容式电压互感器CVT。在国内，110kV及以上电压等级互感器也广泛采用CVT。目前广泛采用在互感器二次侧采样的方式进行电网电压的监测，但由于受CVT传输特性的固有影响,导致该方法在谐波分析中并不适用国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》及IEC相关标准都明确规定，CVT不能用于谐波测量。原因是通过测量CVT二次测电压信号谐波含量，再按照比例折算出线路谐波含量，这种测量方法由于CVT本身电容特性，会对不同频率的谐波按不同比例衰减，而衰减比例并不成线性比例关系，导致测量结果存在很大的偏差，最大偏差量可达36.70%，因此从CVT测取的谐波电压测试结果，会造成许多公共连接点供电电压不合格的虚假现象，因此，传统借助CVT检测高压线路谐波的测量结果不能采用，并且也只能对变电站内部线路借助CVT测量，对于站外高压线路由于没有安装CVT柜将无法测量谐波。同时对于10kV高压线路，由于电压互感器一次侧中性点有串接一只消谐电阻接地，可能对体现零序特性的谐波电压的测量结果造成影响，最终影响谐波电压总畸变率的测试结果。
为了更方便、更安全、更可靠地对输电线路电能质量进行检测，提出了运用便携式高压输电线路谐波检测仪，精准地测量2-32次及3-31次谐波，并克服传统测量方法只能在变电站内测量的局限性。
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。
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1(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+Ｒ2Ｒb，综上使Ｒ1=49MΩ，Ｒ2=1MΩ。
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图1 母线直流电压采样调理电路图
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图2 母线交流电压采样电路图
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。
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。
图2(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50Hz交流分量被提取出来。根据Q/GDW1969—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10V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10V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0～30V。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±1.5V限幅电路，使输出电压范围适配后级A/D转换0～3.3V的输入电压范围。当输入电压小于30V时，电路可以精确测量电压，当电压幅值超过30V时，电路满量程输出。图2(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150Hz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5V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0V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。
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50～500Hz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2kHz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AＲMCortex－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6MHz，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802.11b/g/n无线协议。同时支持Station、AP、WiFidirect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结语
随着信息技术与通信技术的发展，电能质量检测技术正向着信息化、网络化和标准化的方向发展，更加的适应了电力系统的运行，在电力系统谐波检测中，更好的融入计算机技术、通信技术及电子技术，是谐波检测的发展趋势。
参考文献
[1]帅定新，谢运祥，王晓刚.电网谐波电流检测方法综述[J].电气传动，2008，38(8):17－24.
作者简介
佟建炜 （1983年10月-）高级工程师，主要从事继电保护、技术监督、交直流等研究。