李朝勋
51072319790824**** 山西太原 030000
摘要：变电站可以对较大的电压进行转换降压，从而形成较小的电压，为人们日常用电和工厂提供适当的电源电压，对人们的生活和工作有着举足轻重的作用。现如今由于变电站内部种种技术管理原因，可能会造成电力震荡或其他严重现象。因此，本文为确保变电站变电站的安全合理运行，对变电站电力质量监测进行研究，并提出一种新型的检测系统，能够规避可能产生的潜在安全事故。
关键词：变电站；电力质量；监测系统
前言：现如今我国发展的速度越来越快，电力行业也在不断的发展。电力行业作为我国的根本产业，能够源源不断的为各行各业、各个地区输送电能，为国家作出了巨大的贡献。变电站的安全稳定牵动着国家的心，因此有必要对变电站进行实时监控以确保其能够安全运行。
1监测系统的结构和功能设计
本文对变电站电力质量系统采用的是FPGA系统平台。它是专用集成电路中的其中一类，由于有着较多的优点，能够应用在乘法器、寄存器等多种复杂的硬件电路上，还可以与Verilog HDL和框图进行关联，因此深受广大研发者喜爱，在市场上应用较为广泛[1]。本文的FPGA系统是由多种数据采集模块和对应的控制模块所构成。整个质量监测系统研发的目的是上报给变电站的工作人员分析记录，若再出现异常事故时，可以发生警报及时提醒工作人员进行处理，实现对变电站异常信息的监控和记录整理，在紧急时可紧急跳闸防止变电站内部出现事故。控制站、监控站要和服务器建立联系，需要连接通信模块，因此在通信模块上可以选用TCP/IP协议。它的优点在于协议是完全免费开放的，节约了部分成本，而且它并不依附于检测系统，属于独立的模块，其网络地址统一分配，这些特点使得本系统优先采用TCP/IP协议。总而言之，这套监控系统的具体工作内容为记录、报警和紧急跳闸，可以缓解变电站工作人员的工作压力。
为了确保系统的稳定性，在控制机发生故障时监测系统还能正常开展检测，不影响变电站的具体工作。因此在本系统的设计上采用一个主用控制器和一个备用控制器，在主用控制器出现事故故障时可以临时启用备用控制器，也不影响系统的正常运行。NAS又称网络附属存储，主要的功能是储存网络资料，在本系统中储存工程师的账号、密码、数据资料和历史记录等[2]。在控制系统加入GPS模块能够有效的记录时间信息，为了规避安全风险，在系统中要添加主副两个GPS模块。它可以帮助变电站内部系统和本地电网输出传输和时间段保持一致性。通过IP协议还可以使用因特网进入变电站电力质量监测系统。
1.1硬件配置
本文FPGA系统控制器主要包含四个部分，其中有GPS模块、数字输入模块和两个模拟输入模块。为了能够使监控系统工作更为稳定，更加有效地记录数据和发现变电站内部的异常，因此本文采用4核2.90 GHz的处理器作为服务器的前端平台。GPS全球定位系统无时无刻向地球发射数据，而GPS模块可以准确的接收全球定位系统发送的数据，并提取其中的时间信息，监控系统能够得到精确的时间戳。数字输入模块是由通道、电流数字输入模块和接收断路器信号构成。接收断路器信号能够有效接收和监测信号来源类型，电流数字输入模块需要供给24V电压才能正常工作。模拟输入模块有两个，将其编号分为模拟1和模拟2。模拟1的目的是为了更好的接收传感器电压信号，它采用的是32通道，16位模拟模块，工作电压范围为±200mV--±10V。模拟2的目的是更好的测量PT信号电压，它采用的是3通道，24位模拟模块，工作电压为300V。
1.2事件触发和记录机制
该系统为了方便变电站的工作人员，减轻工作人员的任务量，在其中还加入了事件触发和记录机制。在变电站电力质量存在问题或发生故障时，事件触发系统会进行工作，一般是采用警报的方式提醒工作人员吊变电站内部出现的故障及时进行维修，在事件触发后记录机制也会同时触发，它能够在故障时记录变电站内部和故障信息，作为维修人员维修的参考凭证。
为了更好的对电能质量进行检测工作，通常会采用FPGA编程进行监测工程。由于CPU在工作时很有可能会导致时间戳的时间段没有达到高度重合，而FPGA具有实时性，能够准确的采集数据，记录电能质量，可以降低检测过程中产生的误差。该系统的信号传递和检测结果通过直接存储器，在内部经过处理后，最终传送至控制器中，从而完成检测工作。
在变电站电力质量检测中，其中存在一个较为重要的参考指标为频率。通过频率f能够推算出电力质量，具有重要的意义。单周期电压信号的周期T和频率f的关系为：
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其中|Δf|为电力质量频率波动偏差，是系统频率和频率参考的差值绝对值。在|Δf|>0.2 Hz时，就会对原始数据进行记录。
2数据采集通道设计
变电站电力质量监测系统还需要设计相应的硬件电路，通过对数据的采集工作，从而实现对电力质量的监测。整个数据采集通道的工作流程为：系统感知到外界的模拟信号将其输入，然后形成模拟电压，经过低通滤波处理将高频信号滤除，对数据进行采样和转换，通过A/D转换器将模拟信号转换为CPU所能接收的数字信号，经过一系列变换后最终完成了数据的采集工作。在系统中需要将模拟信号转化为数字信号，那么就需要选取合适的A/D转换器。
2.1电压、电流采集电路
为了降低本系统的电压和电流，就需要选取电流互感器和电压互感器。在进行电流和电压互感器选择上，优先选择0.1精度的互感器，能够更有效的将大电流和大电压转换成所需的电压和电流。电流互感器是由闭合的铁芯和绕组组成，电流通过后可以将电流大小进行转换。电流互感器在使用时需要注意使用事项，不要将其反向连接，以免出现事故使电流互感器损坏。为了避免电流互感器绝缘击穿引发事故，需要将电流互感器的副线圈进行接地处理。而电压互感器与电流互感器的构成结构较为相似，在进行电压互感器的安装时，要安排技术人员前来安装和维护，试用期要对其进行测试，测试无误后方可投入使用。电压互感器在使用时也要正确连接极性，副线圈一侧不允许没有负载和短路连接，且和电流互感器一样，需要对其进行接地处理以确保安全性。
在整个数据采集通道设计中，还需要加入低通滤波电路，它的工作原理为低频信号能够正常通过，而高频信号会被阻拦，可以将高频率的电压滤掉，留下所需的低频率电压和电流。低通滤波电路的临界频率计算公式为：
其中电路中的电阻和电容越大，临界频率就越小。它的特点是输入较高的阻抗输入，最终可以得到较低的阻抗输出。
2.2电源设计
电源是保证系统正常运行的关键，电源不稳定或受到干扰将会导致整个系统运行不稳定甚至无法运行，由于单片机是易受干扰的电子器件，电源又是最直接的干扰源，因此，必须使用优质的电源模块以提高整个系统的抗干扰能力。
本系统电路通过变压器对220V交流电压施加一次绕组后，可以降低交流电的电压，虽然进行了一次变压，但是电压值仍然较高，需要对其进行桥式整流降压后才能接通至电子元器件上。在二次绕组处通过二极管桥式整流电路进行整流，通过电容进行滤波得到稳定系统所需较为稳定的直流电压，再将这个直流电压送入三端稳压集成电路的输入端中作为工作电压，最终输出稳定的5V电压。
结论：综上所述，通过设计出新型的变电站电力质量监测系统能够有效规避和预防变电站的潜在事故，从而可以更好的为国家和地方提供稳定的电力。在未来，电力质量监测系统会不断优化创新，最终普及到每一个变电站中。
参考文献：
[1]胡荣,李金,时伯年,等.变电站电力质量监测系统的设计[J].自动化与仪表,2019,34(08):10-14+19.
[2]刘辉,朱晓东,李贞.基于虚拟仪器的变电站电能质量监测系统的应用[J].山东电力技术,2019,42(01):39-42.