PicoScope在Techimp高壓監測系統中的應用

摘要

高壓線纜的局放（局部放電暫態對地電壓）是電力系統里面的一個頭疼問題，尤其在高空輸電網接頭轉換的位置。Techimp公司在給歐洲電網運營商TenneT供貨的PCMONS就是一套連續監測、局放事件的系統。其中的核心組件就是PicoScope示波器，每套子系統都包含2臺高采樣率的PicoScope6000系列示波器用于記錄高頻瞬態波形，以及6臺PicoScope4824八通道示波器用于記錄多路傳感器信號。PicoScope的SDK開發庫支持使得整套系統的軟件能夠無縫運行。

一、系統介紹

Techimp是全球電氣設施故障診斷的領先品牌，最近它們給TenneT供貨了一套PCMONS系統（電源連接監測系統），TeneT是歐洲大牌的電網運營商（類似我們的國家電網）。PicoScope作為一個部件集成在這套系統里。

高壓線纜的局放（局部放電暫態對地電壓）是電力系統里面的一個頭疼問題，尤其在高空輸電網接頭轉換的位置。所以TenneT才會訂購一套Techimp 的PCMONS系統，用在他們的Randstad Noordring 項目里面。PCMONS系統會永久連續地進行監測，捕獲所有超過幅度閾值的暫態波形。每次局放產生的時候，它能一次性同時抓取所有參數，對應時間戳的精度可以達到100ns，以便于和其他系統捕獲的事件在時間上相互關聯。

圖1 ：室內機柜，PicoScope 6000系列和4824 是采集系統的核心，還包括Techimp自己開發

安裝這套系統是為了收集數據，了解傳輸線路或高空輸電網的表現，確認局放機制的數學模型是否準確，并且得到一個系統的老化指征，在局放不時發生的情況下能夠判斷剩余的壽命。

PCMONS系統安裝在荷蘭北部超過40公里的高壓電網上，通過8個單元分配給13個地區和4個變電所。它的基本組成就這樣的：前端傳感器，連接到機柜中安裝的放大器，比克科技的捕獲設備以及一套觸發邏輯。所有的機柜分別通過光纜連接到一臺服務器主機，它負責集中分配觸發信號，各個機柜采集到的數據再傳回主機。服務器主機除了存儲數據還有一套專門的人機接口用于顯示和分析，叫做Techimp TiSCADA

圖2：Techimp TiSCADA 界面一覽

PCMONS系統負責捕獲，處理，打包并呈現和電力連接相關的信息，用戶可以使用它全套的功能。不論是連續的還是脈沖信號，電壓還是電流，包括局部放電過程的波形都會被存儲下來。

每個輸入通道都可以獨立調節觸發閾值，超過這個閾值，就會開始捕獲。一個供電單元里只要有1個傳感器監測到符合要求的特征事件，就會觸發并測量整個單元里面的所有參數。每個輸入觸發電平都可以在0到最大輸入電壓之間調節，通過人機交互界面或者遠程控制就可以操作。

每次觸發之后，所有輸入頻率小于1MHz的信號都會記錄1s時間。而所有頻率大于1MHz的信號記錄20ms。（為了最大化利用存儲空間）

詳細來說，PCMONS會記錄以下參數：

以下每個參數都通過PicoScope示波器來記錄，用到的有PicoScope 6000系列的3個通道采集500MHz信號，以及PicoScope 4824的7個通道采集1MHz信號，剩下的1個通道作為觸發輸入。PicoScope在將尺寸小、精度高、帶寬高、界面友好等等特點完美地結合在了一起。

•  參數1：相電壓瞬態波形（0-693KV，DC-1MHz，PicoScope 4824）在變電所用一個RC分壓電路，測量相電壓，在系統被觸發的時候以高采樣率記錄波形

• 參數2：相電壓振幅（0-693KV，DC-1MHz，PicoScope 4824）利用軟硬件求和得出一條線路上的電壓均值。在系統工作時一直連續采集電壓波形，采樣率選用較低的值，每隔一段時間計算出一個均方根值，作為輸出結果

• 參數3：各相電流(0 to 4 kA, 0.2 Hz to 2 kHz; PicoScope 4824) 使用高壓電流換能器（HVCTs）在變電所測量每相的電流，在系統觸發時用高分辨率來記錄波形（和相電壓同步）

• 參數4：高空輸電網電流振幅(0 to 4 kA 0.2 Hz to 2 kHz; PicoScope 4824) 利用軟硬件求和來求出母線上的電流流入與流出。在系統工作時一直連續采集電流波形，采樣率選用較低的值

• 參數5：線纜上的總電流(0 to 22 kA, 0.2 Hz to 1 MHz; PicoScope 4824) 使用羅氏線圈安裝在每條線纜的末端，使用高采樣率，在系統觸發的時候采集波形

• 參數6：線纜屏極電流(0 to 22 kA, 0.2 Hz to 1 MHz; PicoScope 4824) 通過羅氏線圈套接在線纜屏蔽殼接地的地方，測量流過線纜屏蔽殼的電流，使用高采樣率，在系統觸發的時候采集波形

• 參數7：線纜中的電流振幅 (0 to 2 kA, 0.2 Hz to 2 kHz; PicoScope 4824) 持續地測里昂線纜中的電流振幅，每隔一段時間計算一個均方根值電流作為輸出結果

• 參數8：終端的局部放電電壓(0 to 1000 pC, 500 MHz; PicoScope 6000 Series) 測量高空輸電線和地面線纜連接處的局部放電，信號通過安裝在終端的傳感器采集記錄

• 參數9：浪涌放電器電流(120 kA, 1 Hz to 5 Hz; PicoScope 4824) 使用羅氏線圈測量每個浪涌放電器到地的電流，用高采樣率，在系統觸發的采集

• 參數10：浪涌放電器漏電電流(12 mA, 0.1 to 650 Hz; PicoScope 4824) 使用羅氏線圈測量浪涌放電器的漏電樓，使用高采樣率，在系統觸發的時候采集

• 參數11：屏蔽殼連接處電壓(DC to 10 kV DC to 1 MHz; PicoScope 4824) 用一個分壓器，測量屏蔽殼連接處（比如高壓聯接器）的電壓，使用高采樣率，在系統觸發時采集

• 參數12：屏蔽連接處的電流(0 to 22 kA, 0.2 Hz to 1 MHz; PicoScope 4824) 使用羅氏線圈在屏蔽殼連接處測量電流，使用高采樣率，在系統觸發的時候采集

• 參數13：線纜連接處的局放 (0 to 1000 pC, 500 MHz; PicoScope 6000 Series) 在線纜連接處用內置的傳感器測量局放數值

二、界面可視化

圖3：瞬態脈沖產生時記錄的波形

人機交互接口基于Techimp的TiSCADA軟件，可以讓客戶控制整個系統，看到波形和異常的事件記錄，并且與發生地點相關聯。

所有的波形都以異常事件作為索引，每次采集的事件都記錄下來它的發生時間和一個歸一化數值，這個數值可以簡單的描述波形的特征，所有事件連接起來可以看到一條趨勢曲線，點開每個點就能夠查看詳細的事件對應的波形、參數和發生位置。

三、事件追蹤

事件還可以按照區位來查看，從地理信息圖上直接瀏覽或者在查看異常事件在整個輸電線上的分布。

圖4 事件追蹤界面

圖5 事件詳細信息界面

結論

以上系統是2015年上線的，這套儀器還曾在2013年安裝到了一套和PCMONS類似的系統里面，至今沒有產生任何偏差，測量結果始終完美地保持一致。