移相电容器介质损耗因素测量方法与在线监测终端的研究--硕士学位论文.doc

学校代号 10532 学 号 S05092041 分 类 号 密 级 硕士学位论文移相电容器介质损耗因素测量方法与在线监测终端的研究学位申请人姓名 李海波培 养 单 位 电气与信息工程学院导师姓名及职称 徐勇副教授学 科 专 业 电力系统及其自动化研 究 方 向 电力系统微机保护与自动化技术论文提交日期 2008年5月8日学校代号：10532学号：S05092041密级：湖南大学硕士学位论文移相电容器介质损耗因素测量方法与在线监测终端的研究学位申请人姓名：李海波导师姓名及职称：徐勇副教授培养单位：电气与信息工程学院专业名称：电力系统及其自动化论文提交日期：2007年5月 8日论文答辩日期：2007年5月15日答辩委员会主席：孟志强教授Research on Measuring Method of Dielectric Loss and On-line Monitoring Terminal for Phase-shifting Capacitors byLI HaiboB.E.( Hunan University)2005A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of ScienceinAutomation of Electric Power Systems in the Graduate Schoolof Hunan UniversitySupervisorAssociate Professor XU YongMay, 2008湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日V硕士学位论文摘 要随着电力事业的迅速发展，对电力系统运行可靠性要求将越来越高，电气设备绝缘检测技术的发展更加受到重视。移相电容器是重要的无功补偿装置，由于其单位容量费用低、有功功率损耗小(约为额定容量的0.3%-0.5%)、运行维护简便等优点而得到了广泛运用。介质损耗因数是反映移相电容器性能状况的重要参数。因此，移相电容器介质损耗因数在线监测技术的研究具有很高的理论意义和广泛的实用价值。本文指出了影响移相电容器介质损耗因数的主要因素，阐述了过零电压比较法、高阶正弦拟合法、相关函数法和基波相位分离法、谐波分析法测量介质损耗的原理，同时指出了这些方法的优缺点。谐波分析法要求对测量信号进行同步采样，而受电网频率波动的影响，很难实现完全的同步采样，从而产生频谱泄漏和栅栏效应。论文深入研究了频谱泄漏和栅栏效应形成的原因，分析了加窗的作用，根据余弦窗的特性，提出了加汉宁窗的谐波分析法应用于介损角测量，给出了详细的推导过程。与加汉宁窗插值的谐波分析法相比，减少了插值环节，易于在DSP上实现。通过MATLAB仿真，比较了加汉宁窗差值的谐波分析法、加汉宁窗的谐波分析法的测量误差，仿真结果表明，加汉宁窗的谐波分析法具有较高的测量精度、实时性和抗干扰性能。在算法研究的基础上，设计了一个基于DSP技术和实时操作系统C/OS-的移相电容器在线监测终端，给出了装置总体框图，设计和分析了主控模块、数据采集模块、人机交互模块的电路，并在DSP上实现了介损角测量算法。关键词：移相电容器；在线监测；介质损耗；谐波分析法；汉宁窗；非同步采样AbstractWith the rapid development of electric power enterprise,the demand on the reliability of electric power system is further more,and the development of insulation monitoring technique has been paid more attention.Phase-shifting capacitor is an important reactive compensation devices, it has been widely used because of its low-cost unit capacity, small active power loss (approximately 0.3%-0.5% of the rated capacity ) and simple operation and maintenance.Therefore, the the research of dielectric loss factor online monitoring techniques phase-shifting capacitor has a high degree of theoretical significance and a wide range of practical value.The paper pointed out the main factors influencing phase-shifting capacitor dielectric loss, higher-order Sine fitting algorithm,correlation function algorithm, fundamental harmonic separation algorithm,and harmonic analysis method ,and points out. advantages and disadvantages of these methods. Harmonic analysis method requires synchronous sampling for measurement signals.However, its difficult to achieve complete synchronous sampling for the influence of power frequency fluctuation.Its the reason of spectrum leakage and fence effect. The paper has an in-depth study of the cause of spectrum leakage and fence effect,analysis the role of weighted, according to the characteristics of cosine window, puts forward the method of harmonic analysis method based on cosine windowing in dielectric loss angle measurement,and gives the detailed derivation process. Compared with windowed interpolated harmonic analysis method, the method without interpolated is easy to realization based on DSP. The measurement error of harmonic analysis method based on hanning-windowed interpolated and hanning-windowed are compared through MATLAB simulation. The simulation results show that the harmonic analysis method based on hanning-windowed possesses good accuracy, real-timing and anti-interference characteristics.On the basis of the algorithm, an online monitoring terminal for phase-shifting capacitor based on advanced DSP technology and real-time operating system C/OS-was designed, the general schematic of the hardware design was given., and the current of the main control module, the data acquisition module and the man-machine interactive module was detailed designed and analyzed.Keywords: Phase-shifting capacitors;On-line monitoring;Dielectric loss;Harmonic analysis method;Hanning-windowed;Asynchronous sampling目 录学位论文原创性声明与论文版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 电容型设备介损及其在线监测的研究背景11.1.2 移相电容器保护的研究背景21.2 电容型设备介损及其在线监测的研究现状31.2.1 介损测量方法的研究现状41.2.2 在线监测信号提取技术的研究现状51.3 绝缘在线监测技术存在的问题及发展趋势61.4 本文的主要研究工作及创新点6第2章 介损在线监测的误差分析及测量方法研究82.1 移相电容器介质损耗的定义82.2 影响介质损耗在线监测准确度的因素92.2.1 TV角差的影响92.2.2 系统谐波的影响102.2.3 电网频率波动的影响102.2.4 环境温度、湿度的影响102.2.5 其它影响112.3 过零点电压比较法112.4 高阶正弦拟合法122.5 相关函数法132.6 基波相位分离法14第3章 加窗的谐波分析法的研究163.1 谐波分析法测量介损的原理163.1.1 傅立叶变换163.1.2 谐波分析法测量原理163.2 传统谐波分析法测量介损存在的问题173.3 基于加窗的谐波分析法用于介损测量203.3.1 加窗的作用203.3.2 加窗函数的性能指标223.3.2.1 最大旁瓣电平和旁瓣跌落速率223.3.2.2 等效噪声带宽223.3.2.3 栅栏损失233.3.3 加窗的谐波分析法233.3.3.1 汉宁窗的特性243.3.3.2 加汉宁窗插值的谐波分析法263.3.3.3 加汉宁窗的谐波分析法273.4 仿真分析293.4.1 频率波动的影响293.4.2 谐波的影响303.4.3 AD量化位数的影响313.4.4 采样点数的影响313.4.5 干扰信号的影响323.5 介损在线监测算法的软件实现34第4章 移相电容器在线监测终端的硬件系统设计384.1 系统总体结构384.2 主控模块设计394.2.1 主控芯片选型394.2.1.1 TMS320F2812介绍404.2.1.2 TMS320F2812在嵌入式系统中的应用414.2.2 电源模块414.2.3 复位电路424.2.4 外扩存储单元电路434.3 数据采集模块设计444.3.1 AD器件选择444.3.2 ADS8364简介454.3.3 前端信号调理电路464.3.4 ADS8364接口电路474.4 人机交互模块设计484.4.1 键盘模块484.4.2 LCD显示电路484.5 GPRS模块设计494.6 抗干扰设计514.6.1 系统干扰源分析514.6.2 抗干扰措施52第5章 移相电容器在线监测终端的软件设计简介535.1 主程序设计545.2 菜单设计56结论57参考文献59致谢63附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录64附录B 介损测量源程序65附录C 倒序排列源程序67第1章 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 电容型设备介损及其在线监测的研究背景高压电气设备的安全运行是影响电力系统安全、稳定、经济运行的重要因素，高压电气设备发生事故，不仅会造成设备本身损坏，而且还会造成多方面的损失1-7。文献1统计，“八五”期间我国主要电网中由于电气设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的26.3%，“九五”期间我国主要电网中由于电气设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的23.1%。我国从50年代开始，几十年来一直根据电力设备预防性试验规程的规定，对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些缺陷反映也不够灵敏。我国电力工业自80年代以来，取得突飞猛进的发展，发电装机容量的增长达到10年翻一番的高速度，同时500kV超高压输电网成为主干网，电能质量不断提高。随着电力设备电压等级的提高、技术性能的进步和电力市场的发展，电力系统对绝缘安全提出了更高的要求，常规的预防性试验已不能满足需要。另一方面，由于电力系统运行的要求，有时设备无法停电，造成设备的超期试验或不能试验。即便是进行定期的停电检修，也需要大量的人力物力。在目前电力紧缺的情况下，停电定检的安排就变得更加困难。在未来电力市场环境下用户对供电可靠性要求进一步提高，因设备故障或检修而造成的停电损失有时是相当大的。既要提高设备的运行可靠性，又要保证较高的供电可靠性，这对电力设备的维护提出了更高的要求。电力系统内的高压电容型电气设备通常是指其绝缘结构可看成一组串联电容的设备，包括移相电容器，电容式电流互感器 (CT)，电容式电压互感器(CVT)及高压电容式套管等。这些设备的数量在变电站中约占设备总数的40%50%，作用电压通常在110KV以上，绝缘很容易被破坏，其绝缘状态的好坏直接关系到整个变电站能否安全运行。因此，为了满足电力系统运行安全的需要，开展电力设备运行状态下在线监测的研究非常有必要。1.1.2 移相电容器保护的研究背景电容器是电容型设备的一种，在现代电力工业中，为了减少线路损失，提高功率因数和稳定线路末端电压，城乡电力网和用电较多的工业企业的变电所都设有大数量的补偿电容器。在各种无功补偿设备中，移相电容器的单位容量费用最低，有功功率损耗最小(约为额定容量的0.3%-0.5%)，运行维护最简便。它可以分散安装在用户处或靠近负荷中心的地点，实现无功功率就地补偿，获得最好的技术经济效果。此外，改变容量方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。由于上述优点，移相电容器得到广泛的应用8-10。据统计10，截止1999年底，全国电网总装机容量为298.77GW，共安装容性补偿装置156.59Gvar。容性补偿率(容性补偿装置总无功容量/装机总容量)为52.4%，其中移相电容器容量占容性补偿装置总量的98.03%。补偿装置主要按照负载的潮流进行装设，因此各省 (市)电网的补偿率根据电源点的配置和负载的需求有很大差异，如主要由外地电网供电的北京电网装机容量为4.92GW，而容性补偿总容量5.73Gvar，补偿率高达 116.60%。由此可见，移相电容器的稳定和安全运行对于整个电力系统的稳定正常供电起着非常重要的作用。根据资料统计11，目前在线运行的电容器各种故障频发，每年都有大量损坏。其损坏的原因虽然分析有谐波的影响、有过电压的问题，但一直没有得到准确的验证，同时也一直不清楚究竟是何种原因起主导作用及如何作用的。表1.1、表1.2分别是我国1997年2003年的电容器年故障率和2003年电容器各种类型故障的分布情况。表1.1 1997-2003的电容器年故障率年份1997199819992000200120022003年故障率/%1.271.481.511.391.631.911.13 表1.2 2002年电容器各种类型故障的分布情况故障类型绝缘不良鼓肚漏油电容超标爆裂闪络其他故障比例/%13.320.730.119.23.69.53.6目前对于移相电容器的保护多以继电保护为主，在实际运行中，电容器组保护动作跳闸较多，除了少部分是电容器内部故障引起外，大部分是因错误接线，保护整定不合理，检修维护测试不到位所致。对此的通常做法是派试验人员去现场对电容器进行试验检查，这既花费大量的人力物力，同时又增加了工作人员误触电的可能性。当然更不可取的做法是强行投运，有的甚至是退出继电保护强行投运，从而导致事故的扩大甚至发生火灾。当电容器是好的时，就会耽误无功补偿，导致功率因数降低、线损增加。所以，这一问题是电力生产中亟待解决的问题。鉴于此，研制一套移相电容器在线监测装置实时反映电容器的性能参数，有着重要的工程实际意义。1.2 电容型设备介损及其在线监测的研究现状变电站高压电气设备在线监测技术的发展，大体经历了以下三个阶段3,5：（1）带电测试阶段。这一阶段起始于70年代左右，当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些绝缘参数（主要是泄露电流）进行直接测量。其结构简单，测试项目少，灵敏度也很差，所以应用范围较小，没有得到普及应用。（2）20世纪80年代开始，出现专用的带电测试仪器，使在线监测技术开始从传统的模拟量测试走向数字化测量。摆脱将测试仪器直接接入测试回路中的传统模式，而代之以利用传感器将被测量转换成数字仪器可以直接测量的电气信号。同时还出现了一些其他通过非电量测量来反映设备状况的测试仪器，如远红外装置、超声装置等。（3）从20世纪90年代开始，出现以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统。利用先进的传感器技术、计算机技术、数字波形采集和处理等高新技术，实现更多的绝缘参数在线监测。这种监测系统可以实时连续地巡回监测各被监测量。因此，监测内容丰富，信息量大，处理速度快，对监测结果可显示、存储、打印、远传及越限报警，实现绝缘监测的全部自动化，代表了当今在线监测的发展方向。80年代以来我国的在线监测技术也得到了迅速发展，特别是各省电力部门，如安徽、吉林、河北、内蒙、广东、湖南等地都研制了电容性设备的监测装置，主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流。电力部电力科学研究院、武汉高压研究所、东北电力试验研究院等单位还研制了各种类型的局部放电监测系统。电力科学研究院、西安交通大学和重庆大学结合油中气体分析开展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作。运行实践表明，利用绝缘在线监测系统或装置可以有效地发现某些早期绝缘故障。如1996年6月在鄂州供电局 220 kV郎家畈变电站，ZJ-01型在线监测系统曾发现变压器220 kV侧A相MOA放电记数器严重受潮故障一起。 停电检测大多是通过 Schering 电桥法检测电容型设备的介损和电容量，接线简单、测量结果稳定。在线监测主要采用数字测量技术，数字测量其过程可以实现自动化，数据的分析、表现手段更为丰富、直观，同时易于集成到更大、更广泛的系统中。但在线检测与停电检测条件差异大（如表1.3），测量实现的难度较大，同时测量结果仍存在一定的分散性。因此，在线准确检测、I 和 C 并根据这些结果进行有效的绝缘状况诊断还存在一些理论和实际的问题需要研究。近年来，国内外学术界对电容型设备在线监测信号提取12-16、数字化测量方法17-28、分析诊断29-33和测量有效性34-37这四方面进行了大量的研究工作。表1.3 停电检测与在线监测的条件对比停电检测在线监测环境要求温度1525，湿度小于65%全天候检测要求10KV运行电压现场干扰带电设备邻相设备、其它带电设备、操作干扰设备状况冷状态热状态检测标准试验规程尚无1.2.1 介损测量方法的研究现状介损的测量方法有模拟测量法和数字化测量法38,39。介损的模拟测量方法主要有谐振法、瓦特表法和电桥法。谐振法只适用于低压高频状态下的测量。瓦特表法是由介质损的功率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现已基本淘汰。电桥法采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，其典型代表是西林电桥法。模拟测量方法的缺点有：测试程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响；随着输变电电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的介损测量误差过大；当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能排除与基波相近的谐波干扰。数字化测量方法的原理是利用传感器从试品上经前置预处理电路数字化后 送至数据处理部分，即计算机或单片机、DSP，算出电流电压之间的相位差，最后得到介损测量值。介损数字化测量属于小角度的精密测量范畴，对测量方法的要求很高，必须能够有效地降低测量误差。测量可通过硬件与软件两种方式实现。采用硬件方式主要是用于分散式（便携式）检测装置，实现的主要方法是过零检测法，即通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介损，该方法对过零点的测量准确性要求很高，因而测量精度易受到谐波干扰、零漂等因素的影响。文献13提出的双向过零法可以减小零漂造成的误差，但未提及对谐波的处理。文献17提出改进的过零电压比较法，即将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点电压差值、电压幅值来计算相位差，通过理论分析，该方法可以降低对过零点检测准确性的要求，但由于要求对信号进行预处理以满足测量条件，会增加硬件处理环节而带来设计、累计误差等问题。文献18提出的数字化过零点电压比较法用数字处理技术代替了ZCPV法的模拟量处理，在一定程度上简化了测量系统的硬件结构，降低了对硬件的要求。软件法主要用在集中式、分布式监测系统，采用波形分析的思路，硬件只完成采样，通过编写软件算法处理干扰、谐波的影响，较为灵活，是目前主要采用的测量方法。目前研究的软件法基本上可以划分为三类：（1）波形拟合法，文献40采用最小二乘法，拟合信号使实际信号与拟合信号的误差平方和最小，可以计算出信号的参数，从而得到介损值，该方法对频率波动的影响较小，但受谐波含量、零漂的影响较大，文献19提出的高阶正弦拟合法的与以上方法原理类似，由于同时拟合高次谐波分量，能够提高对谐波影响的抑制能力，并在一定程度上能够降低对同步采样的要求，但计算更加复杂。（2）滤波法，为有效减小谐波、干扰对测量的影响，首先采用小波变换41或双滤波器42滤波提取基波信号，再计算其自相关函数与互相关函数得到，小波变换具有时频局部性和良好的噪声处理特性，双滤波器来处理测量信号可大大减少单滤波器的阶数，但以上两种方法增加了一级处理环节，计算量大、计算时间长。（3）谐波分析法，将谐波分析43的思想用于设备绝缘的数字化测量，检测结果不受电源高次谐波和电子电路零漂的影响，采用快速傅立叶变换（FFT）计算速度快、计算量小，但系统频率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，而产生频谱泄漏效应和栅栏效应，尤其影响相位测量44，因此必须对算法进行改进，减少频谱泄漏。1.2.2 在线监测信号提取技术的研究现状数字化测量多属于高电压、微电流、小角度的精密测量范畴，为监测电容型设备绝缘状况，需要提取设备的末屏接地电流信号，而末屏接地电流非常微弱，通常为毫安级，所以如何有效地提取电流信号是电容型设备在线监测的关键问题之一。当前国内主要采用电流传感器来测量泄漏电流，为不改变被测一次设备原有接线方式，传感器采用穿心式结构，将传感器直接套装在被测设备的接地线或末屏回路中。这种接线结构可以不改变一次设备接线结构，同时也可避免二次测量回路及计算机受到过电压的直接冲击。穿心式传感器可分为无源与有源两种类型。无源传感器不需附加任何辅助电路，结构简单、维护方便、价格低廉，使用寿命长12,14。但由于激磁磁势易受温度、输入电流和负载特性变化的影响，且铁芯的磁化特性也受各种因素的影响，使得角差和比差不稳定，影响了测量的稳定性。而有源传感器采用零磁通技术降低铁芯的激磁磁势，通过有源放大增加二次端的输出信号，提高了被测信号的信噪比，相对无源传感器角差和比差小且稳定13,15。当前国外的一些公司（如美国的AVO公司、DOBLE公司和德国的LDIC公司等）采用在被测设备的末屏接地线直接串入检测电容16，利用检测电容电压与 TV电压之间的相位关系求取被测设备的。由于电容具有电压不突变的特性，通过选择合适的电容，使得测量输出电压在30至40伏之间，能有效降低外界干扰的影响和信号传输的衰减，测量结果具有较高的稳定性。但直接耦合的方法也影响了一次设备的接线结构，为防止末屏开路、测量回路过电压，必须设计合理的保护电路以保证测量回路的安全性。此外，AVO 公司未能实现测量信号就地处理，长距离传输模拟信息仍不可避免信号衰减与抗干扰问题。1.3 绝缘在线监测技术存在的问题及发展趋势电气设备绝缘在线监测技术经过近20年的发展，已逐渐得到运行部门的认可，该项技术的应用已深人到各省 市电力局的大、中、小各种类型的发电厂、变电站中，但由于技术的复杂性和变电设备的多样性，使其目前还未达到成熟技术的程度，尚存在许多问题有待进一步研究解决3。 (1) 测试精度及其稳定性校验是在线监测系统面临的一个重要技术问题。由于现场情况的复杂性，监测结果无法进行校准，更难与停电试验结果进行对比。 由于其监测的实时连续性，所以干扰信号的准确判断成为影响监测结果的重要因素。因此，要求研制专门的在线监测的现场校验方法和设备已迫在眉睫。 (2) 传感器的特性是在线监测的关键。现在用量最大的传感器是罗可夫斯基线圈，为了追求对小信号的灵敏度大多采用软磁心，其磁性易受外界条件(如温度、压力、冲击)的影响，甚至被测信号的大小不同也会影响传感器自身的角差。所 研制高精度、高稳定、零角差的传感器仍是一个非常重要的研究课题。(3) 基准电压的特性将影响监测结果的分析。目前抽取基准电压的方法大 多是从TV的二次侧抽取，实践证明，其误差较大，同时也增加了现场安装的复杂性。如果从耦合电容器(OY)抽取基准电压可避免这一问题，但当耦合电容器的损耗角较大时，此法亦会出现较大误差。 (4) 干扰问题一直是影响在线监测系统安全可靠运行的重要因素。由于高压变电站复杂的电磁干扰环境，使微量信号的监测(如局部放电、)难度增加，同时偶然的强干扰信号(如雷电冲击、操作冲击)甚至会直接击毁在线监测的入口电子电路。因此，在这里防干扰具有两方面的含义：一是采用滤波器排除干扰信号对监测信号的影响，这就需要研究更先进的数字滤波技术(如小波变换)；二是设置灵敏的过电压防护器件，以及采取降低干扰电平的措施和方法。 (5) 积累运行经验，建立专家系统和报警值以及相应的监测标准。由于目前运行经验缺乏，所以往往使报警值无法确定，这正如预防试验标准的制订一样，需要不断总结运行经验。专家系统的建立则要求进行大量的基础性研究工作。如对绝缘老化规律的研究，以确定多种形式的绝缘特性参数的变化与残余击穿电压的关系等。1.4 本文的主要研究工作及创新点电容设备在电力系统中应用广泛，是重要的电气设备之一。本文以湖南省某电业局提出的“移相电容器在线监测装置”课题为研究背景，对容性设备在线监测装置的介损值计算部分的算法和硬件进行了研究，具有实际的工程背景和应用价值。本文介绍了常用的介损数字化测量方法，深入分析了谐波分析法产生频谱泄露、栅栏效应的原因和加窗的作用，提出了一种改进的加汉宁窗的谐波分析法应用于介损角测量，并进行了MATLAB仿真，与原有的基于加汉宁窗插值的谐波分析法24,25相比，该方法减少了插值环节，提高了计算精度和抗干扰能力，在数字信号处理器上较易实现。在此基础上，研究并提出了一种基于DSP技术和实时操作系统C/OS-的移相电容器在线监测装置的设计方案。全文共分为5章，各章具体的研究内容如下所示：第1章，绪论。阐述了本文的研究背景，国内外电容性设备及其线监测的研究现状和发展趋势，以及本文研究的现实意义，随后给出了本文的主要研究工作。第2章，介损在线监测的误差分析及测量方法研究。分析了影响介质损耗在线监测准确度的因素，介绍了常用的介损数字化测量方法。第3章，加窗的谐波分析法的研究。介绍了谐波分析法的测量原理，分析了产生频谱泄露、栅栏效应的原因和加窗的作用，在此基础上提出了加汉宁窗的谐波分析法应用于介损角测量，MATLAB仿真比较了加汉宁窗的谐波分析法与原有的加汉宁窗插值的谐波分析法的测量精度。第4章，移相电容器在线监测装置的硬件设计。重点介绍了主控模块、数据采集模块、人机交互模块的硬件设计。第5 章，移相电容器在线监测装置的软件设计简介。第2章 介损在线监测的误差分析及测量方法研究介质损耗角正切（，简称介损）是电容型设备绝缘在线监测的重要内容之一。流过电容型设备绝缘的电流I比绝缘两端的电压U超前了一个相角，因为电容型设备通常约为0.0010.02rad，故对测量或的准确度提出了较高的要求。传感器误差、TV 角差、相间干扰、环境温度、湿度因素、系统谐波的影响和电网频率波动是造成测量结果不稳定及造成测量误差的主要原因。因此，在提高硬件部分中传感器和数据采集装置的可靠性和抗干扰能力的基础上，分析传统测量数字化处理算法存在的问题，采用高精度数据处理方法是提高测量准确度的重要手段17-28。本章主要介绍了介损测量常用的过零电压比较法、高阶正弦拟合法、相关函数法、基波相位分离法等，谐波分析法在第3章进行了介绍。2.1 移相电容器介质损耗的定义在交流电路中，电压的大小和方向是随时间的变化而变化的，这个变化过程，意味着介质在电场的作用下产生极化，即产生电荷的积累、消失、偶极子极化方向的改变以及它们问的相互摩擦等，这个过程都发生能量消耗；加上电容并非“理想电容”，对容性电路充电也会发生能量损耗。所以，无论绝缘介质的绝缘性能多么好，在交流电场作用下，都会发生能量的消耗。在交流电压作用下移相电容器的绝缘特性如图2.1所示。流过介质的电流I可看成由电容电流分量和有功电流分量两部分组成，通常。介质的损耗由于机理不同，可分为漏导损耗、极化损耗和局部放电三种基本形式。电气设备绝缘由电介质构成，在电压作用下有能量损耗。电介质的能量损耗包括电导损耗和极化损耗，简称介质损耗，其中介质损耗角正切值()，也称介质损耗因数，简称介损，是反映绝缘介质损耗大小的特征参量。用介质损耗P表示介质品质的好坏是不方便的，因为P值和试验电压、试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较，所以改用介质损失角的正切来判断介质的品质，它是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的物理量。此外，从绝缘特性看，流过介质的电流I及介质电容量C也是反映设各绝缘状况的重要特征参数，综合监测和C，可以更为全面地了解绝缘状况。图2.1 电容型设备绝缘的移相等值电路与相量图高压电容电介质有功损耗的大小与温度，湿度，辐射紧密联系。通常把高压电容器置于高压电场作用下，分析其在单位时间内因发热而消耗的能量。电容器的损耗是衡量电容器品质优劣的一个重要指标。损耗愈大，发热愈大，工作能力愈差，危险愈大。高压并联电容器在工频交流额定电压下，20时损耗角正切值应符合下列值：纸膜复合介质的电容器应不大于0.08%；全膜介质的电容器中，有放电电阻和内熔丝的应不大于0.05%，无放电电阻和内熔丝的应不大于0.03%。运行中电容器内部的有功功率损耗由介质损耗和导体电阻损失两部分组成，而介质损失占电容器总有功功率损失的98%以上。2.2 影响介质损耗在线监测准确度的因素2.2.1 TV角差的影响在线监测系统采用母线电压互感器二次测量端子抽取电压作为标准比较信号，然后通过电缆送至测试主机。但由于TV本身角差的存在，使得二次电压与一次电压间发生了相移，表2.1给出了测量用电压互感器电压误差和相位差的限值。表2.1 测量用电压互感器电压误差和相位差的限值准确级电压误差(%)相位差()crad0.10.150.150.20.2100.30.50.5200.61.01.0401.23.03.0不规定不规定此外，一般母线TV本身二次侧带有多种保护设备，当其二次负荷发生变化后，也会引起TV角差的变化，即电压互感器相角差会随着运行电压、频率以及负载的变化引起有较大的改变，从而对电压相位的稳定性造成影响。而测试时是将电流和电压信号的相位进行比较，当电流和电压的取样信号送至主机时已经引入了电压和电流和相位变化，必然将会对介损测试结果产生影响。所以测量角差的误差主要是由励磁支路引起的空载误差和负荷支路引起的负载误差造成的。随着一次电压的增加，铁心的工作磁通密度相应增加，空载角差呈非线性变化，在 0.8倍到1.2倍额定工作电压范围内由空载阻抗引起的空载角差变化也小于，并且现场母线一次电压波动不会超过，因此一次电压的变化对角差的影响也不大；而由负载阻抗压降引起的负载角差才是角差的最主要的成分，负载角差与负载大小成正比，当二次负载大小一定时，负载角差的曲线是负载阻抗角的正弦函数。因此，电压互感器负载阻抗变化引起的角差变化是影响在线监测介质损耗因数准确性的主要因素。但是就同一母线而言，其上所有设备介质损耗因数测量值的变化幅值基本相同，而且其历次运行方式的变化引起的角差变化也基本一致，若所有设备的数据都同时增大或减少一定数值，则可以认为是由电压互感器角差变化引起的。对这些影响，一般上要通过软件或硬件的方法进行相应的修正。2.2.2 系统谐波的影响近年来，由于电子技术的飞速发展，数字式介损测量技术也逐步走向成熟。各种数字介损测量系统从原理上讲都是基于标准工频正弦电压的tan测量。然而在实际的 tan测量中，其高压电源一般由试验变压器提供，由于变压器的非线性励磁特性，会引入较大的三次谐波分量以及其它高次谐波分量，且随时变化，频率分布广泛。此外，电力系统中其它非线性负载的存在也会导致试验电源波形畸变。电网中谐波主要是 27 次谐波，各次谐波之间的比例依次为 40%、25%、15%、10%、6%、4%，一般来说电力设备的tan值都很小，测量精度要求高，这样谐波频率、谐波波形畸变率、谐波初相角等因素对绝缘监测影响很大，从而产生测量误差。分析表明，研究和解决谐波的影响是进一步完善介损测量技术，特别是介损的数字化测量技术的关键课题。2.2.3 电网频率波动的影响在介质损耗因数在线监测中，一般认为在短时间内测得的电压、电流信号都可看作是平稳的周期信号。根据数字信号处理理论可知，只要能够按照被采样信号周期整数倍长度进行采样，即整周期采样，采用离散傅立叶变换（DFT）进行频谱分析，频域不会发生泄漏，就可以实现对信号频谱的准确分析，获得信号各次谐波的幅值和相位。否则就会因为栅栏效应和泄漏效应，给计算的频谱尤其是给相位带来较大的误差，影响测量精度。在运行现场，实际系统的电源频率常有波动，一般在 49.5Hz到 50.5Hz之间变化21，整周期采样的条件很难满足，如果采用谐波分析法，则频率的波动也是影响介质损耗测量准确度的一个重要因数。2.2.4 环境温度、湿度的影响由于被测设备周围环境温度、湿度每天都有周期性的变化，而绝缘材料的介质损耗因数与其本身的温度有关。环境湿度会影响设备表面的电场分布，在相对湿度较高的情况下，对于电容型套管等形式的设备而言，由于瓷套表面的电位分布主要取决于瓷套表面的泄漏电导，这样在主绝缘电容层与瓷套管表面的等效电容上就会有电流流过，这个影响会使测试的tan值出现比实际值偏小的情况，从而影响介质损耗因数的测量值；同样当设备的运行温度不同时，也会对tan的值基于小波和改进相关分析的的介损值算法研究及其应用产生影响。但实际测量介质损耗因数变化趋势与温度变化一致，在进行绝缘诊断时，采用相对比较法，应用相对值可以显著减少温度、湿度的影响。相对比较法的原理是：同一母线下、同一相、应用同一电压互感器电压基准测量的多台同类型设备，它们的绝缘结构相似，处于相同的运行条件和环境条件下，各种因素对同相设备介质损耗因数测量结果的影响相似，测量数据应该有同时变化的迹象。如果设备绝缘状况良好，则测试结果基本相同，如果测试数据间由明显差异，则其中某台设备的绝缘状况可能出现异常。2.2.5 其它影响介损的数字化测量属于高电压、微电流、小角度的精密测量范畴，而在线监测介质损耗的现场高压变电站复杂的电磁干扰环境以及一些偶然的强干扰信号（如雷电冲击、操作冲击）都使微量信号的监测难度加大。所以除了上述影响因素以外，如采样频率与A/D转换位数选取的合理与否也是影响测量精度的重要因素。2.3 过零点电压比较法介质损耗测量的过零点电压比较法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差，并由电压差来计算相位差和介质损耗角正切的方法17,18。该法在测量正弦波的相位差时，采用在过零点附近测量两个正弦波差值电压的方法。该方法要求在过零点附近测量，由两个被测正弦波之间的差值电压及正弦波的幅值来计算出两个正弦波的相位差。该方法要求满足的基本测量条件是：(1) 两个被测正弦渡的相位差要小；(2) 两个正弦波的频率及频率的动态偏移要相等； (3) 两个正弦波的谐波分量和谐波相位要相等；(4) 两个正弦波的幅值要相等。设两个正弦波的表达式为，式中为因介损引起的相位差。若,则任何时刻的电压差为：由上式可知，当t=0时，由式（2.3）可知，在保持两个正弦波的幅值相等已知时，它们之间的相位差可以用两个正弦波在过零点处的电压差来唯一地确定。当两个被测量正弦波的相位差很小时，式（2.2）可以近似为，对式（2.4）求导，可得到差值电压的变化率，令式（2.6）为零，得到，可见被测信号过零点处差值电压的变化率为最小。而且在每个周波的过零点检测差值电压时，即使有一定的角度测量误差也不会产生大的影响，故可降低过零点的检测精度要求。过零电压比较法对过零点的测量准确性要求很高，因而测量精度易受到谐波干扰、零漂等因素的影响。文献17提出的过零电压比较法，将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点电压差值、电压幅值来计算相位差，该方法可以降低对过零点检测准确性的要求，但由于要求对信号进行预处理以满足测量条件，会增加硬件处理环节而带来设计、累计误差等问题。文献18提出的数字化过零点电压比较法用数字处理技术代替了ZCPV法的模拟量处理，在一定程度上简化了测量系统的硬件结构，降低了对硬件的要求。2.4 高阶正弦拟合法高阶正弦拟合法是非同步采样条件下测量的算法，它采用高阶正弦函数作为信号模型, 将电网频率作为未知数参与计算,并使用最小二乘算法抑制噪声干扰19。设被测量信号由直流、基波和谐波分量组成，构造如下数学模型，其中为直流分量，分别为基波频率、幅值、初相角，分别为k次谐波的幅值和初相角。当采样频率为时，对信号采样后得到N+1点离散序列，则拟合的目标函数为，数据拟合可以在某一拟合优度下进行，一般用数据点差值的范数来衡量，即寻找，使满足，其中。对这一无约束优化问题，通常根据其偏导数为零的条件来求解。这样，就得到了2M+2个方程，由于未知，上式中的变量无法解藕，因此，这是一个非线性方程组，从物理意义来看，此方程组的解必定存在。可以使用牛顿迭代法来求解此非线性方程组，为减少计算时间，可采用两种措施（1）基于目标是获得基波信息，因此用上限频率较低的低通滤波器滤除高次谐波，以降低谐波次数，减少运算量；（2）频率初值选为50Hz，对幅值和初相角则以傅立叶分析法得到的数值作为迭代初值。高阶正弦拟合法能适应电网频率波动的变化, 一定程度上解决了数据采样频率与电网频率不同步的问题。但当频率偏离50Hz较多时，傅立叶变换结果与谐波分析的真实值相差较大，将其作为初值的最小二乘计算量大，影响了高阶正弦拟合法的实时性。文献20提出了用加Ha