（控制理论与控制工程专业论文）高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统.pdf

f h 一上 i ili iii i iii ii i i l ii ii i i | ；y 17 8 4 4 8 9 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g o nl i n em o n i t o r i n ga n d d i a g n o s i s s y s t e m so f t h e h i g h - v o l t a g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t si n s u la t i s i n s u l a t i o n ， c a n d i d a t e ：s a n gl i n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oz h e n m i n s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，15 0 0 2 7 j u n e2 0 l o f ， 。 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙 江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：勉 日期： 研究生签名：翁地 日期： 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本 人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文 的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生 学院办理。 研究生签名翘导师签名燃期：础 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 本文首先确定了高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统的系统框图，并 给出了系统中各子系统的功能及测量指标。提出了绝缘参数测试仪用数字模 拟乘法器与数字信号发生器及低通滤波器构成的矢量正交分解器对高压设备 漏电流信号进行最优滤波，提高了信号的抗干扰能力及信号分辨率的方法。 根据此原理建立了漏电流信号测量数学模型，通过对测量原理的理论误差分 析，建立了理论误差模型并进行数学仿真。经分析此测量方法，无测量理论 误差。 提出了软件求高压设备母线电压及漏电流正交分解量的算法，并对算法 进行了误差仿真分析。提出了通过分别求出母线电压，漏电流的电阻性分量 及电容性分量，用软件算出介质损耗角、漏电流、等值电容、接地电阻等绝 缘参数。并根据此测量原理设计了绝缘参数测试仪的硬件电路及软件。 建立了绝缘参数测试仪与数据采集器之间的c a n 总线数据通信规约， 根据此规约设计了数据采集器的硬件电路及软件。 提出了数据采集器与通信计算机之间的通信规约，并提出了用于设备故 障诊断的专家系统软件编程方法，编制与调试了通信计算机软件。 经分析与运行此系统检测方法具有极高的可靠性，可推广运行。 关键词：绝缘参数测试仪；介质损耗角；数据采集器；数字低通滤波器 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s ti d e n t i f i e dt h es y s t e mc h a r to ft h eh i g h - v o l t a g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t si n s u l a t i o no n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ，a n dg i v e st h e f u n c t i o na n dm e a s u r e m e n ti n d i c a t o r so fe a c hs u b s y s t e mi nt h es y s t e m i tp r o p o s e d t h a tv e c t o ro r t h o g o n a ld e c o m p o s i t i o nd e v i c ec o n s i s t i n go fd i g i t a la n da n a l o g m u l t i p l i e r s 、d i g i t a ls i g n a lg e n e r a t o ra n dl o w p a s sf i l t e rm a k e t h eo p t i m a lf i l t e r i n g t o l e a k a g ec u r r e n ts i g n a lo ft h eh i 【g h v o l t a g ee q u i p m e n tt oi m p r o v et h es i g n a l a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n ds i g n a lr e s o l u t i o nm e t h o d b a s e do n t h i sp r i n c i p l et h i s p a p e re s t a b l i s h e sam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rm e a s u r i n gl e a k a g ec u r r e n ts i g n a l ，a n d at h e o r e t i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o no ft h ee r r o rb ym e a s u r i n g p r i n c i p l eo ft h et h e o r yo f e r r o ra n a l y s i s t h e r ei sn oe r r o ro fm e a s u r e m e n tt h e o r y b ya n a l y s i n go ft h i sm e a s u r e m e n t m e t h o d t h i sp a p e rp r o p o s e ss e e k i n gh i g h v o l t a g ee q u i p m e n t ，b u sv o l t a g ea n dt h e a m o u n to fl e a k a g ec u r r e n to r t h o g o n a ld e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m ，a n dt h ee r r o r s i m u l a t i o na l g o r i t h m i tw a sd e r i v e dt h r o u g ht h ep r o p o s e db u sv o l t a g e ，l e a k a g e c u r r e n t ，r e s i s t i v e a n d c a p a c i t i v ec o m p o n e n t so ft h ew e i g h tc a l c u l a t e du s i n g s o f t w a r ed i e l e c t r i cl o s sa n g l e ，l e a k a g ec u r r e n t ，e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e ，g r o u n d i n g r e s i s t a n c ep a r a m e t e r ss u c ha si n s u l a t i o n a n db a s e do nt h i sm e a s u r i n gp r i n c i p l ei t d e s i g n e dp a r a m e t e r so ft h ei n s u l a t i o nt e s t e rh a r d w a r ec i r c u i t r ya n ds o f t w a r e i te s t a b l i s h e dac a n b u sd a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h e i n s u l a t i o nt e s t e ra n dd a t ac o l l e c t o r ，b a s e do nt h i ss t a t u t e i t d e s i g n e dd a t a a c q u i s i t i o nh a r d w a r ec i r c u i t r y a n ds o f t w a r e i tp r o p o s e dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb e t w e e nd a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o m p u t e r s ，a n dp r o p o s e da s o f t w a r ep r o g r a m m i n go fe x p e r ts y s t e ma n dm a d ef o re q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i s ， p r e p a r e da n dd e b u g g e d t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e t h ea n a l y s i sa n do p e r a t i o no ft h i ss y s t e m ，d e t e c t i o nm e t h o dh a sav e r yh i g h r e l i a b i l i t y ，a n di t c a nb ee x t e n d e dt or u n i i 一 黑龙江科技学院硕十学位论文 l_ 一_ 一_ 一 k e y w o r d s ：i n s u l a t i o np a r a m e t e rt e s t e r ；d i e l e c t r i cl o s sa n g l e ；d a t a a a c q u i s i t i o n d e v i c e ；d i g i t a ll o w p a s sf i l t e r i l l 一 黑龙江科技学院硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 课题背景。1 1 。2 电力设备绝缘在线监测与诊断技术的研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状2 1 2 3 当前电力设备绝缘在线监测与诊断技术的特点3 1 3 电力设备绝缘在线监测与诊断技术的目的和意义4 1 4 电力设备绝缘参数在线监测与诊断技术的研究趋势6 1 5 论文的主要工作及研究内容7 第2 章电力设备绝缘参数在线实时监测系统与测量原理9 2 1 高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统9 2 1 1 参与研制的绝缘参数测试仪技术指标1 0 2 1 2 参与设计的绝缘参数数据采集器的技术指标1 0 2 2 电容性电器设备末平接地电流信号的提取1 1 2 3 绝缘参数测试仪的测量原理1 2 2 3 1 漏电流转换成电压的原理1 3 2 3 2 求母线电压u s ( t ) 方法1 3 2 3 3 二象限乘法器原理1 3 2 3 4 硬件正交信号分解器1 4 2 3 5 求介质损耗角及漏电流方法1 5 2 3 6 求等值电容和接地电阻的方法1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章母线电压、漏电流软件算法1 8 3 1 母线电压的有效值，漏电流的正交分解量的算法原理1 8 3 2 数字低通滤波器设计1 9 3 2 1 通过测量准确度来确定数字低通滤波器通带误差和阻带误差1 9 3 2 2 数字低通滤波器的类型2 0 3 2 3 数字低通滤波器截止频率的选择2 0 i v a 黑龙江科技学院硕十学位论文 3 2 4 数字低通滤波器的结构2 1 3 2 5 数字低通滤波器的传递函数2 1 3 2 6 数字滤波器的差分方程2 2 3 3 本章小结2 3 第4 章系统误差分析与仿真研究2 4 4 1 数字波形发生器对测量方法误差的影响2 4 4 1 1 数字波形发生器实际输出值模型建立2 4 4 1 2 实际测量的漏电流及损耗角的函数式2 8 4 1 3 漏电流ix 的理论测量误差3 0 4 2 数字低通滤波器引起的测量方法误差分析3l 4 2 1 测量方法误差分析31 4 2 2 测量方法误差仿真估计31 4 3 本章小结3 5 第5 章系统硬件电路设计3 6 5 1 末屏接地漏电流信号i x 和母线电压u s 放大电路3 6 5 212 8 倍频电路设计3 7 5 。3 信号发生器硬件设计3 7 5 4 采样保持电路设计3 9 5 5a d 转换器电路设计3 9 5 6d s p 电路设计4 0 5 7c a n 总线驱动电路设计4 1 5 8 测量母线电压频率电路设计4 2 5 8 1 测量原理4 2 5 8 2 频率转化为电压电路4 3 5 9 本章小结4 5 第6 章c a n 总线通信规约4 6 6 1 测量参数数据通信类型定义4 6 6 1 1 字节格式4 6 6 1 2 传输过程4 6 6 1 3 帧格式4 7 6 1 4 数据传输标示定义4 8 6 1 5 绝缘参数测试仪测量数据类型定义4 9 6 1 6 地址域定义4 9 v 黑龙江科技学院硕十学位论文 6 2c a n 总线通信类型定义4 9 6 2 1 读数据4 9 6 2 2 写数据5 1 6 3 本章小结5 3 第7 章数据采集器设计5 4 7 1 主要硬件单元电路设计。5 4 7 1 1 电源电路设计5 4 7 1 2 存储器电路设计5 6 7 1 3 温度检测接口设计5 7 7 1 4 电池监测电路设计5 7 7 1 5g p s 校时接口设计5 8 7 2 程序设计6 0 7 2 1 主程序框图6 0 7 2 2 初始化子程序设计6 1 7 2 3 接受通信计算机命令程序设计6 1 7 2 4 电池监测子程序设计6 3 7 3 本章小结6 4 第8 章通信计算机程序设计6 5 8 1 通信计算机与数据采集器的通信规约6 5 8 1 1 帧格式设计6 5 8 1 2 帧传输6 7 8 1 3 传输响应6 7 8 1 4 差错控制6 7 8 1 5 传输速率6 8 8 2 通信计算机与数据采集器的通信程序设计6 8 8 2 1c a n 通信适配卡6 9 8 2 2u s b - c a n 卡与c a n 网络信息交互设计7 0 8 3 驱动软件与监控软件之间的信息交互设计7 1 8 4 数据库设计7 2 8 4 1 专家系统软件的设计7 2 8 4 2 测量数据表k e y d a t a 7 3 8 4 3 临界数据设置表p a r a s e t 7 4 8 4 4 数据表关系7 5 v i 黑龙江科技学院硕十学位论文 8 4 5d a o 数据库操作7 5 8 5 通信计算机与主控计算机的通信程序设计7 8 8 5 1 服务器端7 8 8 5 2 用户端7 8 8 6 网络中的数据传输与监控实现8 1 8 7 程序运行界面8 3 8 8 本章小结8 4 结论8 6 致谢8 7 参考文献8 8 作者简介9 0 v i i 黑龙江科技学院硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 最近几十年，高压输变电设备的安全运行是影响电力系统安全、稳定和 经济运行的重要因素，高压设备发生绝缘事故，不仅会造成设备本身损坏， 而且还会造成多方面的损失。据统计，“八五 期间，我国主要电网中由设 备故障而直接影响系统安全运行的电网事故约占事故总量2 6 3 。电压等级 越来越高、设备容量越来越大，使得每次检修的时间较长，不仅检修费用高， 而且也影响供电的可靠性。在电力市场环境下，用户对供电可靠性要求将越 来越高，而由设备故障或检修所造成的停电损失有时是相当可观的。因此 既要提高设备的运行可靠性，又要确保较高的供电可靠率，这就对电力设备 的维护提出了更高的要求。 传统的定期检修存在试验周期长、强度大和有效性差等缺点，难以满足 电力系统对可靠性的要求，以状态检修逐步代替定期检修已成为电力系统设 备检修的必然趋势。实现状态检修的前提条件是实现在线监测，只有通过各 种手段及时、准确地掌握运行设备的绝缘状况，才能根据设备自身特点及变 化趋势等来确定检修时间和检修策略。 电容型设备是重要的输变电设备，它主要包括电流互感器( t a ) 、套管、 耦合电容器( o y ) 、和电容式电压互感器( c t v ) 等瞳1 ，这些设备约占变电站 设备总量的4 0 5 0 ，在变电站中具有举足轻重地位。这些设备的绝缘故障 不仅影响整个变电站的安全运行，同时还危及其它设备和人身的安全，因此， 对其绝缘状况进行在线监测与诊断对电网安全可靠地运行具有重要的意义及 具有重大的经济价值。电力设备绝缘在线监测与诊断技术近年来受到了电力 行业的运营、科研部门的高度重视。对其进行了深入研究并开发应用，对电 力系统的安全运行具有重要的意义，具有明显的经济效益和社会效益。其巨 大的市场潜力对研究与开发也具有很大的吸引力。但目前的技术水平还不够 理想，不能满足电力系统的要求，仍需加强基础性的研究工作。 黑龙江科技学院硕十学位论文 1 2 电力设备绝缘在线监测与诊断技术的研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国大约在8 0 年代开始研究并生产“高压电力设备绝缘在线监测系 统”，现在大约有1 0 0 多个变电站安装了此类设备，但由于受到环境温度、 湿度及交流电压、频率变化的影响，尤其是近年来随着电力电子器件( 大功 率、开关器件) 的大规模使用，电磁干扰急剧增加等造成大部分设备已无法 运行，其中正常或基本正常的不到3 0 ，3 7 左右的已经坏了，3 3 左右的使 用单位反映存在以下问题：a 测量结果不准，稳定性和重复性差。b 信号 检测采集部分经常出故障。c 抗干扰能力差，抗温、湿度变化的能力差，经 常丢数据，严重时连操作软件都被冲掉，需经常重装系统软件。总之这些装 置很难满足现场监测的要求( 来自北京供电局，清华大学电机系的调查结果) 。 产生上述问题的主要原因是： 1 、电磁兼容问题，现有的产品基本上没有进行专门的电磁兼容设计，而 随着电力电子器件大量使用，电磁环境日趋严重，使得这些设备难以正常工 作，尤其是数据的可靠性大幅降低。 2 、在测量方法上因处于研制开发阶段，每个厂家的产品各有所长，模拟、 数字、d s p 都有，但其共同的局限性是抗谐波干扰和抗电网工频强场( 同频 干扰) 的能力较差。特别是当外界同频干扰对电压和电流两个取样通道的干 扰不平衡时，表现有为明显，导致其环境适应性很差。很多设备在这个变电 站正常，而用在另一个变电站就无法运行。总之，国内电容型设备的绝缘在 线测量技术还处于起步阶段，有很多问题，需在迸一步研究开发中解决。 1 2 2 国外研究现状 国外尤其是发达国家的电网品质比我们好很多，在谐波含量、功率因数 及电磁干扰等方面都比我们的情况好，目前一些直接引进的产品在变电站的 运行情况就说明了这点，这些产品的抗干扰能力有时还没有国产的好，因此 他们的产品一般不适应我国的变电站使用，这主要是因为他们在设计和生产 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 时并没有考虑我国现场条件的特殊性。由于电磁环境的差别，国外产品不很 适合我国的变电站环境，目前国内只有部分产品引进，但都不很成功，还没 有进行全面的技术引进，但在开发中正在采用国际上的一些先进技术及发展 方向。 高压电力设备绝缘在线监测与诊断的关键技术是绝缘介质损耗角的测 量，国内外在高压电力设备绝缘参数常用的检测方法是预防性试验，即采用 西林高电压电桥法d 1 ，虽然测量准确度高，但是由于高压标准电容器成本高、 不易运输，所以不易现场在线测量；目前国外的一些公司( 如美国的a v o 公 司、德国的l d i c 公司) 在线测量采用在被测设备的地线或末屏直接串入监 测电容，利用监测电容电压与t v 电压之间的相位关系求取被测设备的t a n6 。 电容具有电压不突变的特性，通过选择合适的电容，可使输出电压保持在 3 0 , - - 4 0v 之间，这样可降低外界干扰的影响和减少模拟信号传输的衰减，测 量结果具有较高的稳定性。但是，由于电容是串接电阻接入主回路的连结方 式，所以电容易被击穿，且电阻一般为烧断，会造成末屏开路，即主回路停 电。 1 2 3 当前电力设备绝缘在线监测与诊断技术的特点 1 a d 转换器采样软件算法 在线测量产品的发展趋势是采用数字化测量技术，但当前的产品广泛地 应用有源或无源的穿心电流互感器提取高压电力设备绝缘的漏电流，在互感 器的次级用a d 转换器对漏电流进行采样，用软件( 如快速傅立叶变换、相 关函数的算法和矢量内积算法) 来对漏电流进行正交分解以求得介质损耗角。 为了提高测量的准确度、稳定度和分辨率，对采样值虽然也采取了相应的滤 波的算法如： ( 1 ) 最小二乘法拟合信号法，该方法对频率波动不敏感，但受谐波和零 漂的影响较大。 ( 2 ) 小波变换或双滤波器滤波提取基波信号法。 ( 3 ) 采用快速傅立叶变换( f f t ) 前两种方法增加了一级处理环节，计算量大、计算时间长。谐波分析法 3 黑龙江科技学院硕十学位论文 用于设备绝缘介损角的数字化测量。第三种方法计算速度快、计算量小，但 当系统频率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，因而出现频谱泄漏效 应和栅栏效应，尤其会影响相位测量。 这些数字化在线绝缘设备测量技术不成熟的关键是由于漏电流只有u a 级，可能还要小于谐波电流或干扰信号，这样的有效信号是远低于h d 转换 器的线性工作区的，所以采集系统是时变的非线性系统，那么，就是加上相 当的滤波软件对采样信号进行处理后，采样值仍具有严重的非线性，所以测 量的准确度、稳定度和分辨率就是十分的不可靠。实际上到目前为止在线绝 缘设备数字化测量还没有一个成熟的数学描述。 2 移项和平衡测量原理的介质损耗在线测量方法 西安交通大学2 0 0 4 年提出的该项技术，虽然有可靠的数学线性系统的描 述，其技术关键是用电子电位器调移项的平衡点，在实际应用中是很难实现 的，目前，只停留在实验室阶段。就其在线绝缘设备测量技术发展的是数字 化测量，但其关键是找到一正确描述这一系统的数学方式，并能进行线性测 量。 1 3 电力设备绝缘在线监测与诊断技术的目的和意义 2 0 0 4 年，全国净增发电装机容量4 9 2 9 万千瓦，发电设备总容量达到4 4 0 7 0 万千瓦，比上年增长1 2 6 。2 0 0 5 年，供电量需求增长若按1 3 计算，最大 可以支持g d p 增长8 7 ，预计要新增发电装机容量约7 0 0 0 千瓦。目前中国 人均拥有的装机容量只有0 2 5 w ，人均用电只有1 0 6 4 k w h ，平均不到世界人 均水平的一半，仅为发达国家的1 6 1 1 2 ，远不能适应我国经济的发展和 人民生活水平提高的需要。相比世界电力工业大发展时期已过，中国电力工 业正处于持续高速发展时期。 但随着输变电线路污染逐年加重，电磁环境日趋恶化，污闪等事故不断 发生，严重的威胁着电力系统的安全运行，据权威部门统计，绝缘污闪事故 仅次于雷击居电网事故的第二位，而损失确是雷击事故的1 0 倍以上，经常造 成大面积、长时间停电，给社会造成的间接损失更为严重。 介质损耗( t a n6 ) 的在线测量是发现电气绝缘缺陷最有效的手段之一， 4 黑龙江科技学院硕十学位论文 可即时发现各种高压电力设备的绝缘缺陷h 1 ，如：绝缘受潮、老化变质、绝 缘中气隙( 损坏造成的) 放电等，以便及时发现进行抢修，避免事故的发生。 自从8 0 年代以来，我国陆续生产并在大型变电站中安装了此类设备，到目前 为止约有1 0 0 余套，且大多数运行不正常或不能运行，另外9 5 的变电站根 本就没有装备过；在技术上还处于起步阶段，有很多问题还需解决，如：数 据的可靠性，无故障工作时间、电磁兼容性及抗干扰能力和环境适应性等， 而国外的产品因使用电网状况的差别在我国并不适用踌1 。 电力设备绝缘在线监测与诊断技术就是针对以上情况提出的，主要用于 电力系统高压电力设备的绝缘在线自动监测与诊断，并通过对介质损耗的测 量、分析及计算机处理等，发现这些设备在运行中绝缘受潮、老化变质和气 隙放电等，以便即时抢修避免因此而造成的损失，从而避免因绝缘问题造成 的变电站故障，从而减少了因变电站事故造成的大面积、长时间停电，减少 了用电单位因此所造成的损失。 近年来，国内外学术界对高压电力设备在线监测信号提取、数字化测量 方法、分析诊断和测量有效性这四方面进行了大量的研究工作。虽然在一定 程度上提高了高压电力设备绝缘在线监测与诊断技术的应用水平，但是，早 期投运的系统运行效果并不够理想，没有取得预期的经济效益和社会效益， 暴露出来的技术问题主要有： 1 监测装置的开发水平较低； 2 无源穿心式电流传感器易失效； 3 。系统抗电磁干扰与环境影响能力差； 4 上位机软件的数据处理功能不完全； 5 介损角的测量结果稳定性、重复性差，是环境因素所致，是电磁干扰 影响，还是信号提取问题，原因不清，影响了分析的准确性； 6 缺乏行之有效的诊断理论与方法，仅提供数据，信息丰富，而知识贫 乏，不能建立各种监测信息之间的关联关系，无法解释测量结果正常的波动， 很难做出准确的绝缘状态在线诊断。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 4 电力设备绝缘参数在线监测与诊断技术的研究趋势 电力设备绝缘在线监测与诊断技术应采用无源串心互感器在高压设备的 接地端提取漏电流，以设备母线电压为基准对漏电流进行a d 采样，用软件 计算与母线电压矢量平行的电阻性漏电流和垂直的电容性漏电流，然后，计 算出电力设备绝缘介质损耗角、等值电容、设备接地电阻等参数。因此，为 了提高测量的准确度及信号的分辨率，电力设备绝缘在线监测与诊断系统应 在以下方面进行深入地研究。 1 漏电流信号提取部分的互感器应采用高导磁材料纳米非晶制成的小电 流传感器，具有稳定测量，准确度为0 0 2 ，小电流的分辨率为5ua ；前置放 大器采用比普通的反馈前置放大器幅频、相频误差和相量误差大为减少的交 流放大器。 2 采用开关电容低通滤波器，具有稳定的、准确的截止频率和线性度高 的特点，也是针对实际应用的环境设计的，而非采用集成开关电容滤波器。 3 测量介质损耗角部分是整个检测的关键技术：用硬件来完成，具有高 信性、高实时性的调宽数据滤波技术、近采样就近处理的方法及数据融合技 术嘀1 。远传数据到位于变电站控制中心的系统处理中心，有效的提高了抗干 扰能力，可避免模拟信号传递过程中的附加误差。 4 整个高压电力设备绝缘在线监测与诊断采用分层式分布式计算机通信 的方式。第一级是在线监测部件负责对变电站的各个高压设备进行检测，然 后把检测信息通过现场c a n 总线传入通信计算机( 安装在变电站) ；通信计 算机通过路由器接入i n t e r t 网络，信息再被传到专家系统( 安装在供电局高 压专责工程师处) ，并接入供电局信息系统。 5 专家系统是在深入地研究了绝缘参数算法，提高监测的准确性，同时 根据在线监测信息量大、相关知识面宽的情况，对在线监测数据分析采用专 家分析与诊断系统，以确保数据规律性挖掘和故障特征提取的准确性。专 家系统分为两级：第一级采用三层反向传播网络的多元神经网络系统对测量 值进行分析、判断，已确定故障的类别；如是新的故障类型，则进入专家系 统的第二级，用遗传算法对故障类型专家库进行重组，并对神经网络神经单 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 元进行重新训练，专家系统因此具有自我学习的功能。 6 前置处理单元采用密封结构及抗低温、高温处理，有效的解决了环境 温度、湿度适用性。 7 每个环节，大到电源输入，小到印刷板的一个线，我们都由专门的电 磁兼容性研究人员实行专门的电磁兼容设计，确保测量结果的可靠性。 8 多点采样、中央处理、多种接口，可扩展为对变电站的多信号的测量 如：电流、电压、有功功率、无功功率及变压器参数的采集，系统的各参数 测量的准确度可保证在0 2 级以内，并可按循环远动通信规约将数据可直接 连入电力调度自动化调度网，便于监视、记录及数据统计等。 9 测量部件具有时时采样处理、故障报警，即时避免电网事故的发生。 1 5 论文的主要工作及研究内容 本论文是用数字模拟乘法器与数字信号发生器及低通滤波器构成的矢量 正交分解器对高压设备漏电流信号进行最优滤波测量技术，应用于电力设备 绝缘在线测量高压设备绝缘接地漏电流，对漏电流进行正交分解，由此求出 介质损耗角t a n 5 、流过介质的电流i x 、等值电容量c 和设备接地电阻r 等 参数，以此原理设计出绝缘参数测试仪，通过数据采集器通信，将数据传送 到通信计算机，以进行电力设备绝缘参数在线监测与诊断技术。其主要研究 内容为 1 建立测量的系统，利用了数字合成波形发生器技术、模拟数字乘法器 技术对电力设备绝缘的漏电流进行正交分解，对小电流信号的测量建立了数 学模型；建立测量理论误差数学模型，对误差进行数学仿真分析。 2 建立数字低通滤波器技术构成的软件采样技术求母线电压、设备漏电 流电容性分量及电阻性分量的数学模型；建立测量理论误差数学模型，对误 差进行数学仿真分析。 3 专家系统对测量系统提供的测量值进行绝缘设备故障的诊断分析。 4 设计绝缘参数测试仪、数据采集器的软件电路及软件。 5 建立绝缘参数测试仪、数据采集器之间的c a n 总线通信规约。 黑龙江科技学院硕十学位论文 6 设计编制通信计算机的绝缘设备故障的诊断分析软件。 8 黑龙江科技学院硕十学位论文 第2 章电力设备绝缘参数在线实时监测系统与测 量原理 2 1 高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统 高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统的方框图如图2 1 所示。 图2 1 高压电力设备绝缘在线监测与诊断系统 f i g 2 - 1 o nl i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m so ft h eh i g h - v o l t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n t s i n s u l a t i o n 在图2 1 中，整个高压电力设备绝缘在线监测与诊断采用分层式分布式 计算机通信的方式，第1 级是在线监测部件( 绝缘参数测试仪) 负责对现场 的各个高压设备的绝缘参数进行在线检测，然后把绝缘参数检测信息通过现 场c a n 总线传入数据采集器中，数据采集器再将集抄的数据通过c a n 总线网 络与通信计算机( 安装在现场) 通信，信息被传到专家系统；通信计算机通过 路由器接入i n t e r t 网络，接入供电局信息系统。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 在图2 1 中绝缘参数测试仪对电气设备的介质损耗角t a n 5 、流过介质 的电流i x 、等值电容量c 和设备接地电阻r ，以及接入电气设备的三相交流 电的a b c 三相电压、三相电流、功率因素进行在线测量，并存储于测量装置 的r a m 中。当通讯计算机有数据请求时，这时测量装置将根据数据采集器请 求进行数据应答，并通过c a n 总线数据链路层协议进行回应。通信计算机将 每隔一定的时间实时进行数据请求，如果接收到电气设备的介质损耗角 t a n 8 、流过介质的电流i x 和介质电容量c 三个参数其中有一个参数超过了 设定的临界值，这时通信计算机将对应的电气设备号以及对应的参数值通过 t c p i p 数据链路发送到主控计算机。 2 1 1 参与研制的绝缘参数测试仪技术指标 1 介质损耗角t a n6 测量准确度：0 5 ； 2 高压电力设备接地漏电流测量准确度：0 2 ； 3 介质电容量f 测量准确度：1 ； 4 整机额定功耗：1 5 w ，5 v a 5 参比频率：5 0 2 5 ( h z ) 6 整机显示：5 位液晶显示。 7 工作温度：- - 4 0 + 5 5 8 平均使用寿命： 1 0 年 9 通讯接口：电气隔离的c a n 通讯接口，波特率1 2 0 0 b p s ，通讯距离1 2 0 0 m ， 有失效保护功能。红外通讯接口：调制型双向红外通讯接口，载波中心频率 3 8 k h z ，有效角度1 5 。，通讯距离4 m 。 2 1 2 参与设计的绝缘参数数据采集器的技术指标 1 对各绝缘参数测试仪进行本地编程。 2 可以对网络中的绝缘参数测试仪进行定时与即时抄表。 3 存储网络中各绝缘参数测试仪的各类参变量数据。 4 直接将网络中各测试仪的各类参变量数据远传到通信计算机的抄表软件 系统中，即时监测测试仪的运行状况。 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 5 通过电话或手抄器对网络中各测试仪实现远地编程。 6 仪器内带有电池监测，以便于当电池耗完电时，提醒用户。 7 具有温度监测，以用于时钟计时精度的修正。 8 整机额定功耗：1 5 w ，5 v a 9 参比频率：5 0 2 5 ( h z ) 1 0 平均使用寿命： 1 0 年 1 1 通讯接口： 1 ) 电气隔离的c a n 通讯接口，波特率1 2 0 0 b p s ，通讯距离1 2 0 0 m ，有失效 保护功能，节点数2 0 2 ) 红外通讯接口：调制型双向红外通讯接口，载波中心频率3 8 k h z ，有效角 度1 5 。，通讯距离4 m 。 2 2 电容性电器设备末平接地电流信号的提取 为了不改变被测设备的原有的接线方式，电流互感器采用穿心式电流互 感器，将电流互感器t a 直接套在被测设备的接地线或末屏回路中。在电流互 感器t a 的次级通过连接互感器负载z 把次级电流厶转变为与同相的电压信 号以，来实现在线测量电容性电器设备介质损耗角t a n 8 、流过介质的电流 厶和介质电容量f 。在线测量系统如图2 2 所示。 i 图2 - 2 在线测量介质损耗角装置的接线方式 f i g 2 2m e t h o do fc o n n e c t i n gw i r eo fo nl i n em e a s u r i n gd i e l e c t r i cl o s sa n g l e 图2 - 2 中，t a 是采用高导磁材料( 玻莫合金) 为铁心绕制的无源单匝穿心小 电流互感器，它可灵敏地检测出5ua 的小电流。z 采用双线绕制精密交流电阻， 减少电感量，以尽量使厶与以同相位。 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 3 绝缘参数测试仪的测量原理 绝缘参数测试仪测量原理图如图2 - 3 所示。 l 、 卜 ，| | 乙z ：， 信号 低通 调理器_ 滤波器 (1 - h 漓g o - 驱 1u a ( t ) 1ru a ( t ) 吧口i l 旦懋碲 采样 一采样脉冲i 采样 模拟! 保持器；1+7 l 保持器 u _ t 模拟!喻出u b ( t ) 脉冲输入 1 液晶显示器卜一 h 然p 胖罄扳 a d i 红外通信 斗 d s p 一 转 j 。l 低通纠叭训鑫警璺i 鼙 换 器 c a n 总线卜| 一 1 严器 1i 转换器i l 疫妊：一l t 采样脉冲 ji 电压互感器 1 ” ( l 母线电压j 信号 1 低通 叫蓍髭 兰g 锁相环 i 倍频 1 滤波器1 电路 厂一 u sj 调理器 j 出 图2 - 3 绝缘参数测试仪的测鼍原理 f i g 2 3p r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n to fi n s u l a t e dp a r a m e t e rd o s i m e t e r s 在图2 - 3 中，设：与电流互感器同一母线的电压以为 “，( f ) = u 肼s i n ( o t ( 2 1 ) i x ( f ) = ，ms i n ( o o t 一巾) 式中： 由为漏电流与电容型设备母线电压的相位。 1 2 ( 2 2 ) 黑龙江科技学院硕十学位论文 2 3 1 漏电流转换成电压的原理 漏电流l 俐经过电流互感器t 。转换后，次级输出电流厶经负载电阻月 转变为与五同相的电压信号改 u s o ) = r i ms i n ( o d t 一巾) ( 2 3 ) 电压信号改经信号调理器的放大后，再通过低通滤波器；低通滤波器通