（测试计量技术及仪器专业论文）模拟数字混合最优滤波技术在介损在线测量中的应用.pdf

哈尔滨理l 人学i ：学硕十学位论文 模拟数字混合最优滤波技术在介损 在线测量中的应用 摘要 电力设备的绝缘性能的好坏直接影响着电力系统的运行安全。我国从2 0 世 纪7 0 年代开始普遍采用对介质损耗在线监测来监测电力设备的绝缘状况，在防 止因绝缘问题而导致电力事故方面取得了显著效果。但是其中也存在着不如意 的地方，许多监测系统实际上是处在不f 常工作甚至瘫痪状念，主要是因为测 量方法存在一定问题。 本文介绍了目前主要使用的几种在线测量方法原理，如基波相位分离法、 过零比较法、积分法等方法，并详细的分析了这几种方法在现场使用中存在的 一些问题及引起这些问题的原因。 文中在总结了以上方法的经验之后，提出了采用模拟数字混合最优滤波技 术设计介质损耗在线监测系统的新方法。并在第三章中重点讲述了模拟混合最 优滤波技术的原理和特点。同时，就d a 有限字长、调制性噪声对模拟混合最 优滤波技术的影响进行了理论分析，得到了较好的结果。 文章中还在原理基础上具体实现了测量系统硬件电路，对硬件电路的每个 组成部分都绘出了较详细的阐述。其中着重讨论了电流传感器的选用、补偿和 在线监测装置的设计、长线传输的问题。 最后，利用阻容移相电路来考核测量系统的角度分辨力和线性度，给出了 具体的试验结果。可以看出该系统的相角分辨力可达o 0 0 0 2 r a d ，且线性度良好。 实验的结果令人满意。出此可见，该方法可广泛应用于电力系统的介质损耗在 线测量系统。 关键词介质损耗；在线测量；模拟数字混合乘法；最优滤波( o c f ) t h ea p p l l c a t i o no fa n a l o gd i g i t a l m u l t i p l i c a t i o no p t i m i z a t i o nf i l t e ri n d i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n to nl i n e a b s t r a c t t h ein s u l a t e dc a p a c i t yo ft h ee l e c t r i ce q u i p m e n t sh a sg r e a te f f e c to nt h es e c u r i t y o l e l e c t r i cp o w e r f r o m7 0y e a r so ft w e n t yc e n t u r y ，t h em e a s u r e m e n to fd i e l e c t r i c l o s so nl i n eh a db e e nt a k e nw i d e l yt om o n i t o rt h ei n s u l a t e dc o n d i t i o n so fe l e c t r i c e q u i p m e n t s w h i c hm a d ear e m a r k a b l ep r o g r e s sa g a i n s tt h ee l e c t r i ca c c i d e n t sa r o s e b yt h ep r o b l e m so fi n s u l a t i o n h o w e v e r ，m a n yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m s l o s e c o n t r o le v e nd i s a b l ed u et ot h es h o r t c o m i n g so f t h em e a s u r e m e n tm e t h o d s 1 h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa n da n a l i e sd e t a i l e d l ys e v e r a lm a i nm e a s u r e m e n t m e t h o d sa tp r e s e n ts u c ha sf u n d m e n t a lw a v ea n a l y s i s ，z e r o c r o s s i n gm o n i t o r i n ga n d i n t e g r a lm o n i t o r i n g ，a n de l a b o r a t e s t h ee m e r g e dd e m e r i t so ft h e s em e t h o d sa n d l c a s o n so l b r i n g i n gt h e mw h e nr u n n i n go nt h es p o t a f t e rs t u d y i n gt h ed e f i c i e n c yo fa b o v em e t h o dan e wi d e aw a sp u tf 0 r w a r dt o d e s i g nt h en l e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do na n a l o g d i g i t a lm u l t i p l i c a t i o no p t i m i z a t i o n c o r r e l a t i v ef i l t e r ( o c f ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n a n di nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ep r i n c i p l ea n d t h ec h a r a c t e r i s t i co f a n a l o g - d i g i t a lm u l t i p l i c a t i o no c fa r ed e s c r i b e di nd e t a i l a tt h e s a m et i m e t h ee t t k c to fa dq u a n t i z i n ge r r o ra n dm o d u l a t i n gn o i s eo na n a l o g d i g i t a l m t t h i p l i c a t i o no c fi s a l s oa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ，a n dt h er e s u l to ft h i sa n a l y s i si s s 1 t ji n g 1 1 h i sd i s s e r t a t i o na l s od e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t so fm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nt h et h e o r yo fa n a l o g d i g i t a lm u l t i p l i c a t i o no c fa n de x p o u n d st h ee l e m e n t s o ft h i ss y s t e ml a t e li n c i d e n t a l l y , i nt h ef o r t hc h a p t e r ，s e v e r a ld i f f i c u l t i e ss u c ha s c h o i c ea n dc o m p e n s a t i o no fc u r r e n ts e n s o r ，t h ei n s t r u m e n td e s i g no fm e a s u r e m e n t t n l l i n ea n dd i s t a n tt r a n s m i s s i o na r ed e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a t1 a s t a l le l e c t r o c i r c u i to fp h a s es h i f tw a sm a d eu pb yr e s i s t a n c e sa n d c a p a c i t a n c e st ov e r t i f yt h ea n g l er e s o l u t i o na n dl i n e a r i t yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m d e s i g n e d a n dt h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n tw e r el i s t e d n l er e s u l t si n d i c a t et h ea n g l e r e s o l u t i o no ft h es y s t e mi sa b l et oa c h i e v eo 0 0 0 2 ( r a d ) a n dt h el i n e a r i t yi sp e r f e c t t h e r e f o r e a u t h o rb e l i e v e st h i sm e t h o dc a nb eu s e dw i d e l yo nt h em e a s u r e m e n t s y s t e mo f d i e l e c t r i c1 0 s si ne l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n t k e y w o r d sd i e l e c t r i cl o s s ；m e a s u r e m e n t o n - l i n e ；a n a l o g d i g i t a lm u l t i p l i c a t i o n ； o p t i m i z a t i o nc o r r e l a t i v ef i l t e r ( o c f ) i i i 1 。1 课题背景 第1 章绪论 众所周知，电力生产与供应的最大特点是过程的连续性。也就是说，从电 能的发出、输送到分配给用户使用，整个过程都是在瞬问完成和连续进行的。 其中任何一个环节上的任何设备一旦出了问题，都会直接或间接地影响到整个 系统的正常安全进行，甚至会带来巨大的经济损失或生命财产损失。尤其随着 现代电力工业不断向着大机组、大容量和高电压的迅速发展，运行条件更加苛 刻，故障和事故逐渐增加，排除故障所需要的时洲越来越长，造成的经济损失 越来越大。为保证用户供电的可靠性，必须提高发供电设备的健康水平，确保 电力系统的安全生产。 电气设备是组成电力系统的基本元件，设备是保证供电可靠性的基础，是 安全生产的最大保证。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备 如电力绝缘子、电容器等，一旦发生失效必将引起局部及致全部地区的停电。 大量资料表明导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间1 1 0 k v 及以上等级电力变压器事故统计分析表明，由于绝缘劣化引起 事故台次占事故总台次的6 8 矛n 总事故容量的7 2 ，而1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 。1 9 9 0 年全国1 1 0 k v 及以上等级互感器中绝缘故障占事故总台次的 5 5 ”1 。湖北省对1 9 8 7 年前发生故障的2 2 台电压互感器、4 5 台电流互感器和4 5 只套管的统计表明，绝缘故障占总事故台次的比例分别为8 6 、5 9 和6 4 “l 。 1 9 9 0 - 1 9 9 8 年山东电力集团公司1 1 0 k v 及以上电压等级变压器发生事故共2 7 台 次，其中绝缘事故2 2 台次，占总事故台次的8 1 4 ，总事故容量的7 1 5 l “。国外 的统计结果也类似，例如美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年恻失效电容 器的统计分析指出其中9 2 是因为绝缘劣化引起失效”i 。为了保证绝缘设备能安 全可靠的运行，除了采用新型绝缘材料，改进制造工艺以提高绝缘的电气强度 以外，很重要的个方面，就是要对设备绝缘定期地进行预防性检查，随时掌 握设备运行的情况，防患于未然。 我国电力行业长期以来采用预防性试验方法对高压电力设备的绝缘状况进 行检测，取得了很好的效果。但出于预防性试验周期的时问i 日j n 可能较长，以 及预防性试验施加的电压较低，试验条件与运行状态相差较大，并且受人为因 素影响，因此就不容易诊断出设备在运行情况下的绝缘状况。也难以发现两次 预防性试验时问间隔之间的发展缺陷，这些都容易造成不良事故。另外，这种 方法必须临时设置试验电路，耗费大量的人力和物力。 在运行电压下对电气设备的工作状态进行监测( 在线监测) ，不仅可以真实 地反映设备的绝缘状况而且可不停电以减少停电带来的损失。伴随着传感、计 算机、信息处理等新技术的发展，绝缘在线监测及检修才变得可能和现实。 1 2电容性设备在线监测的发展历程 与其他行业设备一样，电力设备管理维修体制发展至今大致走过了三个阶 段，即事后维修体制、预防维修体制和状态维修( 或预知维修) 体制。 1 事后维修体制所谓事后维修体制，就是在设备发生故障乃至事故之后 才进行维修。也就是说对于己存在什么隐患、什么时候会发生故障事先毫不知 情，所以这种方法，往往都是以巨大的经济和生命财产损失为代价的。 2 预防性维修体制预防性维修体制是针对重要设备意外停机造成巨大损 失的设备实行的维修体制。它是以时间为依据的定期维修体制，即根据经验和 统计资料，为保障设备完好率处于一定水平而进行的定期维修体制。我国电力 行业长期以来执行的是这种预防性维修体制，并且制定了相应的部颁行业标准 电力设备预防性试验规程等。不可否认，预防性维修体制相对于事后维修 体制已经是相当大的进步。定期进行预防性试验和维修对于排除某些事故隐患 和降低故障率，的确发挥了一定的积极作用，但是，定期进行的预防性试验和 维修也具有一系列难以克服的缺点。第一，预防性试验都是在停电或停运条件 下进行的，影响正常运行，费时、费力不仅减少了设备的可用时间，降低了运 行有效度，而且。还检测不到设备在运行中的真实技术状态。有时还会因废弃 许多尚可应用的零部件和增加不必要的拆装次数，使得监测维修费用大大增加。 第二，预防性试验条件往往不同于设备的正常运行条件，有些已经存在的故障 不易发现，尤其更难以预防由于随机因素引起的偶发性故障，致使有些经预防 性试验认为“合格”的设备，投入后不久仍发生重大事故。现场预防性试验大 多数都是较低电压下进行的( 通常为1 0 k v ) ，而有的设备介质缺陷和结构上的故 障，在低压下难以暴露出来，只有在实际运行状态下的较高电压时，局部或整 体缺陷才能表现出来。第三，有些本来没有故障的f 常设备，经拆卸进行预防 性试验后复装时，反而引入了新的事故隐患。例如，有的设备在复装时因紧固 螺栓未拧到位而引入导流回路连接故障，或因密封不良而引入受潮故障，或因 不慎掉入杂质而造成绝缘介质劣化等。实践经验表明，在相当多的情况下频 繁拆卸设备或更换零部件，不但不能改善设备性能，反丽在每次预防复装后都 会引入新的故障。 3 状态维修体制状态维修体制是在2 0 世纪7 0 年代初期发展起来的一种 较先进的设备维修体制。这种维修体制不再以时间为依据进行常规的定期检测 试验与维修，而是着眼于密切追踪检测设备具体运行技术状态的发展、变化情 况，著根据规范化的状态检测结果，掌握设备运行状态演变的情况和恶化的程 度，对故障设备的维修做到心中有数，实现“无病不修，有病才修，修必修好”。 从上面的简单讨论不难看出，状态维修体制具有如下优点： 1 通过降低维修次数，延长大修时问问隔，缩小维修时间，可以减少停运 损失，提高设备可靠性和运行有效度，提高设备利用率和生产率，节约设备维 修费用，降低设备全寿命周期成本。 2 由于状态维修体制往往是以设备运行状态下的在线监测结果为依据进行 的维修，所以能够预报故障的发生时间和起因，可以有效地防止发生意外的突 发事故。 3 状态监测能够预测已有故障隐患对设备其他零部件的影响与作用可以 消除设备已有故障诱发的二次性损坏。 正是因为状态维修具有上述的突出特点，所以，国内外电力行业都十分重 视研究和推广这种维修体制。我国电力系统多次召开专业学术会议，交流和推 广状态检测与状态维修方面取得的成果。 应该承认，现代设备状态维修的技术基础是故障信息的状态监测故障渗断。 因此，为了实现状态维修：在重要设备上都安装了采集状态信息的在线监测传 感器或在运行设备一k 装置状态监测用的各种仪表和报警系统。 电气设备绝缘在线监测的研究现状：早在1 9 5 1 年美国西屋公司的约翰逊 ( j o h n s j o l m s o n ) 针对运行中的发电机故障而提出并研究了在运行条件下进行监 测，这可能是最早提出的在线监测思想。美国从6 0 年代起开始发展在线监测技 术，同本从7 0 年代开始发展。经过几十年的发展研究，国外已成功地研制了不 少在线监测装置，如：加拿大安大略水电局研制了用于发电机的局部放电分析 仪( p d a ) | l j ! ，魁北克水电局研究所研制了一套多参数的监测系统( a i m ) ，同本 东京电力公司于8 0 年代研制了变压器局部放电自动监测仪”，前苏联也发展了 电容性设备绝缘监测和局部放电的在线监测技术。而我国的电气设备绝缘在线 监测则起步与7 0 年代，当时仅仅是为了不断电而对电气设备某些绝缘参数( 主 要是泄漏电流) 进行直接接触式带电测量。其结构简单灵敏度差。从8 0 年代开 始出现各种专用带电测试仪器，并摆脱将测试仪器接入测试回路的传统模式， 而代之以利用传感器输出的被测信号。同时还出现一些通过非电量测量来放映 绝缘状况的仪器，如超声装置、远红外装置。进入新世纪后，在线监测技术更 是蓬勃发展，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、西安交通大学还结合油中 气体分析丌展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作”i 。 1 3 电介质损耗的测量方法简介 1 3 1 介质损耗机理 图1 1 介质损耗角 f i g 1 - 1 d i e l e c t r i cl o s s 绝缘介质( 电介质) 在电场中都要消耗电能，通称为介质损耗( 介损) 。介质 损耗大致可分为三个方面“。i 。绝缘介质在电场作用下有导电电流流过，这个电 流使绝缘介质发热产生损耗，称电导损耗；绝缘介质中局部电场集中处，当电 场强度高于某一值时就产生局部放电，这会伴随着很大的能量损耗，称游离损 耗；在交变电场的作用下，绝缘介质产生极化电压，使的一部分电场能不可逆 的变成热能，称极化损耗。 正是由于介损的存在，对介质施加一证弦电压u 时，通过介质的电流，不是 哈尔滨理i ：人学i ：学硕十学位论文 导前于电压, r 2 而是妒角度，妒= , d 2 一占，如图1 1 所示i 。 由图司。得： i = ，。+ i ， ，。= j c o c u = j o j c o g ，u ir = u g = u o k 7 t a n 6 = u 虻o s ? t a n 6 ，= u c o d o ( j g ，+ s ，t a n , 5 ) = uc o c o ( j e ，+ f ：。) = u c o c o j ( g ，一，占：) ：j c o c o 占：u g ：称为相对复介电系数 t a n 如詈= 等u i = 等u i mz ， 占r t a n d 称为损耗角正切( 也称耗散因数) 乒徊扣吕警= 筹 m z ， 占：称为损耗指数 式中e 电场强度( 伏米) ； s 电极的面积( 米2 ) ： d 电极间的距离( 米) ； v 电极间介质的体积； 岛真空介电系数： ( - 0 角频率 介质损耗角的正切值t a n d 与电源频率、介电常数和电阻率有关，与绝缘的 体积大小没有关系，事实上反映的是单位体积的介质损耗。因此，它是一种衡 量绝缘介质优劣的好办法。 1 3 2 传统的介质损耗测量方法 1 电桥法电桥法是测量t a n 占最广泛使用的方法之一。电桥法采用交流 电桥差值比较原理，准确度相对较高，测量范围广，频带宽，可采用三电极系 统来消除表面电导和边缘效应带来的误差。典型的电桥是西林电桥。目前在实 验室和电力部门，停电时介质损失角正切t a n d 和等效电容的测量大多采用西林 电桥。但是，由于电桥法测试程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受 人为因素影响；随着输变电电压等级的提高，强电场干扰严重：不能测试高电 压、大电容试品：受电源谐波干扰较大，不易平衡；测试时必须配备高精度的 电容器；不能满足在线精确的t a n 6 测量“。 2 谐振法该方法分为变电阻法、变电导法、变电纳法、变频法和谐振升 高法。它一般能在4 0 k h z 到1 5 0 m h z 的频段内测量介质的t a n d 。由于测量时采 用较高频率，在高压实验中实现困难，几乎没有采用过”。 3 瓦特表法瓦特表法是由介质损失的功率和流过的电流计算求得介质， 由于准确度低，己基本淘汰。 1 3 3 现代的测量方法 随着微电子技术和计算机技术的广泛应用，介损测量技术有了很大的提高。 近几年来，国内外相继出现了具有测量时闻短、精度高，能自动进行校正和补 偿，抗干扰能力强等特点的介损测量方法。 1 伏安法最经典的一种方法。基本原理是根据被测试品的端电压向量和 流过被测试品电流向量之比，可得到被测试品的阻抗向量，根据阻抗向量的实 部和虚部，进一步计算求得介质损耗t a n 6 。这种测量方法在微机测量引入后才 焕发了青春。 2 基波相位分离法在实际测量中，尤其是在线测量中，电压、电流中都 含有高次谐波分量。此方法的精髓就是利用三角函数的正交性，把高次谐波分 量消除，把基波分离出来。通过微机采样和数据处理计算出介质损耗角值。这 种测量方法硬件电路简单，采样点数越多，测量精度相对越高，并可满足一定 的测量精度。同时，该方法有效克服了一般测量方法中高次谐波干扰带来的误 差，所以是一种先进的数字化测量方法。但是，该方法要求信号采样与工频同 步进行，这时由于加性噪声和调制性噪声的影响，采样过程发生截断效应和频 谱泄漏，使测量的精度受到相当影响“。 3 过零比较法本方法是从被测试品上取得的电压和电流信号，然后分别 经滤波、限幅放大、过零比较、整形和逻辑鉴相转换为具有一定脉冲宽度的时 问信号。利用单片机的计数器计算电压和电流脉冲的宽度差( 宽度差既是相位差) 即可求得介质损耗角6 和介质损耗t a n6 。相位差数字化测量方法简单易行且精 喻4 i 浜理i 。人。7 ：o 坝l ? 1 - z 沦文 f f hr 啊们堪乜路一 j 过零漂移，过零比较器的失调电肌、电源谐波以及 。 扰噪声的存在会导致误差较大，而消除这些干扰是十分困难的”。 4 固定轴法即向量法( 】 ，) ，即是将电流和电压看成向量，按一般向量 处理。 等2 鬻y2 专斧+ ，专斧 y ? ? + j | yhy ：+ y l 。 y ：+ y ； 为使分母向量只具有实部分量，使矢量除法运算简化成两个标量除法运算。 烦先把分母位置的向量定为坐标轴方向，即选定电压或电流任意一向量为分母 f i ：为阍定轴，另向量作为分子。利用双斜积分a d 转换器的比例除法可实现代 数除法。这种方法的最大缺点是：参考向量相位漂移会给整个系统测量带来较 j 、i 父一。乃确保精确的榭位天系，需要配套相当复杂的硬件电路，会使测量系 统成小增：0 【| 。 1 4 课题来源及精度要求 谍题泉源。t ：黑龙江省矗然科学基会课题数字模拟混合 9 1 | i 量技术的研究。 精度要求：要求系统相角分辨力可达0 0 0 1 弧度。 1 5 本文研究内容 综 ：所述，我国电力工业已经进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、 两艘n 动撺制的新时代，随之电力系统的安全可靠运行成为电力运行部门所关 1 勺父健n u 题。电力设备绝缘在线j 监测也成为了焦点热点。 我旧的绝缘托线骺测从7 0 年代发展至今，从无到有，从简到繁已经达到 和埙“m 群先进水平。本文从概述介质损耗在线监测的意义入手，介绍了当令 。蚪及我吲介质损耗在线监测技术发展概况和方向，并且简要的介绍了几种介 质损耗测嚣的方法，同时分析了目前存在的各种介损在线监测方法的存在的一 _ 问题。萨是针对这些测量方法存在的问题和不足，本文提出了一种新的测量 方法模拟数字混合乘法最优滤波法。因此，本文对下列内容进行了研究： 1 研究和掌握现有几种介损在线测量方法的原理，并综合分析各种方法的 优点及存在的问题： 、 2 抛出外删究模拟数字混合最优滤波技术在介质损耗测量上应用的原删： 3 研究模拟数字混合乘法最优滤波技术在介质损耗测量的误差分析 4 以绝缘子为对象的测量系统整体结构设计； 5 测量系统传感器的误差补偿和长线传输补偿； 6 电磁兼容技术研究。 哈尔滨理l ：人学一学硕士学位论文 第2 章介质损耗正切值t a n 6 在线测量 随着电子技术和计算机技术的飞速发展和广泛应用，电气设备绝缘的在线 监测技术也取得了很大进展，国内外不断出现各种新的测量方法。我们将就三 种目前最流行的在线测量方法的原理进行详细的讨论，并分析其各自的优缺点。 2 1 基波相位分离法 基波分析法的测量原理是：首先由传感器获得流过设备的电流信号( 已转换 为电压信号) 和设备运行电压信号，利用波形采集装簧将此时域波形同步地转换 为数字化离散信号，然后利用计算机将两个离散数字波形信号经离散傅旱叶变 换或快速傅里叶变换( f f t ) ，得到两个信号的基波，进一步求出两基波的相位差， 从而得到设备的介质损耗角占值“”“。 母 r 幽2 - 1绝缘子接线不恿幽和等效电路幽绝缘子 f i g 2 - 1w i r i n gd i a g r a ma n de q u i v a l e n tc i r c u i to f i n s u l a t o r 以测量高压绝缘子为例，如图2 1 所示，设u ，为被测绝缘子运行电压、f ，为 其上流过的电流。满足狄里赫利条件( 即给定的周期性函数在有限的区间内，只 有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值) 的电力系统电压u ，、电流f 。， 可按傅罩叶级数分解为直流分量和各次谐波分量之和： “，( f ) = 砜+ u h s i n ( k c o t + ) ( 2 - 1 ) ；l f ，( f ) = ，。+ ，hs i n ( k c o t + f l , ) ( 2 2 ) = l 。pu ，电压的直流分量； ，。一电流的直流分量： 。一一电压的各次谐波幅值： ，。一一电流的各次谐波幅值； 口。一| _ f 爪的各次谐波相角： 。一f u 流的各次谐波相角 k = 1 , 2 3 4 o 。，式( 2 1 ) ，( 2 - 2 ) 可表示为 。( ，) = u 。+ 陋s i n a ) c o s k c o t + p m c o s o f ) s i n k 6 0 t 】 ( 2 3 ) 女= 】 f 。( ，) = ，。+ 阢，s i n f l + ) - c o s k m t + ( 1 。c o s f l k ) - s i n k c o t 】 ( 2 4 ) 将j ( 2 3 ) 两边同乘以c o s k a j t ，取一周期内定积分。可得： 卜c o s k c o ta r t = f u 。c 。s k c o t d t + f ( “。s i n 口。) c 。s m ，- c 。s 女倒d t + fu 。- s j n 埘c 。s k a n t d t + 九s i n 口j ) c 。s 2 a ) t 咖s k c o t 加+ f o k c o s a ：) s i n2 c o t c 。s k c o t d t + f ，s i n a 。) c o s k c o t d t + f ( u c 。s 吼) 伽i k c o t c o s k c o t d t ( 2 - 5 ) 丰 _ ! 据j t 角函数在一个周期内定积分的f 交特性，有下列定积分成立： j s i n m x 疵= 。，c 。s 砒= 。，r ( s i n ，珊) 2 出= 吾，f ( c 。s 删) 2 出= i t 扣c o s n x d v = 0 和n 州矧n n x d r = o ，( m ”) ， c o s 删c o s n x d x = o ，m n ) 川f p 黼| j f 2 5 ) 节： f 虬c 。s 觑拼出= f p 。s i n ) c o s 2 七耐出= 吾u 。s i n 吒 所以， 。= 暂 (2-6)u s i nc z x c o s k c o t d t 。= 言【 同理，由式( 2 3 ) 两边同乘以s i n k c o t ，并取一周期内定积分可得： u 。c 。s 吼= 吾f “，商n 七酬础( 2 - 7 ) 由于我们需要的是基波，故令k = 1 ，并且以式( 2 - 6 ) 除以式( 2 7 ) ，则可得 电压基波相角口： t a n 口，= r u c 。s 耐斫f u s i n c o t d t ( 2 _ 8 ) 按相同方法，可由式( 2 - 4 ) 推得电流基波相角届： i ， t a n 届= fi x c o s c o t 讲【i ，s i nc o t d t ( 2 - 9 ) 所以，介质损耗角正切： 开 t a n 占= r a n t s - 一( 崩一口i ) 】 ( 2 - 1 0 ) 所以，从传感器，前置放大电路所得的电压信号【，、电流信号i ，经过离 散数字化处理后，按式( 2 - 8 ) 、式( 2 - 9 ) 和式( 2 1 0 ) 计算即可求得容性设备的截止 损耗角正切值。 谐波分析法的主要特点是基于傅里叶变换对被测电压和电流进行分析， 可运用f f t 运算求出电压、电流各次谐波的相角，取基波的相角差用于计算 t a n j ，可使结果不受高次谐波的影响“。同时，由于主要以软件分析为主，故 能减少硬件电路造成的影响。从式( 2 - 8 ) 和( 2 - 9 ) 也可知，根据三角函数的j f 交特 性，u 。、f 。中的直流分量砜、0 不影响a 。的值，即谐波分析法测量t a n d 受硬 件电路零漂的影响较小，从而提高了测量的稳定性和测量精度。 在介损在线检测中，一般认为在短时间内测得的电压、电流信号都可以看 作是平稳的周期信号。根据数字频谱分析理论可知，只要能够按照信号周期的 整数倍长度进行信号采样，即整周期采样“”1 ，就可实现这类信号频谱的准确分 析。否则就会因栅栏效应和频谱泄漏现象“。但在运行现场，实际系统的频率 常有波动，整周期采样的条件很难满足，这时就会出现频谱泄漏：同时电网的 电压的闪变、非整数倍的间谐波、调制性干扰会影响现场的采样精度，这些都 哈尔滨理j ：人学l ：学硕十学位论文 会带来相当的误差。因此，谐波分析法在线介损测量准确度仍然不能满足工程 要求，实际现场应用存在着一定的问题。 2 2 过零比较法 过零比较法也是现在应用比较普遍的一种介质损耗在线监测方法。浚方法 通过测量施加以绝缘介质上电压u ，和流过绝缘介质中电流f ，的过零时刻t l 和 f 2 ，利用逻辑法鉴相原理测得两者之间相位差够= ( t l 一，2 ) 2 7 1 ( 7 1 为工频周 期) ，而求出介质损耗t a n 占= t a n ( 万2 一p ) 。图2 2 是相位差测量原理图，从试品 上取得的电压和电流信号分别经过滤波、限幅放大、过零比较电路变成方波信 号，信号如图2 3 ，再用逻辑法鉴相器把相位差变为脉宽( t l t 2 ) 最后送给单片 机进行计数得到1 和n 2 ( n 1 、n 2 分别为对应于( n f 2 ) 和州2 的计数值) ， 则介损t a n j = t a n ( 丌2 ) 一( n 1 一n 2 ) 石1 ”“”3 “1 。 崩2 - 2 相位差测精原理幽 f i g 2 2 p h a s em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ed i a g r a m 过零比较法采用了单片机来测量过零点时差及正弦信号周期，电路简单， 准确度高，比较适合现场应用。但是电子电路的零点漂移、过零比较器的失调 电压多类干扰和噪声的存在都会使过零比较跳变出现偏差，从而导致相位差 ( t 1 一t 2 ) 和最后结果出现较大误差。同时由于过零比较器的电平跳变敏感域不一 样，如果采样得到的电压和电流信号的幅度值不同，就会出现电压和电流占空 比不同，也会导致相位差( t l t 2 ) 和结果出现误差。为了减小误差我们可通过获 得多组数据取平均值以减小分散性，还可采用消除回路误差等措施以提高测量 t a n 占的准确度，但是这都不是解决根本问题的办法。实际上，对于过零比较工 作效果只能同过提高电路性能来改善。然而这必然会带来设计上的烦琐，同时 导致成本的大量增加。 2 3 积分法 过零计数法实质上就是一种时间的测量方法。如果能准确地测量艿所对应 的时间，那么根据j = 埘可以十分容易地将时间转化为相应角度。由于过零计 数法直接对时间进行测量，因此，它严重地依赖电压电流过零点的稳定性，否 则会引起较大的误差。和过零计数法不同，积分测量法并不直接对时间进行测 量，而是测量电压电流对应的面积，为了阐明该方法的原理，用运行电压u ，和 泄漏电流，在时域的波形来说明，如图2 3 所示“”。 图2 - 3电流电压波形相位图 f i g 2 - 3 c u r r e n ta n d v o l t a g ew a v e f o r m 与向量图l 一1 一样，超前“。妒角度。此时，j 就表示介质损耗角。从图中 可以直观的看出，在电流幅值一定的情况下，占角的大小实际上决定了图中阴 影部分的面积a 的大小，a 与万必然存在着某种关系。因此，通过这种关系的 运算，就能将对艿的测量，转化为对面积和幅值的测量。同时，从数量关系来 看，彳要比j 大得多，因此，测量a 就要比直接测量j 要容易些。这样，就能 将小信号测量转换为大信号测量，从而有希望提高测量精度。这就是积分测量 法的基本思想。 在实际测量中，可以测量面积s 的大小来测量万。因为，在电流幅值一定 的情况下，测量面积s 与0 是等价的。下面是推导占与面积s 的关系的过程。如 哈尔滨理一l 人学_ 上学硕士学位论文 图2 3 所示： 设：i ，= ，。s i n 0 9 t “，= u 。s i n ( c o t 一日) 占：兰一0 。 2 可以得到： 一i s i s i n a o t d t 一告c o s 哦0 占 在万极小时得到： s i n 8 a t 9 8z 占= l 一譬( 2 1 1 ) 积分法相对于过零比较法已经有了相当的改善，尤其是对于过零点的漂移 的处理从原理上将误差降到很低的程度，但是无可否认过零漂移的误差仍然存 在，而且就式( 2 1 1 ) 可以看出由于该式中存在出，所以测量结果受到频率的影 响很大。 我国开展电力设备绝缘在线监测技术的开发应用已有几十年了，此项工作 对提高电力设备的运行维护水平，及时发现故障隐患，减少停电事故的发生起 到了积极的作用。但仍存在不少问题。根据中国电力科学研究院1 9 9 8 年对全国 部分省市电力部门安装的5 7 套集中型在线绝缘监测系统的调查结果，属于正常 或比较正常的仅占3 0 ，而确定不能正常运行或处于瘫痪状态的要占总数的 3 5 。主要表现在绝缘在线监测系统运行不可靠，而测量方法不可靠是主要原 因。为此，我们需要一种理论上合理、技术上可行、现场运行稳定的方法重新 设计在线监测系统。 2 4 本章小结 本章着重介绍了基波相位分离法、过零比较法、积分法三种重要的介质损 耗的测量方法的基本原理。在详细的理论推导和分析后，我们知道以上三种方 法都在原理上存在着不可克服的误差来源。对于基波相位分离法，栅栏效应和 频谱泄漏不可避免：对于过零比较法，过零漂移问题无法解决；而积分法中同 样存在过零点问题，同时它还受到频率的影响。 哈尔滨理工人学i ：学硕十学位论文 第3 章模拟数字混合最优滤波原理及误差分析 在上一章中，我们较具体、较详细的介绍了现今应用比较普遍的几种介质 捌l 仡线测量方法的原理，包括基波分离法、过零比较法、积分法。在介绍各 种方法原理的同时，我们还就其各自的特点、缺点进行了分析。由分析可知， 这此；，j 2 , j ；i s t l ! f 。：都是非常巧妙、准确的，但在现场应用时却因为采样非整周期， 1 | f 溯波动，l uj 叫晰波等r 扰的存在使得测量出现了这样或那样的f j 题。那么， 为r 得到更加准确的测量结果为了更好的实现介质损耗的在线监测，就必须 找到史稳妥的测量方法。 本文介绍的模拟数字混合最优滤波法是一种新的测量方法。它利用了最优 棚荚滤波理论，可以在最大信噪比准则下，最大限度的滤除高次谐波和加性噪 声的影响。从而较理想的克服现场的强干扰，解决了之前所述在线监测方法存 萌! 的主要问题使在线监测所得结果更准确、更可信。 模拟数字混合乘法是指以乘法型d a 转换器为核心器件，实现模拟量与数 字量四象限乘法的运算，因而我们也称该器件为模拟数字混合乘法器“j 。该乘 法器其有如下特点”“： 1 对模拟信号而言，有很高的分辨率和非常好的线性度： 2 可以实现准确的9 0 。相移，因此可以实现对模拟信号高准确度的正交分 斛： 3 能够把模拟信号的相位转化成直流信号。对直流信号高分辨率、高准确 度地测量，可以大大提高相位测量的分辨率和准确度： 4 由于其本质是采用相关测量中_ 的最优滤波原理，因此具有最小方差意义 下的最大信噪比和较强的抗干扰能力； 5 理论分析、计算仿真和实验表明：数字信号的分辨率可以提高到d a 转 换器的l 4 l b s ，因此可以用较低位数的d a 转换器得到较高的数字分辨率和准 确度。 举于以卜特点，陔方法可以实现对模拟信号高分辨力和高准确度地矢量测 艟从而实现商分辨力高准确度的相位测量。 3 1 模拟数字混合最优滤波原理 3 11 最优滤波原理( 匹配滤波器) “tz 1 仇滤波器又称为匹配滤波器，所谓匹配是指滤波器的性能与信号的特性 取得某种致，使滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率之比值为最大。 舀：实际问题中，根据信号的要求设计与噪声平均功率之比值为最大。此滤波器 的作用在于增强信号分量而同时减弱噪声分量可以使监测的信噪比最大”】。 改滤波器的输入信号为s ( ，) + n ( ，) ，其中j ( f ) 是有用信号脉冲，n ( t ) 是信道噪 j 一：池波器的输i | 信号s t ( ，) 十h 。( ，) 其中s o ( ，) 是有用信号分量， 。( ，) 是噪声分 帚如图3 一l 所示。 幽3 - 1信号与噪卢j 盥过滤坡器 f i g 3 - is i g n a la n dn o i s ep a s st h r o u g ht h ef i l t e r 设滤波器的转移函数为( j 甜) 。希望在某一时刻f = ，。( 进行判决瞬问) 使 信i 噤比为最大，取g ( t 。) 与”：( f 。) 之比以p 表示 p = 鬻 ( 3 1 ) 疗：( ，。) 特s ( ，) 的傅旱叶为s ( ，缈) ，则8 0 ( f ) 可由下式给出 s o ( ，) 。去( 脚姗础幽( 3 - 2 ) 亿，。时刎 s 0 ( ，j 2 去小m 义m p 嘞( 3 - 3 ) t ：月( ，) j , j 白噪声，器功率普为常数n ，输出噪声, 1 1 0 ( ，) 的功率谱为| h ( j o ，) l 2 n t 1 1 1 f l e 划 而 而= 尝e m 圳2 d 印( 3 - 4 ) 将r ( 3 - 3 ) o i 式( 3 - 4 ) 代入式( 3 - 1 ) 求出 p=器=ifh(j丽a)s(jc口)e“dee2 b s ， ”：( ，。) 2 州r 日( 肋) 1 2 d 出 。 - c j 国) s ( 缈) e ，虬叫2 兰 ( ，印) j 2 d e f s ( 甜) j 2 d ( 3 6 ) 由此滤波器输出端信噪比的最大可能值为 2 鬻卜丽1 枷扩如 为取此最大值，h ( j c o ) 与s ( ，酗) 必须满足 前文已述，有用信号s ( ，) 的持续时间式有限，为使匹配滤波器可以实现并且 响应时间尽可能短，取f 。= t 、k = 1 。 至此得出结论：匹配滤波器的冲激响应是所需信号s ( ，) 对垂直轴镜像并向右 平移t 。这样的线性系统称为匹配滤波器。从改善系统输出端信噪比的角度考 虑，匹配滤波器是线性系统的最佳滤波器。 图3 2 模拟数字混合乘法 f i g 3 - 2 d i g i t a l a n a l o 争m u i t i p l i c a l i o n 模拟数字混合最优滤波技术正是利用了这一原理，其等效原理图如图3