（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的容性设备绝缘在线监测装置的研制.pdf

摘要 随着电力系统向超高压、大容量的方向发展，为了确保高压电气设备的安全稳定运 行，设备绝缘状况的监测显得尤为重要。绝缘在线监测是在运行电压下对设备绝缘状况 进行实时监测的新技术，弥补了预防性试验实时性差的不足。容性设备在发电厂、变电 站中占很大比例，而介质损耗因数t a n d 是反映容性设备绝缘状况的重要参数，因此介损 t a n d 的在线监测具有重要的意义。 本文针对介损t a n d 测量稳定性不高、精确度不够的问题，研制了基于d s p 的容性设 备绝缘在线监测装置。对于谐波分析法存在的不足，提出了改进的谐波分析法计算介损 m n d 。采用加窗插值的方法修正频率波动给相角测量带来的误差；利用h i l b e r t 变换构造 解析变换，进而滤除信号中的负频率成分；另外，利用窗函数法设计f i r 数字低通滤波 器滤除干扰信号。由于传统的相对比较法绝缘诊断效果不理想，采用模糊诊断方法对容 性设备绝缘进行诊断分析。 考虑到环境因素以及装置电路自身可能引入干扰的影响，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为 数据处理、逻辑控制的核心，设计了硬件电路，包括工作电源、信号调理、外扩r a m 等。软件方面，基于模块化的程序开发思想，实现了数据采样、解析滤波、f i r 数字低 通滤波、全波傅立叶算法、窗函数修正频率波动、绝缘诊断算法等功能。 最后，通过实验验证研制的装置能够有效、可靠地对介损t a n d 进行在线监测。将介 损理论值与基本算法计算值、应用改进的谐波分析法计算值相比较，分析两种介损计算 方法的性能，并对不同实验模型测量得到的介损t a n d 进行在线监测。实验结果表明该装 置能够准确、稳定地对介损t a n 击茳行在线监测。 关键词：容性设备，介质损耗因数，在线监测，改进的谐波分析法，故障诊断 d e v e l o p m e n to no n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o ro fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t b a s e do nd s pc h i p l i us h u w e i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k a n gz h o n g j i a n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e mt ou l t r a h i g hv o l t a g ea n dl a r g ec a p a c i t y , i ti sh i g h l yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h ei n s u l a t i o no fd e v i c ei no r d e rt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o n o fm 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 n l eo n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gi san e wt e c h n o l o g y t h a tt h ei n s u l a t i o no fd e v i c ei sr e a l t i m e l ym o n i t o r e du n d e rt h eo p e r a t i n gv o l t a g em a k i n gu p f o rt h el a c ko ft h ep r e v e n t i v et r i a l o w i n gt oal a r g ep r o p o r t i o nu s i n gi ns u b s t a t i o n sa n dp o w e r p l a n t sa n d ，s i m u l t a n e o u s l y , t h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o ri sas i g n i f i c a n tp a r a m e t e rr e f l e c t i n gt h e c o n d i t i o no fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t ，t h e r e f o r e ，t h eo n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n go ft a n di s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , a no n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o rb a s e do nd s pi sd e v e l o p e dt om e a s u r et h e d i e l e c t r i cl o s sf a c t o rm o r ea c c u r a t e l y b e c a u s eo ft h el a c ko ft h eh a r m o n i ca n a l y t i c a la p p r o a c h , t h em o d i f i e dh a r m o n i ca n a l y t i c a la p p r o a c hi sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o r 1 1 1 ew i n d o w e di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi si n v o l v e dt oa m e n dt h ed i f f e r e n c eo ft h ep h a s e m e a s u r e m e n tc a u s e db yt h ef r e q u e n c yf l u c t u a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , a n a l y t i c a lt r a n s f o r m a t i o n s t r u c t u r e db yt h eh i l b e r tt r a n s f o r m a t i o ni su s e dt oc o u n t e r a c tt h en e g a t i v e f r e q u e n c y i n a d d i t i o n ，af i rd i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e dt ow i p eo f ft h ei n t e r f e r e n c es i g n a l d u et ot h e d i s s a t i s f y i n gp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a li n s u l a t i o nd i a g n o s i sb a s e do nt h er e l a t i v ec o m p a r i s o n m e t h o d ，t h ef u z z yd i a g n o s i sm e t h o di si n v o l v e dt oa n a l y z et h ei n s u l a t i o ns t a t eo fc a p a c i t i v e e q u i p m e n t t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dt h ei n t e r f e r e n c eo ft h ed e v i c e c i r c u i to fi t so w n ，t h ed e v i c ei sd e v e l o p e dw i t ht h et m s 3 2 0 f 2 812 ( d s p ) a c t i n ga st h ec o r eo f d a t ap r o c e s s i n ga n dl o g i cc o n t r o l l i n g n ed e v i c ei sc o m p o s e do fs y s t e mp o w e r , s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，e x p a n d e dr a m ，e t c a sf o rt h es o f t w a r e ，t h ef l o w i n gf u n c t i o ni sr e a l i z e d ， i n c l u d i n gd a t as a m p l i n g ，a n a l y t i c a lf i l t e r i n g ，d i g i t a ll o w - p a s sf i l t e r i n g ，f u l l w a v ef o u r i e r a p p r o a c h , w i n d o wf u n c t i o na m e n d i n gt h ef r e q u e n c yf l u c t u a t i o n , f a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n sa n d s oo n f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n tm o d e lo ft h ec a p a c i t i v ee q u i p m e n ti sb u i l tt ov a l i d a t ew h e t h e rt h e d e s i g n e dd e v i c ec a l le f f e c t i v e l ym o n i t o rt h ec a p a c i t i v ee q u i p m e n t sd i e l e c t r i cl o s sf a c t o r o n l i n e t h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a s i ca p p r o a c ha n dt h em o d i f i e dh a r m o n i ca n a l y s i sa p p r o a c h a r ea n a l y z e db yc o m p a r i n gt h et h e o r e t i c a lv a l u ew i t ht h et w oc a l c u l a t i n gm e t h o dr e s u l t s ，a n d t h ed i e l e c t r i cl o s s f a c t o ro fd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lm o d e li sm o n i t o r e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c ec a na c c u r a t e l ym e a s u r et h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o r k e y w o r d ：c a p a c i t i v ee q u i p m e n t ，d i e l e c t r i cl o s sf a c t o r ，o n l i n em o n i t o r ，m o d i f i e d h a r m o n i ca n a l y t i ca p p r o a c h ，f a u l td i a g n o s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：二懈 日期：岬年岁月 i 学位论文使用授权书 夕日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 日期：伽7 年岁月7 日 醐：砷月2 7 日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 课题的来源及研究意义 第1 章前言 本课题属于自选课题，研制了一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 的容性设备绝缘在线 监测装置。该装置能够及时、有效地发现高压电气设备存在的绝缘缺陷，弥补了定期离 t f 线监测实时性差的不足。绝缘在线监测在运行电压下对高压设备绝缘状况进行在线监 测，其介质损耗角正切值t a n d 采用改进的数字化检测方法进行在线监测，该数字化方法 基于稳定性强、抗干扰性良好的d s p 芯片实现，使该装置具有极高的灵敏度，同时使 得到的检测数据真实性更高。 容性设备是指全部或部分绝缘采用电容式结构的设备 1 ，包括电容式电流互感器、 电容式电压互感器、电容型套管、耦合电容器等，其数量约占发电厂、变电站设备台数 的4 0 一5 0 ，是容易发生事故且停电预防性试验工作量大的设备。导致容性设备出现 故障的主要原因是绝缘性能劣化。因此，容性设备的绝缘在线监测是电气设备绝缘在线 监测的主要工作，对整个电力系统的安全、稳定运行具有重要的意义。 电气设备绝缘在线监测技术是一种在运行电压下对设备绝缘状况进行在线监测的 方法【5 】，可以大大提高试验的真实性与灵敏度，实时掌握设备绝缘性能的变化，及时发 现绝缘缺陷，提高电力设备运行的可靠性；并且有利于从计划维修转变为更为合理的状 态维修，减少不必要的停运和维护，节省大量经费，具有更大的经济效益。 容性设备绝缘在线监测的绝缘检测参数的选择非常重要 1 】，从国内外的经验来看， 介质损耗因数t a n d 、电容值c 和泄漏电流i 是对设备绝缘缺陷反映较灵敏的测量参数。 其中，介质损耗因数t a n d 是反映容性设备绝缘状况的重要参数，容性设备的在线监测方 法主要是指r a n d 的在线监测方法。因此，介质损耗角正切值t a n d 的在线监测方法也一 直是国内外从事电力设备在线监测学者的研究重点。 目前，容性设备绝缘在线监测技术投入到实际运行己将近二十年，对及时发现绝缘 设备存在的缺陷、保证设备安全稳定运行起到了良好的作用【4 。但是，在线监测技术尚 处于发展之中，并且由于缺乏运行经验和大量在线监测参数的数据，在理论方法和器件 选择上还存在极大的发展空间。因此，本课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。 第】章前言 1 2 容性设备绝缘在线监测技术的研究现状 1 2 1 绝缘在线监测技术 高压电气设备在运行过程中要定期进行停电预防性试验。目前，预防性试验发展得 比较完善，在多年的实际应用当中也为确保电气设备的安全发挥过较大的作用，直至现 在仍然起着作用 5 j 。然而，近年来已发现传统的绝缘预防性试验方法并非绝对可靠，存 在着安全隐患。例如，预防性试验合格的电力设备，在投入运行后短期内便出现事故。 导致这种情况出现的原因是多方面的，一般有如下原因：试验参数选择不合理；工作条 件与预防性试验的条件大不相同，如绝大部分电气设备的运行相电压( 即工作电压) 远 高于其预防性试验电压。因此，当这些设备存在缺陷时，若施加很低的电压进行测试是 不能发现问题的；有时由于试验周期较长，不能及时发现设备的隐患及绝缘变化的趋势， 而导致事故的发生。 因此，传统的预防性试验方法存在着明显的不足，在运行电压下对高压电气设备绝 缘进行在线监测，可以弥补停电预防性试验的不足，并将逐渐替代传统的停电预防性试 验。大量运行实践表明：电力系统的事故，其中很大部分是电气设备的绝缘事故引起的， 而容性设备( 包括电容式电流互感器、电容式电压互感器、高压电容式套管及耦合电容 器等) 数量约占发电厂、变电站设备台数的4 0 5 0 ，是容易发生事故的电力电气设 备。同时，随着电子技术、传感器技术、光纤技术、计算机技术、通信和信息处理等技 术的发展和应用，在带电测量技术( 工作电压下对电力设备进行绝缘试验) 的基础上发 展起一门新的监测技术绝缘在线监测技术。绝缘在线监测几乎不用预防性试验的仪 器，而是采用高灵敏度的传感器对反映运行中的电气设备绝缘劣化信息( 特征量) 进行 采集，信息的处理和辨识依赖于具有丰富软件支持的计算机网络。由于它能够迅速、准 确地监测运行中设备的绝缘状态，为电力系统的安全运行提供可靠的保证，因此越来越 受到国内外的普遍重视【3j 。 绝缘在线监测通过实时提取故障的特征信号，对电气设备绝缘作出正确的故障诊 断，为状态维修提供了检修依据。状态维修有以下优点：可以更加有效地使用设备，提 高设备的利用率；有目标地进行维修可提高维修水平，使设备运行更安全、可靠；可连 续地提供设备的绝缘信息，对设备的绝缘状况做出正确的评价。绝缘监测及故障诊断技 术主要包括以下内容：( 1 ) 监测及诊断对象的故障机理；( 2 ) 在线监测对象状态的手段； ( 3 ) 监测信息的传递、处理和存储；( 4 ) 状态征兆的形成和提取；( 5 ) 故障诊断方法 2 中国石油大学( 华东) 硕：卜学位论文 和理论。 目前，绝缘在线监测系统按系统结构划分有集中式和分层分布式两种【2 】【3 】【1 4 】。集中 式在线监测系统是指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集不同的绝 缘模拟量，即通过大量的屏蔽电缆将较弱的被测信号直接引入系统主机，然后由主机进 行集中测量和数据处理。随着集成电路技术和通信技术的发展，后期推出的监测系统对 此进行了改进，它采用分区集中处理方式，即按照变电站内设备的分布情况将被测信号 分为若干个区域，分别进行汇集及信号选通，并通过一根特殊的多芯屏蔽电缆把经过选 通的模拟信号传送到系统主机，由主机进行循环监测及处理。这样处理虽然可以减少电 缆的用量，但是不能解决模拟信号在长距离传输后由于干扰或衰减带来的失真问题，而 且还存在现场安装调试工作量大、维修困难的固有缺点。 分层分布式多c p u 结构，采用分散模块化设计技术 3 。每个功能单元基本上由一个 c p u 组成，它把信号采集、数据初步处理等工作放到每一个安装在被测设备上的智能化 前端装置完成，而所有的前端装置被挂接到一条数据总线上，数据线上传递的是数字信 号，它的网络结构是“总线式 的，可以采用r s 4 8 5 接口或者现场总线技术。整个系统 由安装在变电站内的数据采集及处理系统和安装在主控室内的数据分析和故障诊断系 统共同组成，还可以通过公用电话网或以太网，把若干个变电站的监测数据汇集到位于 供电局相关管理部门的数据管理诊断系统，可以实现对多个变电站内的电气设备状态在 线监测和诊断。这样每一层完成不同的功能，由不同的设备或子系统组成，层次和功能 清晰，利于模块化设计，个别设备的损坏和退出运行不会影响到其它设备的工作状态， 可靠性高，现场维护和故障处理较为方便。而且以数字信号来取代模拟信号，抗干扰能 力强、信号不容易失真、计算就地完成，减少了数据的传输量和主控模块的工作量，可 以方便的进行就地监测。采用现场总线技术，总线网络系统是开放的，扩展性强、组态 灵活，但是成本较高。 1 2 2 介损r a n d 在线监测技术 绝缘劣化的一个主要表现是介质损耗上升。介质损耗会使绝缘温度上升，促使材料 老化。如果介质温度过高还会使绝缘体熔化、烧焦，从而失去绝缘性能而导致热击穿。 容性设备在运行中发生爆炸事故主要就是由于绝缘受潮或放电等，聚集大量能量形成热 击穿，从而使设备内部压力不断增加、超过瓷套的强度造成的。 介质损耗因数t a n d 是反映绝缘介质损耗大小的特征参量，它仅取决于绝缘材料的介 3 第1 章前言 电特性，与介质的尺寸无关。经验表明，对于体积较小的容性设备，测量其整体绝缘介 质损耗因数可以较灵敏地发现设备中发展性的局部缺陷及设备绝缘整体受潮和劣化变 质等缺陷，这表明测量r a n d 对于判断容性设备的绝缘状况十分重要。因此，测量和监控 各种电力设备的介质损耗因数r a n d 是电力系统绝缘预防性试验的最重要的项目之一。然 而，电力设备的介质损耗因数r a n d 一般都很小，对测量精度的要求非常高，同时测量现 场又存在各种形式的干扰，所以要准确稳定地在现场测量r a n d 有很大的难度。一般地， 电介质可以等效为一个电阻和一个电容的并联( 或者串联) ，如图1 1 所示。 i i c c 图1 - 1 容性设备的绝缘等效电路图( 并联) f i 9 1 1 e q u i v a l e n tc i r c u i to fi n s u l a t i o no fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t ( p a r a l l e lc o n n e c t e d ) 图1 - 2 容性设备的绝缘相量图 f i 9 1 - 2v e c t o ro fi n s u l a t i o no fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t 当设备绝缘情况良好时，可视为纯容性设备，等效并联电阻趋于无穷大，可以忽略 其损耗，流过设备绝缘的总电流j 视为纯容性电流j f ，其相位超前设备两端的电压矽相 位p 2 弧度( 如图1 - 2 ) 。绝缘劣化时，等效并联电阻减小，损耗增加，相应总电流，中 出现阻性电流j 异。因此，对同一台容性设备，阻性电流的大小可以反映绝缘劣化程度。 4 中围石油大学( 华东) 硕j 。学位论文 为便于不同设备对比，可以用阻性电流和容性电流之比t a n d 来反映介质损耗的大小，即： 眇每 ， 其中，r a n d 称为介质损耗角正切，或介质损耗因数，简称介损。容性设备的j 。值非 常小，即r a n d 也很小( 0 0 0 1 0 0 2 ) 1 7 】，因此对介损测量精度的要求非常高。 传统的介损测量方法主要有电桥法、电压电流表法、谐振回路法和瓦特表法等。瓦 特表法测量精度低，现己基本淘汰。谐振法通常用于较高的频率，在高压试验中几乎没 有被采用过。电桥法用于低频的情况，一般工作原理是通过调节电桥平衡，由标准电容、 电阻与试品进行比较而测得介质损耗因数t a n d 。然而，传统的介损测量方法普遍存在着 测量精度不高、工作量大、易受谐波影响等缺点。 随着电子技术和计算机技术的发展，出现了数字化的测量技术并且得到了人们的重 视【1 7 】【18 1 。数字化测量的基本方法是由传感器从试品上取得所需的电流和电压信号，经前 置预处理电路数字化后，送到数据处理模块( 计算机或单片机) 计算得到介质损耗因数 t a n d 。数字化测量技术简化了系统的模拟电路部分，成本低、实现简单；能够进行自动 校正和补偿，抗干扰能力强，测量精度高；易于实现在线自动检测，测量结果可以直接 显示或自动记录、保存以用于统计分析。 如何获取数字化的测量信号以及采用何种信号处理方法是研究的重点。由于介质损 耗角d 就是流过试品的电流和运行电压的向量之间夹角的余角，如果能测量或计算得到 电流信号和电压信号之间的相位差，也就得到设备的介质损耗角正切。电流和电压两个 参数可以通过传感器在运行现场测得。如图1 3 为t a n d 在线监测原理图。 电压传感器 l 采样 信号分析 剖蟾6 处理系统 电流传感器采样 图1 - 3t a n d 在线监测原理图 f i g l - 3 o n - l i n em o n i t o r i n gf r a m eo ft a n d 数字化测量技术的实现方法多种多样，主要有以下三种常用的方法：谐波分析法、 过零点时差比较法和过零点电压比较法。 谐波分析法是一种被普遍采用的基于软件的测量介质损耗因数h a n d 的方法。基本原 5 第1 章前言 理是：对试品的电压、电流信号计算d f t ( 离散傅立叶变换) 或f f t ( 快速傅立叶变换) ， 利用傅立叶变换的选频特性消除高次谐波而得到基波，进而计算基波的相位差求得介质 损耗因数t a n d 。谐波分析法的突出优点是抗干扰能力强，尤其对抑制信号中的谐波干扰、 模拟器件的零漂、温漂等非常有效。因为信号处理主要由软件来完成，所以对前置预处 理电路的要求大大降低，例如模拟低通滤波器的带宽只要使设定的采样率满足采样定理 即可，而不必滤掉所有的高次谐波。这样，所实现的系统硬件线路简单，具有较高的可 靠性和灵活性。系统的测量精度受到a d 转换的速度和分辨率的限制。理论上，采样率 和数据的位数越高，离散信号越接近于原始信号，测量精度越高；由于成本和技术的原 因，实际的系统不能取得无限高的a d 采样率和分辨率。谐波分析法的主要问题是因电 网频率波动导致d f t 同步采样条件不能满足而引入的误差。 1 2 3 绝缘故障诊断技术 绝缘在线监测与诊断技术是以设备及其群体为对象，建立在检测技术、信号处理、 识别理论、预报决策以及计算机技术等多种现代科学成就基础上的- - 7 3 新技术4 6 】【4 7 】【4 9 】。 其主要步骤如下：( 1 ) 信号检测：按不同诊断目的选择最能表征工作状态的信号，一般 将这种工作状态信号称为初始模式；( 2 ) 特征提取：又称信号处理，是指将初始模式矢 量进行维数压缩和形式变换，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待检模式；( 3 ) 状态 识别：将待检模式与样板模式( 故障档案) 相比较，进行状态分类，为此要建立判别函 数，规定判别准则，并力求使误差率最小、故障漏判率为零；( 4 ) 诊断决策：根据判别 结果采取相应对策。容性设备绝缘在线监测与诊断的重要特点在于信号检测常常位于高 电压、强电磁场的干扰和影响下，所以容性设备的绝缘在线监测与诊断装置在设计过程 中必须设法解决电磁干扰问题，并且要进行光电隔离。 绝缘在线监测技术是基于检测技术、信号处理的一门技术，而绝缘在线诊断技术则 是建立在识别理论和诊断决策的基础之上。容性设备的绝缘在线监测是将检测到的状态 信号量( 电压、电流信号) 进行特征提取后，得到介质损耗t a n d ，在此基础上，通过绝 缘诊断对监测到的t a n d 值与过去测得值、经验值以及标准规定值进行对比和判定，最终 作出绝缘诊断，并采取相应对策。 由于在线数据的稳定性和重复性差，因而必须对绝缘在线监测的介质损耗因数t a n d 数据进行预处理，将在线监测数据中的异常点剔除掉，并进行平滑处理。对于介损数据 的预处理，可以通过以下两种方法实现。其一是基于数理统计的算法，其步骤为剔除异 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 常点处理和平滑处理两步，其依据是统计学中偏差大于三倍标准差的定值测量测定值 ( 出现概率约为o 2 7 ) 高度异常值应予以剔除，即拉依达准则或3 d 准则【2 j 。其二是一 种应用小波技术的预处理过程，其原理是根据小波变换具有多分辨率分析的特点，将信 号中不同的频率分量区分开。这一方法适用于传统的绝缘在线监测方法，其关键是选择 合适的分析尺度。 在线诊断绝缘状况，仅以当前的测量值与现有规程的规定值作比较是行不通的，因 为目前还没有确切的在线规程。绝缘在线诊断应当从当前测量值的纵比( 主要指历史数 据比较) 、横比( 主要指相间同类设备) 来判断。绝缘特性的变化是一个缓慢的过程， 和历史数据比较可以从监测数据的变化趋势上发现问题，可以排除一次测量随机误差的 可能性；而设备同时故障的可能性较小，因而通过横比可以在一定程度上发现设备可能 出现的问题。 在线监测数据具有动态特性，根据系统正常状态下的数据建立相应的自回归滑动模 型( a r m a ) ，将测量数据与模型计算数据的残差作为判断故障的依据，但仅以历史数 据作为依据，难以考虑诸多干扰因素对介质损耗的影响，因而其具有一定的局限性。目 前，相对测量法受到人们较多的关注，该方法是一种以同相设备互为基准的基于多台设 备t a n d 的差值及变化趋势进行综合分析诊断的方法，它可避免绝对测量t v 的角差问题， 此外设备之间的运行工况、受外界的影响等情况较接近，进行相互比较可以在一定程度 上抵消这些因素的影响，提高数据的稳定性，便于评判。但当同相中有两台以上设备发 生故障或彼此绝缘特性有一定差异时，诊断规则不再适合，应进行相对测量结果的定性 分析和绝对测量结果的定量分析，以提高诊断的准确性。 1 3 介损t a n d 在线监测存在的问题 介损t a n d 的在线监测属于高电压、微电流、小角度的精密测量范畴【5 ，对测量方法 和硬件的要求很高，因此，影响t a n d 在线监测精确度与稳定性的主要因素有： ( 1 ) 传感器角差及电压采样信号与一次实际运行电压信号之间的角差是影响t a n d 测量精度与稳定性的一个主要影响因素。传感器角差随时间、环境温度、振动、电磁干 扰等因素而漂移，而d 角极小，若不将因传感器、电压采样而产生的角差考虑在内，则 d 角测量精度及稳定性无法保证。同时，要求传感器角差和电压采样角差相对设备本身 的d 角而言很稳定，以确保准确反映设备本身t a n d 的相对变化。 ( 2 ) 电磁干扰的影响。在运行电压状态下进行介损在线监测，而现场采样信号( 电 7 第1 章前言 压、电流信号) 值处于m a 级，电磁干扰对介损t a n d 的测量精度和稳定性影响很大( 主 要是对采样信号相位的影响) 。为了减小外界电场干扰对测量的影响，应采取多种切实 可行的抗干扰措施。 ( 3 ) 谐波的影响。实际运行的电力系统中，谐波是大量存在的。因谐波造成被测 信号失真，如零漂、过零点不稳定等问题，都将使测量结果出现极大误差。 ( 4 ) 在线监测装置本身存在的精度及稳定性问题。 ( 5 ) 绝缘诊断的方法还不完善。绝缘监测数据受环境温湿度的影响非常大，以介 损t a n d 监测数据为例，从容性设备运行现场监测得到的数据存在周期性变化，但是这种 变化很难判断是由环境温湿度的周期性变化影响所致还是容性设备本身绝缘劣化所致。 1 4 本文的主要工作 本文在研制出一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 的容性设备绝缘在线监测装置的基础 上，以提高介损t a n d 在线监测精度和稳定性为主要目的，考虑了影响t a n d 在线监测精 确度与稳定性的主要因素，结合应用改进的谐波分析法的介损r a n d 测量方法，克服了绝 缘在线监测数据量大、精确度差、稳定性不足等缺陷，将数据处理能力强大的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片应用到绝缘在线监测当中，快速高效地从现场采样信号中提 取出特征量t a n d ，实现了对容性设备绝缘状况的在线监测，并依据大量的介损t a n d 监测 数据进行绝缘诊断。本文的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 通过研究容性设备绝缘在线监测技术的发展现状，总结了介损t a n d 在线监测 存在的问题。 ( 2 ) 针对谐波分析法存在的问题，提出了一种改进的谐波分析法。加窗函数修正 频率波动对测量结果产生的影响；同时，初相角的差异采用解析变换的方法消除；另外， 考虑到系统存在干扰，利用窗函数法构造线性相位f i r 低通滤波器，在m a t l a b s i m u l i n k 的环境下仿真验证基于h a n n i n g 窗函数的低通滤波器的有效性。 ( 3 ) 由于传统的相对比较法绝缘诊断效果不理想，采用模糊诊断方法对容性设备 绝缘进行诊断分析。 ( 4 ) 考虑到环境因素以及装置电路自身可能引入干扰的影响，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型 d s p 为数据处理、逻辑控制的核心，设计了硬件电路，包括工作电源、信号调理、外扩 r a m 等。 ( 5 ) 通过c c s 集成开发环境( i d e ) 编辑软件程序，用模块化的思想开发c 语言 8 中国石油大学( 华东) 硕： j 学位论文 程序，实现数据采样、解析滤波、线性相位f i r 数字低通滤波器、全波傅立叶计算方法、 加窗插值的频率修正、绝缘诊断算法等功能。 ( 6 ) 搭建容性设备实验模型，通过实验验证本文设计的装置能够灵敏、精确地对 介损t a n d 进行在线监测。 9 第2 章介损t a n d 在线监测方法的研究 第2 章介损t a n d 在线监测方法的研究 2 1介损数字化测量方法 介损t a n d 是容性设备绝缘在线监测的重要内容之一。如图1 2 所示，流过容性设备 绝缘装置的电流i 比加在绝缘装置上的电压u 超前一个相角f ，而容性设备绝缘的介质 损耗角d 与f 角的关系式为d = p 2 f ，由于容性设备d 角的范围一般为o 0 0 1 0 0 2 r a d ， 所以对测量d 或f 准确度的要求非常高。除了要求硬件装置中的传感器和在线监测装黄 具有高度的可靠性和抗干扰能力外，对于数字处理算法中存在的问题，采用高精度的数 据处理方法以提高介损t a n d 在线监测的准确度。 用数字化测量方法进行介损的在线监测，由传感器从试品上取得被监测设备的运行 电压信号和流过试品的电流信号，经信号采样电路、高精度a d 转换之后，得到数字信 号，送到数据处理模块( d s p ) 计算得到介损t a n d 。数字化测量技术简化了系统的模拟 电路部分，成本低、实现简单；能够进行自动校正和补偿，抗干扰能力强，测量精度高； 易于实现在线自动检测，测量结果可以直接显示或自动记录、保存以用于统计分析。 谐波分析法是一种被普遍采用的基于软件的介损t a n d 测量算法，谐波分析法存在着 泄漏问题和栅栏效应，这一问题的存在影响了介损t a n d 计算中相位分析的准确性。为此 本文采用改进的谐波分析法应用于介损t a n d 在线监测，通过m a t l a b 仿真表明基于高精 度算法的介损测量较之原有谐波分析算法在计算精度上有明显的提高。实际运行中频率 的不断波动使初相角的差异和谐波的存在成为引起测量误差的重要因素，为此在计算之 前首先必须对信号进行预处理。 2 2 信号预处理 2 2 1 解析滤波 介损t a n d 在线监测信号都是实时信号，其频谱包含了正负两个频带【5 3 1 ，当频率f 波 动时，两个频带相互影响，从而相角计算误差随初相角的不同而变化。如果在进行全波 傅立叶变换之前，将信号中的负频率分量滤除掉只保留正频带，那么初相角的影响将被 去除。 将采样得到的实时信号变为解析信号，得到解析信号的实部是原有的实时信号，虚 部则是采样信号的希尔伯特( h i l b e r t ) 变换。希尔伯特变换是信号分析与处理中的重要 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理论工具【5 5 。利用希尔伯特变换，构造相应的解析信号，使其仅包含正频率成分，从而 消除正负两个频带的相互影响。 设实信号x ( n ) 的希尔伯特变换是x ( n ) ，希尔伯特变换的单位抽样响应为h ( n ) ，则解 析信号可表示为 z ( n ) = x ( n ) + j x ( n ) ( 2 1 ) 其中 坳) = 去日( 扩) e 1 , d c o = 芴1j o 。弘缈一去s ：j e 缈 x ( 咒) = x ( n ) 水办( ，z ) 求解上式的积分，可得 ，f0 ，z 为偶数 坳，= 警= 三n “萎：i 2 ， 以石 i 一 力苛毅 若信号x ( n ) 的频谱为x ( c o ) ，解析信号z ( n ) 的频谱为z ( r o ) ，则 i x ( c o ) 彩= 0 z ( r o ) = 2 x ( c o ) c o 0 ( 2 - 3 ) 1 0 c o 0 利用d f t 求出一个离散时间信号x ( n ) 的解析信号及希尔伯特变换，其步骤如下： 1 ) 先对工( ，z ) f 故d f t ，r r 导x ( k ) ，k ：0 ，1 ，一1 ，注意七：i n ，n 一1 对应负频率。 2 ) 构造解析信号 z ( k 1 = x ( j | ) 2 x ( k ) 0 k = 0 后= 1 ，了n 一1 ( 2 4 ) 七：一n n 一1 2 3 ) 对z ( k ) 做i d f t ，即得到x ( n ) 的解析信号z ( n ) 。 假设理想工频信号为x ( ，z ) = a s i n ( 6 0 + 妒) ，利用公式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) ，得到其解析变 换z ( n ) 为 第2 章介损r a n d 在线监测方法的研究 z ( ，z ) ：彳e 删岬一量 ( 2 5 ) 将式( 2 5 ) 代入单频信号的频率响应公式中，可得相角计算误差为 0 缈= 缈= p 斗2 z 一1万 ( 2 6 ) 【鹕= 万巧+ 一2 国 由式( 2 6 ) 可知，经解析变换处理之后采样信号的相角计算误差不再与信号初始 相角f 相关，只决定于信号的频率，因此电压、电流基波相角有相同的误差，而这一误 差在计算d 时相减而消除。 2 2 2 低通滤波 经过解析变换预处理之后，信号中谐波的影响并没有消除。谐波引起的误差基本与 谐波幅值成正比，降低信号中谐波的含量就能有效地降低谐波对相角测量的影响。采用 窗函数法设计f i r 数字低通滤波器对输入信号进行预处理可以有效地滤除谐波。 经过分析和对数字滤波器固有优点的了解，应用谐波分析法的介损t a n d 在线监测采 用数字滤波器有如下两方面的优点：首先，采用数字滤波器可以保证电压、电流两个通 道具有完全一样的频谱特性，避免了因滤波器而带来的相位误差；其次，数字滤波器具 有很高的稳定性，可以很好地满足介损测量这类高准确度测量的要求。窗函数序列的形 状及长度的选择是设计的关键。 常用的窗函数有以下几种： 矩形窗： 以，z ) = 氐( ，z ) ( 2 - 7 ) 巴特列特( b a r t l e t t ) 窗( 又称三角窗) ： w ( n 、= 2 l 0 ，z 一n - 1n 一1 2 ( 2 8 ) 2 一旦n - 1 ，z n 一1 一1 2 汉宁( h a n n i n g ) 窗( 又称升余弦窗) ： 州= 抖c o s c 器枷，z ， 协9 ， 海明( h a m m i n g ) 窗( 又称改进的升余弦窗) ： 1 2 删- 0 5 4 - 0 4 6 州器枷，z ， 协 布莱克曼( b l a c k m a n ) 窗( 又称二阶升余弦窗) ： 删0 4 2 - 0 5c o s ( n 2 一z _ n 1 ) + 0 0 8e o s ( 器l 枷咒， 协 最小阻带衰减只由窗形状决定，不受的影响；而过渡带的宽度既和窗形状有关， 又随窗函数的宽度n 的增加而减小。表2 - 1 为以上几种窗函数的主要性能。 表2 - 1 五种窗函数基本参数 t a b 2 - 1b a s i cp a r a m e t e r so ff i v ew i n d o wf u n c t i o n 窗里塑竺堂塑堡 一 垫望量婆堡量堡! ! ! 亘堑一 焉鬲磊f i 西氟蟊手王磊焉覆_ 一过渡带宽 阻带最小衰减 窗函数 旁瓣峰值 主瓣宽度 过渡帝苋 阻币最，j 、教蛾 d b ( 2 p n ) | ( 2 p n ) d b 矩形窗 1 3 2 0 9 - 2 1 巴特列特窗 2 5 4 2 1 。2 5 汉宁窗 3 1 4 3 1 。4 4 海明窗 4 1 4 3 3 - 5 3 布莱克曼窗 一一 ：i ： ! i ：i 一一二二一 _ l _ - l _ _ - - _ _ _ _ l - - _ _ - 一一。 设一l 阶f i r 数字滤波器的单位冲激响应为矗( ，z ) ，其传递函数为 n - 1 日( z ) = h ( n ) z ” ( 2 1 2 ) 基于窗函数的设计步骤如卜： 1 ) 确定通带截止频率国。、阻带起始频率以及阻带衰减龟，进而确定截止频率鳞。 给出所要求的理想的滤波器的频率响应以( p 细) ，利用傅立叶反变换求出( ，z ) ，即 ( 刀) ：当8 吼 m j w ) p 啪c i c o ( 2 1 3 ) 九( 刀) = 寺j 二r 吼 ) c 屹。 2 ) 由于本文确定阻带衰减乏：4 0 d b ，查表2 1 可选汉宁窗，其过渡带宽缈= 号笋， 通过：竺丝确定滤波器阶数。 3 ) 由汉宁窗表达