（电气工程专业论文）110kv交联聚乙烯（xlpe）电缆绝缘在线检测的研究.pdf

a b s t m c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no f p o w e rc a b l ei nt h ep o w e r s u p p l i e si sg e t t i n gi n c r e a s e da n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h es u p p l i e dp o w e rq u a l i t yi sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tc o n c e r no fp o w e r p r o v i d e r sa n dc o n s u m e r s t h u st h er e l i a b i l i t yo fp o w e rc a b l ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hg u a r a n t e et h er e l i a b l ep o w e rs u p p l y b u th o wt or e a l i z et h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dr e p a i r i n go fp o w e rc a b l e ? o n eo f t h ei m p o r t a n tp r e m i s e si st h er e a l - t i m ec h e c k i n go fp o w e rc a b l e t h i sw o r kt r i e st o s t a r ta tt h ea s p e c to fr e a l i z i n gt h eo n l i n em o n i t o r i n go fp o w e rc a b l ei n s u l a t i o n , b y a n a l y z i n gt h eg r o u n d e dc a b l ec u r r e n tc h a n g et of i n do u tt h ep o t e n t i a lp r o b l e m so f p o w e rc a b l e si no r d e rt of i xt h ep r o b l e m so nt i m ea n dg u a r a n t e et h es t a b l ea n ds a f e o p e r a t i o no f p o w e rc a b l e s t h i sw o r kr e v i e w st h ec u r r e n ts t a t u so fp o w e rc a b l eo n l i n em o n i t o r i n ga n d p r o p o s e sam e t h o dt om o n i t o rt h ei n s u l a t i o np r o p e r t i e so fp o w e rc a b l eb ya n a l y z i n g t h eg r o u n d e dp o w e rc a b l ec u r r e n tc h a n g e t h ea p p l i c a t i o no ft h ep r o p o s e dm e t h o di s d i s c u s s e d t h i sw o r kp o t se m p h a s i so nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fo n l i n em o n i t o r i n go f p o w e rc a b l ei n s u l a t i o na n dg i v e sac o m p r e h e n s i v es t r u c t u r eo f p o w e rc a b l ei n s u l a t i o n s i n c et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sn o ta ne m p h a s i so ft h i sr e s e a r c h , ab r i e f d e s c r i p t i o ni sg i v e n 。 t h e nt h i s p a p e rd i s c u s s e st h em a t h e m a t i c a lm e t h o d su s e di n t h es i g n n l p r e p r o c e s s i n gp a r to ft h i ss y s t e m , w h i c hi n c l u d el p fd e s i g n i na n a l o g s i g n a l p r o c e s s i n ga n ds m o o t h i n ga n df i l t e r i n gi nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a l lo ft h e s e m e t h o d sa r et h em e t h o d o l o g yb a s i so f t h ef u t u r es o f t w a r ed e v e l o p m e n t a sf o rt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h i sw o r km a i n l yd i s c u s s e st h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a mb e t w e e n d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ea n do u t p u td e v i c ea n dt h es o f t w a r eo f o u t p u t d e v i c ei n s u l a t i o no n l i n em o n i t o r i n g t h es o f t w a r ei se s p e c i a l l yd e v e l o p e df o rt h ei n d i v i d u a lo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m h o w e v e r , o nt h eb a s i so ft h i ss o t h a r e ，i tc a nb ea p p l i e dt or e a l i z et h ei n t e m e t i n f o r m a t i o ni s s u a n c eo f p o w e rc a b l ei n s u l a t i o nt h r o u g hf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：p o w e rc a b l e ，i n s u l a t i o ns u p e r v i s i n g ，d a t ap r o c e s s i n g i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导_ 卜进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, j d h 以标注和致谓j 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 为获得直昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 音1 机嘶签字日期：刁年明西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌厶堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据霹，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匆1 知吣导师签名i 花产q 乙 j ! _ 、 ， 一 签字日期：伊7 年i y 月丛曰签字日期：白奇i 段z ) 日 ， 第l 章结论 第1 章绪论 1 1 开展电力电缆绝缘在线监测的意义 电力电缆是电力系统的重要组成部分。随着企业生产的发展对电力需求的 不断增加，电力电缆的使用量也在逐年增长。现代化企业的生产，要求电力电 缆的运行必须长期、连续和安全稳定。因此，如何保证电力电缆安全稳定运行， 是电力系统中长期研究的一个多因素的非常复杂课题。 本文试图从实现对电力电缆绝缘在线监测这一角度入手，通过分析电缆接 地线电流的变化，提前发现电力电缆将要发生的故障，以便及时处理，从而保 证电力电缆安全稳定运行。 电力电缆的可靠性，在很大程度上取决与其绝缘性能。长期以来，为了防 止事故的发生，对电力系统运行着的设备，一直坚持定期进行预防性实验的制 度。这对保证设备在电力系统中安全可靠地运行，防止事故的发生起了很好的 作用。但伴随着电力生产的发展，传统的常规性预防实验，已经满足不了安全 生产的需要。这是因为常规预防性实验需要停电测试，且两次实验间隔时间过 长，因此不易及时发现设备的绝缘缺陷，而且停电还要造成一定的损失。随着 电力系统的不断发展，电力电缆的应用越来越多，许多单位无法根据规程按时 完成预防性实验任务。 所以，电力电缆设备绝缘的在线监测势在必行。在线监测即在工作电压下 对电力电缆绝缘状况随时监铡，将计算机引入测量系统，使测量过程实现自动 化，对数据处理实现智能化。与此同时，随着现代化技术的飞跃发展，特别是 电子、计算机和各种传感器技术的新成就，都为展开电力设备绝缘的带电检测 和在线监测技术提供了有利条件。 对电力电缆进行带电检测，可以缩短检测周期，提高及时发现绝缘缺陷的 概率，从而降低绝缘事故。这一点，在电力电缆设备投入运行的初期和老化期 尤为重要。对电缆设备进行在线监测，进而实现对绝缘的在线诊断，可使电力 系统从预防性维修阶段过度到预知性阶段。这是因为绝缘的劣化、缺陷的发展， 虽然具有统计性，发展速度也有快有慢，但大多数都有一定的发展期。在这期 间，绝缘会发出反映绝缘状态变化的各种物理化学信息。通过对这些信息的处 第1 章结论 理综合，便可对电缆设备的可靠性做出判断和绝缘寿命做出预测，必要时提供 预警或规定的操作。这样，既可以避免绝缘缺陷的扩大导致事故，又可避免盲 目停电进行预防性实验。 目前，我国的绝缘带电检测和在线监测工作，都还处于发展阶段。如何发 展各种测量系统，提高测量的准确度和可靠性，降低测量装置的造价等是当前 及今后要努力进行的工作。 1 2 国内外电力电缆在线监测的研究现状 目前国内外对x l p e 电力电缆绝缘在线监测的研究，已提出了如下几种方 法： 1 2 1 直流成分法 如果运行中的x l p e 电缆绝缘体产生了水树枝，则在运行中的交流电压作 用下，由于水树枝的整流作用将产生一个微弱的直流电流分量( h a 级) 流过绝 缘体。研究表明，水树枝发展得越长，树枝密度越大，流经电缆绝缘的电流中 的直流成分就越大。通过检测这一直流分量来判断电缆绝缘老化的方法，称为 直流分量法。有入建议，用直流分量的大小来估计x l p e 电缆的老化程度。但 是，直流分量法中测得的电流极微弱，有时也不大稳定，目前还难以仅由此来 做出判断。其主要的问题是在现场进行支流分量法的测量时，微小的干扰电流 就会引起很大的误差。其干扰主要来自被测电缆的屏蔽层，与大地之间的杂散 电流。 1 2 2 直流叠加法 通过电缆所接的电压互感器的中性点或其它方法，将- - + 的直流电压，叠 加到运行中的x l p e 电缆的导体线芯上，用高灵敏度的电流表，测定出流过电 缆绝缘体的直流漏电流( 一般为n a 级以上) ，或测量其绝缘电阻，以此来判定 绝缘的老化程度。由于直流叠加法，是在交流高压上再叠以低压的直流电流， 实验表明，对于1 0 k v 电压等级的x l p e 电缆线路，叠加5 0 v 直流电压下的绝 缘电阻的带电测量值，与停电后加直流高压时的测量结果很相近，因此可用来 判断电缆的绝缘状况。 目前直流叠加法在国内也有应用，但主要应用于电网中性点不接地，或经 2 第1 章结论 由消弧线圈接地的1 0 3 5 k v 的线路上。对于中性点直接接地的电网，则无法应 用。但由于绝缘电阻与电缆的残余寿命的相关性并不是很好，其分散性太大， 又因绝缘电阻与很多因素有关，很难以测量其绝缘电阻值老预测电缆的老化程 度。实验表明，只有当x l p e 电缆中的水树枝发展到8 0 绝缘厚度以上时，才 会使绝缘电阻显著下降到“危险值”。所以，该法虽然比较易于实现在线监测。 但是，当护层绝缘电阻太低时，也难以获得准确读数。 1 2 3 在线介质损耗角正切法 通过电压互感器，将运行电缆的电压信号取出，同时运用电流互感器，将 流过电缆绝缘的工频电流信号取出，比较两者的相位，便可得电缆绝缘的介质 损耗角正切( t a n 6 ) ，从而便可以此判断绝缘老化程度。但是，对于x l p e 电缆 进行测量时，由于该绝缘的t a n 8 很小，往往难以测准，特别当屏蔽层对地绝缘 电阻很小时，在线监测t a n 6 更加受影响。此方法在国外也已开发出装置，但其 测量精度不够理想。 1 2 4 局部放电在线监测法 电力电缆局部放电量，与电力电缆绝缘状况密切相关。局部放电量的变化， 预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。国内外专家学 者、i e c 、i e e e ，以及c i g r e 等国际电力权威机构，一致推荐局部放电试验， 为xl pe 绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。因此，通过检测运行中的 电缆绝缘的局部放电，可用来检测电缆绝缘的局部缺陷。随着现代传感器技术， 以及信号处理技术的快速发展，采用局部放电法作为电缆绝缘在线监测的方法， 现在已成为研究的热点。应该说，这种方法最具有发展前景，但对技术要求也 较高。 常用的几种局部放电方法有：用局放仪测局部放电量、接地线脉冲电流法、 电磁波法、超声波法、振动加速法等。最近正在着力研究采喋基于局部放电发 生相位分布( p d 图谱) 图谱识别的方法，进行绝缘异常和劣化的诊断。由于主 要测量对象为电缆终端及连接盒，也就是说，其主要是应用在检测局部缺陷方 面很有价值。 3 第1 章结论 1 2 5 低频叠加法 此方法将低频电压，接入电缆高压回路的高压端与地之间，从电缆的接地 线上测出低频电流。由于电缆绝缘层可看作r c 的并联等值电路，当施加的电压 为低频时，流过绝缘层的容性电流( l = u 国c ) 较工频时小得多，而阻性电流 i r 却无明显的变化，因而较易从接地线总低频电流中分离出阻性分量。一方面可 计算得到阻性电流所反映的电缆的绝缘电阻，另一方面频率降低，等值t a n 8 增 大，从而使得等值介质损耗角正切较易测出。 1 2 6 接地线电流法 当交联聚乙烯里的水树枝发展时，不但t a n6 增大，击穿电压u b d 下降，而 且电容增量a c 增大。因此，老化前后的电容会有交化，从而使接地线电流世， 也会发生变化。该方法，便是利用通过电缆接地线的电容电流的增量，的一种 方法。由于x l p e 电缆绝缘老化前后的电容量变化，将导致接地线电流。的变 化。 在加速老化试验中，验证了交流击穿电压与接地线电流增量世。有较好的相 关性( n - o 7 6 ) 。因此，可用来做为判定绝缘老化的依据。此外，由于可连续和 实时地监测运行状态下的电容电流，则在线检测的数据结果具有连续性，可视 为一时间序列。对时间序列建立自回归滑动平均模型，作统计分析，可判断出 其发展趋势，以及判断新得到的监测值是否有显著性的变化( 变差) 。因此，本 人认为这一方法具有可行性，并具有较高的研究价值。 国内外实际应用于电缆绝缘在线监测的仪器，主要是基于上述的前四种方 法。如日本住友公司的在线运行电缆监测仪( o l c m ) ，采用的是基于直流分量 法和直流叠加法的综合；日本九州电力公司综合研究所开发的在线监测装置， 则采用的是叠加低频法。上海电缆研究所研制的c d z 型交联聚乙烯电缆诊断仪， 也是采用直流分量法和直流叠加法的综合。近几年对电缆局部放电的在线监测 的研究发展得相当快，在欧美等发达国家，已相继开发出基于局部放电的x l p e 电缆在线监测装置。 1 31 1 0 k v 交联聚乙烯( x l p e ) 电缆在线监测的方法的确定 考虑采取什么方法来进行交联聚乙烯电缆绝缘的在线监测，必须依据其具 4 第1 章结论 体的线路特点来选定。 1 1 0 k v 交联聚乙烯电缆线路，对比于较低电压等级线路，如1 0 k v ，3 5 k v 等有如下特点： ( 1 ) 电缆的结构都采用单芯电缆并分别加以屏蔽； ( 2 ) 一般采用中性点直接接地方式。接地电阻不大于o 5q ； ( 3 ) 金属屏蔽层采用三相交叉互连。对不太长的线路，一般采用单端三相 绞连后接地； ( 4 ) 金属屏蔽层交叉互连处都设有过电压保护。 本课题，以两条1 1 0 k v 交联聚乙烯电缆线路为研究对象，通过现场的调研， 其有如下的特点： ( 1 ) 线路长度为5 0 0 米左右，属于短线路。因此，没有采取金属屏蔽层三 相交叉互连措施，且电缆中段没有连接盒；、 ( 2 ) 电缆线路的进线端在杆塔上，出线端则引到g i s 变电站内。在杆塔端 的金属屏蔽层通过保护器接地，而在g i s 端则三相金属屏蔽层直接接地。 根据具体线路的特点，对电缆在线监测的各种方法加以对比。 对于直流叠加法，由于电网一次侧的中性点接地无法解开，而实际运行中 亦不允许改变一次侧的接线，故直流电源无法叠加。直流叠加法对1 1 0 k v 线路 不可行。 对于在线介质损耗角正切法，由于交联聚乙烯电缆绝缘的介质损耗角正切 值比较小，一般不超过o 0 5 。根据多年的经验，由于传感器的角差等因素，很 难得到所要求的精度。因此，不采用介质损耗角正切法。 此外，采用直流分量法，难以消除来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂 散电流的干扰。并且，当屏蔽层与大地之间的绝缘电阻太低时，直流分量法则 失去效用。若采用局部放电法，由于其背景干扰相当大，在线检测困难较大。 而且，基于自身的知识及所拥有的软硬件条件，无法采用此方法。 相比较而言，对于本线路，接地线电流法是一种比较合适的方法。在线检 测通过接地线的电容电流，该方法很容易实现，只要在接地线上套以电流传感 器即可实现。并且，由于1 1 0 k v 交联聚乙烯电缆线路的金属屏蔽层采用的单点 接地方式，无须改变接地线的连接。通过采集得到各相接地线电流( 电容电流) ， 对之进行数据处理和趋势分析，从接地线电流得到其包含的反映电缆绝缘的信 息，并据此做出诊断。 5 第1 章结论 采集得到接地线电流后，对采样数据作信号处理，滤除掉噪声干扰和其中 的大部分高频分量，分离出电容电流的基波分量。可做两方面的比较： 一方面对三相电容电流进行横比。根据概率统计上的常识，正常情况下， 三相电容电流应该保持在较为稳定的相对值上。若某一相的电流比另外两相偏 差较大，在排除线路干扰造成的因素后，可用来表征某相绝缘的劣化。 另一方面对各相电容进行纵比。建立适当的数学模型，用统计的观点来判 别电容电流是否有显著性的增大。总之，必需从概率统计的角度来考虑，并根 据历年来的趋势以及邻相的数据等的综合分析来判断。 具体方案如下：首先将接地线电流变换为计算机能够采集的电压信号。可 通过穿心式电流传感器( 类似罗戈夫斯基线圈) 进行转换，得到的电压信号经 过信号调理及量化处理后进入前置单片机。单片机完成数据的预处理，滤波以 及基波的分量计算，并通过通信接口，把数据传送给后台的微机作进一步的统 计信号处理与诊断。 整个监测装置的构架由如下几部分组成： ( 1 ) 信号变换单元 ( 2 ) 信号处理及a d 转换单元 ( 3 ) 检测装置保护单元 ( 4 ) 单片机数据采集处理单元 ( 5 ) 计算机数据通信单元 ( 6 ) 后台微机处理系统 1 1 0 k v 高匿母线 图1 - 1 接地电流法在线监测电路原理图 6 第1 章结论 整个监测系统的原理框图，如图1 - 1 所示。 1 4 在线绝缘监测的关键技术 1 4 1 传感器技术 传感器是整个在线监测系统的输入端，担负着原始信号采集的任务。其直 接和电缆接地线相连，处于强磁场之中，容易受到电磁干扰，同时还受到环境 条件的影响。因此，传感器不仅对测量起着重要的作用，而且工作环境十分恶 劣。传感器的性能好坏，直接关系到在线监测系统的质量和水平，是整个系统 的关键部分之一。 1 4 2 信号传输技术 如何将从传感器获取的信息，无畸变地送到数据处理单元去分析、处理和 存储，选择什么样的通信方式都很重要。因为这些工作很多都是在现场和设备 带电情况下进行，所以要设法准确地获取并传输这些信号，使之少受或不受干 扰，就必须采取一系列的干扰措施。 1 4 3 数据分析、处理和诊断技术 对电缆设备进行在线监测的目的，是为了了解和评估电缆设备在运行中的 状态，从而能及时地发现故障隐患。因此，通过对监测到的数据进行分析和处 理是十分重要的。其可帮助我们去伪存真，提取信号特征供诊断使用。 随着计算机技术的研究和应用，为诊断技术提供了非常快捷方便的手段。 因此，研究和选择合适的诊断方法，对准确判断绝缘故障起着重要的作用。 1 4 4 抗干扰技术 在高电压电气设备在线绝缘监测的各个环节中，都离不开抗干扰的问题。 其包括抗电场干扰和磁场干扰，或者说共摸和差摸干扰等。因此，抗干扰技术 的好坏，也可以说是绝缘在线监测成败的关键之一。 。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 研究目标 7 第1 章结论 寻求用接地线电流法来有效地反映x l p e 电缆的绝缘状况，进行在线的监 测及诊断： ( 2 1 研究内容 完成硬件部分的数据采集和预处理功能，并与后台微机进行有效的数据通 信：对采集得到的数据进行统计信号处理，架构一个自动检测，诊断的软件系 统； ( 3 1 拟突破的难题 硬件系统的现场抗干扰能力； 寻求有效的参数模型用于对电容电流作趋势分析及差异的判别； 如何将相间电流的横向差异，与同相电流的历史差异结合起来，对绝缘 的变化作综合的分析与判断。 ( 4 ) 创新与特色 试图从宏观的角度，将概率统计的方法应用于电缆的绝缘在线监测；对接 地线电流进行趋势分析及增量分析，横比和纵比相结合进行绝缘的诊断； ( 5 ) 实验方案 完成前置数据采集装置后，到现场数据采集得到大量的接地线电流值。认 定此时所锝到的数据，便是基于电缆绝缘特性良好的基础上的( 因为其电缆为 新架设的线路，并有经过停电检验) 。根据所得的数据建立数学模型，编制软件 诊断系统。 8 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 2 1 概述 随着电力系统的发展，以及电力用户对供电可靠性要求的不断提高，电力 系统的自动化程度也日益提高。作为输变电过程中的重要一环变电站，其 自动化程度近些年也得到了迅速的发展，特别是无人职守变电站的实现，供电 企业一方面要实现“减人增效”，另一方面，又要实现安全可靠生产，使得变电 站设备的自动化要求越来越高。目前，比较成熟的是变电站的继电保护和远动 的自动化，而电气设备的绝缘检测自动化还是一个薄弱环节。变电站电气设备 绝缘性能，是保证电器设备安全运行的重要指标。长期以来，绝缘监测主要是 进行预防性试验。在前面已经提到，这种预防性试验的弱点和弊端，越来越多 的暴露出来。监测手段落后和对电器设备运行可靠性的要求，以及电力细听的 经济运行形成了尖锐的矛盾。解决这一矛盾的唯一有效途径就是实现电器设备 绝缘检测的在线运行。始于5 0 年代的我国绝缘在线监测技术，发展至今仍然方 兴未艾，证明了它的强大生命力，代表了绝缘监测技术的发展方向，同时也为 绝缘监测自动化开辟了道路。 近年来，电气设备绝缘在线监测日益收到人们德重视。其对提高电力设备 运行的安全和可靠性、提供电力设备运行的暂态过程信息、诊断设备早期缺陷 和事故隐患、控制突发性事故、取代年度预防性试验为主的传统地位、实现电 气设备的计划检修向状态检修过渡、促进电力设备检测技术的科技进步、提高 设备的运行管理水平( 包括完善无人职守变电站设备监测的技术措施) 等都起 到了积极的作用。因此，发展高压电气设备的绝缘在线监测，已经成为必然的 趋势。 2 2 微机绝缘在线监测的总体框架 电缆的微机绝缘在线监测，是指运用传感器、电流采集单元和计算机系统 等，在设备运行的状况下，对其绝缘参数进行监测，从而判断设备的绝缘状态。 系统的原理图如图2 1 所示。 9 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 图2 - 1 微机绝缘在线监测原理图 图中的每个电流采集单元，仅负责一条电缆的电流采集。也就是说，每条 电缆都有其相应的电流采集单元。该采集单元可以就地安装，这种结构有助于 避免因为一个采集单元故障，而引起很多电缆都不能监测的问题，弱化了风险。 各个采集单元与上位主机，通过串行通信实现相互联系。 在上位机中，可实现绝缘监测的所有人机交互。如果变电站与调度中心还 有互联网联系的话。还可通过升级，将绝缘检测的信息通过互联网发送。在本 系统中，暂时没有实现这一功能。但是，由于所有的信息都是通过数据库连接 的，这就为实现信息的以太网发布预留了接口。 2 3 微机在线监测的硬件构成 从微机在线监测的原理图可以看出，微机在线监测的重要硬件有数据采集 子系统、数据传输单元、中央处理设备，及其一些辅助设备等等。 2 3 1 数据采集子系统 数据采集子系统的结构图，如图2 2 所示。 1 0 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 由图2 可见，数据采集子系统由传感器、控制放大单元、滤波单元、a d 采 样、存储器和单片机控制器构成， 众所周知，由c t 过来的信号，电流输入范围为o 5 a ，而进入数据采集电 路的信号应该是o 5 v 的电压信号。因此，必须设置一个电流电压转换器。该 转换器的输入阻抗应该为1 欧姆，而其输出阻抗为0 ，这点可以通过个运算放 大器实现。 控制放大单元实际上是一个限幅功能，其将输入信号限制在一个规定的范 围内，避免损害数据采集电路，避免数据采集产生错误。 a d 转换单元，包括采样，保持功能和模数转换的功能，其将电流量转换成 数字量的关键。在本系统中，考虑到数据处理的精度和系统工作的性质，选取 1 2 位的a d 转换器件。 单片机是整个数据采集单元的核心所在。所有的数据采集都要依靠它来协 调。转换后的数据存储在存储器中。 2 3 2 数据传输单元 数据传输单元将存储在数据存贮器中的数据，传送到上位计算机中进行处 理。首先，数据传输控制器接受到上位机的指令，根据指令需求将存储在数据 存储器中的采集数据读出，然后串行通信发送到上位机。 有两种模式可供选择：一种是通信和数据采集分开，没有时间上的先后。 也就是说，系统进行数据采集的同时，接受通信中断程序，然后相应中断，传 输数据。 另一种是通信和数据采集是一个整体程序，在接受上位机的数据传输指令 后，进行数据采集，在把采集到的内容传输到上位机。在没有接受到数据传输 指令的时候，数据采集系统不进行数据采集。 从通信的相应速度上来看，前一种模式比较块，因为它的数据采集是在数 据传输指令到达的时候就已经准备好了，而后一种还要经历一个采集的过程。 但是后一种采集模式比较简单，而且采集的数据实时性要强些。 考虑到采集系统应用的场合，在本系统设计中，采用的是前一种模式，即 数据采集和通信程序分开。 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 2 3 3 中央处理设备与人机接口 在本系统中，数据采集子系统基本上不进行数据处理，所有的数据处理都 是由上位计算机进行的，这种方式能够充分发挥计算机的计算和数据处理能力。 本系统是运用在变电站的设备。众所周知，变电站的环境比较恶劣，尤其 是电磁环境，工作在这种场合下的设备，自然需要考虑其可靠性，普通的家用 计算机肯定不能满足其要求。 2 3 4 其它 ， 采用以太网，将局域网的其他计算机连接起来。 2 4 微机在线监测的软件构成 微机在线监测软件主要包括以下几个部分： ( 1 ) 数据通信程序； ( 2 ) 数据处理程序； ( 3 ) 绝缘判断程序； ( 4 ) 监测电缆设定程序； ( 5 ) 人机接口程序。 2 4 1 数据通信程序 数据通信程序，主要完成上位计算机与数据采集子系统的数据传输功能。 在该项功能中，上位机需要发出如下两个种指令：一是发出检测采集子系统通 信功能是否正常指令，接受采集子系统的通信正常消息；二是发出数据传输指 令，接受采集子系统的传输数据。 其中需要定义数据传输的协议，详细见第4 章的软件设计部分。 2 4 2 数据处理程序 上位计算机在从数据采集子系统接受到电流数据后，需要对这些数据进行 处理后得到电缆绝缘参数。主要有：剔除奇异点、数据平滑和傅立叶变换。 2 4 3 绝缘判断程序 根据采集到的电缆绝缘参数和电缆绝缘性能的设定值，进行比较得出电缆 1 2 第2 章绝缘在线监测系统的总体设计 的绝缘判断结果。 绝缘判断的原理，主要是根据电缆接地线电流及其变化，来判断电缆的绝 缘性能变化趋势及其绝缘指标。 2 4 4 监测电缆设置程序 在现场实际运行中，需要监测的电缆数量和电缆的性能指标会有些变化， 为了保证本系统对电缆监测的实用性和适应性，在上位机软件中把监测电缆及 其参数都存储在数据库中。这样，一方面在应用中可在线增减电缆，另一发面 可在线修改电缆的设定参数。 2 4 5 人机接口程序 为了保证上面各个程序的正常执行，在其运行过程中，监测人员应能观察 到程序的正常执行、看到监测电缆的绝缘性能判断结果，以及与程序迸行交互， 因此需要设计人机接口程序。考虑到目前计算机技术的发展，这种人机接口界 面要求界面友好，且便于操作。 1 3 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 一个具体信号要完整的反映其信息，在进行采集和处理的过程中必须加以 处理，才能实现这个目标。如果信号的采集和处理的过程不当，那么就会丢失 甚至错误的反映信号。具体来说，在模拟电路中，要能够是信号的信息不产生 畸变；在数据处理的过程中，能够将信号的信息完整的提取出来。这两个条件 必须完全满足，才能实现信号的“无损”反映。 3 1 模拟信号采集中的信号预处理 从电流传感器过来的模拟信号在进行a d 转换前，考虑到c t 的特点，传 输过来的电流信号包括高频分量，该分量是进行绝缘判断所不需要的，而在进 行数据采集的过程中，如果不对这些高频分量进行处理，将会对采集的结果产 生影响。因此，必须在硬件电路中，对这个电流信号进行预处理滤波处理。 3 1 1 低通滤波器l p f 的设置 在系统中采用一个周期内进行1 2 点采样，则采样周期为：t s - 2 0 ，1 2 = 1 6 7 m s ， 采样频率为：f s = l t s = 6 0 0 h z 。为满足n a q u i s t 定理，即：f s 2 f ( f 为被测连续信 号频率) 。故所设计的模拟低通滤波器，必须滤去采样信号中高于采样频率一半 ( 3 0 0 h z ) 的谐波信号，以保证输入信号的有效成份。故所设计的模拟低通滤波 器的截止频率为3 0 0 h z 。考虑到系统中采用的a d 转换器的最大输入范围是 1 0 v ，因此为了保证正常情况下，输入电压有一定的精度，并防止在故障时，输 入电压过大造成a d 损坏，在模拟低通滤波器后加入限幅电路，其电路如图3 1 所示。 图3 - 1 二阶r c 滤波加限幅电路 1 4 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 卜巧万u g 两2 一l ， 上 u 。上 l ：j 牟，= t 丝 。( 3 - 2 ) n 嘉怛+ 壶去枷僻+ 高) 虬2 l 面12 面再丽u i 再丽 ( 3 3 ) ：! 互一 刚班可u o2 孓而1 。) 【1 - ( 础c ) 2 】2 + 9 ( 排c ) 2 。【1 一( 枷c ) 2 】2 + 9 ( c o r c ) 2 1 5 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 r h 0 ( 5 0 ) h 0 ( 1 0 0 ) h 0 ( 1 5 0 ) h 0 ( 2 0 0 ) h 0 ( 2 5 0 ) h 0 ( 3 0 0 ) h 0 ( 3 5 0 ) 从表1 中可看出，r = 1 5 0 0 0 时的这一组数据较为理想。因此，系统中的前 置低通滤波器电路采用r = 1 5 0 0q ，c = 0 3 3 u f 。在对装置进行试验时，对设计的 r c 滤波器进行了实测，输入电压波形的幅值为1 ，数据如表2 所示。从表中可 看出，计算值与实测值非常接近。所设计的低通模拟滤波器的幅频特性，如图2 所示。 表21 1 - - 1 5 0 0 0 ，c = 0 3 3 u f 由实测的结果可看出，六次及以上的谐波信号，经滤波器后的幅值仅剩原 来的3 0 以下，而基波值仍有原来的9 0 以上。这样的结果完全满足系统保护 输入量的检测和判断，但对监测的输入量的精度有一定影响。这时监测输入量， 可考虑不经前置低通滤波器( 因监测数据一般工作在系统正常情况下，输入量 基本为正弦波) 。因此，可认为所设计的滤波器基本上滤去了六次及以上谐波， 满足了n a q u i s t 定理。 1 6 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 3 o51 0 1 5 2 0 2 53 03 5 4 04 5f 图3 2 滤波器的幅频特性 3 2 数字信号分析中的信号预处理 由数据采集可知，a 巾转换芯片对模拟信号的采样转换，只能是有限的精度， 存在着一定的量化误差。此外，采集所获得的数据是一个整数系列，同时由于 采集是各种高频干扰的存在，所以被采集的模拟波形在准确的过零处所采集到 的数字序列，存在一定的摇摆或者存在许多的零值。因此，过零点很难确定。 所以，也就无法较准确的确定一个周期内的采样点数。那么，后续的数据分析 也就无法进行，或者说后续的分析都不准确。正因为如此，求出准确的过零点， 从而获得模拟信号波形一个周期内准确的采样点数是非常重要的，也是数据分 析的预处理过程。 因此，数据的预处理的目的，就是要对采样后获得的数字波形序列剔除奇 异点，以及进行数据的平滑和浮点化。 因为在线监测的数据是一个数字序列，并且在后续处理中要求其具有严格 的线性相位，所以采用的数据预处理的方法，必须具有严格的线性相位。因此， 本文采用滑动线性函数法剔除奇异点，用滑动平均值法对数字序列进行平滑和 浮点化。 3 2 1 剔除奇异点 采样数据中的奇异项，是指采样数据中有明显错误( 丢失或粗大) 的个别 1 7 阳m 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 数据。这些奇异项的存在，会使数据处理后 的误差大大增加。因此，为了减少数据处理 后的误差，必须剔除采样数据中的奇异项 在采样数据序列中确定奇异项，要根据 具体的被测物理过程和数据采集系统的精 度而定。如图3 3 所示，假设一个物理量的 变化趋势为上图的曲线，一个物理量的变 化，总是从小到大或从大n 4 , 的平滑的变 化。因此，采集的数据应落在这条曲线的两 侧附近，相邻两数据的差应少于某一给定的误差w ，如上图所示的黑点。但个 别数据受到偶然的强干扰的影响，会大大偏离正常值，如图中的l 、2 点。即其 与相邻点的误差远远大于误差限w ，这些数据就属于奇异项，应予以剔除。然 后根据一定的值差原理，人为的补上一些数据，如图所示的空心圆圈。剔除采 样数据中的奇异项的方法，一般可选用一阶差分法、多项式逼近法和最小二乘 法。本系统采用一阶差分法检测奇异项。该方法在采样频率大于物理变化量的 最高频率时，有足够的精度。 3 2 2 判断奇异项取代值的选择 一阶差分法检测奇异项的判断依据准则是：给定一个误差限w ，若，时刻的， 采样值为，预测值为x ：，当it i w 时，则认为采样值是t 奇异项， 应予以剔除，而用预测值x ：取代采样值x t 。 预测值x ：可采用以下差分方程推算： = x t l + 1 一t 一2 ) ( 3 - 5 ) 式中：为t 时刻t 的预测值； x ，。为t 时刻前一个采样值； t 一，为 时刻前二个采样值 形为误差限。其大小要根据数据采集系统的采样速率，以及被测物理量的 变化特征来决定。 3 2 3 确定连续替代的方法 在连续检测出若干个奇异项，并用预测值代替后，必须重新选择x 。和一一：的 1 8 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 值。不然的话，会造成数据偏离正常值的趋势。经验证明，对一阶差分法而言， 在连续剔除并替代两个奇异项之后，应重新选择新的起始点作为_ 一，和一：。但 是，在实际测量中，常会发生连续两个以上的点都是干扰点的现象。这样，就 会造成所选的初始值薯。和薯一：本身就不是正常值，从而产生错误的预测值。 为此，在连续替代两个奇异相之后，对以后的点，均要再加以判断，看是否满 足下式： j 卜l 矿( 3 - 6 ) 【= k w 式中的k 之值，视具体情况而定。一般取k = 5 。如果满足上式关系，则不剔除 该点儿沿用原来的数据。如果该点满足下式： l x t 一l ( 3 7 ) 则认为该点必然是干扰点，继续用取代一。一旦找到k 一f 形的点， 就应该自动选择新的起点，再次重复上述过程。如果找不到该点，只要连续处 理的点数已达到6 个，也可自动选择新的起点，又再次重复上述过程。 3 2 4 起始点的寻找 在应用中存在一种可能，即起始点正好是被干扰产生的奇异点。因此，一 开始就应先去寻找满足一阶差分预测关系的三个连续点，既满足下式： k 一一一t 一一1 + t 一2 i w ( 3 8 ) 此时所找到的三个点葺+ 一：和薯，可作为正确的起始点。以薯+ 和一：为起始点， 往x 。方向( 即按x ，- 3 ，x t - 4 ，一的次序) 预测五3 ，即 q = t - 2 十x t - 2 一t 一1 ( 3 - 9 ) 然后，依据准则判断采样值i t 一，是否为奇异项。若是奇异项，且非连续替代两次 以上，则用预测值。替代t 一，；若是奇异项，且连续替代两次以上，则按式( 3 6 ) 、 式( 3 9 ) 决定是否替代。若不是奇异项，则不用替代。 剔除错点方向判别流程图，如图3 4 所示。 1 9 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 图3 - 4 剔除点方向判别图 如此继续，直至判断完x i ，在返回到x ，。和x t 处，以该两点为起始点。x n 方向( 即按x t + l ，x 。，x 。的次序) 预测t ，即 l = x t + x t t - 1 ( 3 1 0 ) 再依据准则，判断采样值x t + 。是否为奇异项。若是奇异项，且非连续替代两 次以上，则用预测值t 替代x 。；若是奇异项，且连续替代两次以上，则按式( 3 6 ) 和式( 3 7 ) 决定是否替代。若不是奇异项，则不用替代。 如果而，x 2 ，x 3 就是满足关系的连续三个点，则直接选岛和x ，为起点，往x 。方 向判别。图3 - 4 便是以x ，和毛为起点，往x 。方向判别的流程图( 往x 方向判别 与此相同) 。图中，假定数据为个，且放在数列x ( ) 中。整形变量t 为找寻 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 起始值的计数单元，整形变量为连续处理点的计数单元。只要选取合适的， 便可保持曲线原来的特性。 奇异项剔除前后的比较情况，如图3 5 所示。 图3 - 5 剔除错点前后的波形图比较 3 2 5 用滑动平均法进行数据平滑 滑动平均法具有两种类型的平滑方式： ( 1 ) 线性函数滑动平均法； ( 2 ) 非线性滑动平均法。 由于在线监测的数据采集一般采样频率都比较高，并且被采样的波形一般 都是正弦波形或是较简单的周期波形，因此在较短的一个数字序列内，其基本 上是线性的。故本文将其看作线性，因此选用线性函数进行数据滑动平滑。 如果对于自变量? 进行等间距的采样( 如时间间隔出) ，得到、艺z l 和对应的瓦、疋正瓦两列数据。如果从i 。到i + 。之间的真实数值是线性变化 的，即： y = g o - i - “t ( 3 - 1 1 ) 如果取五= 0 ，贝i j 霉就是假定采样值为线住变化时r 所对应的理论值，也就 是所求的滑动值。由于自变1 7 , 是等间距采样，所以可令r = 1 。则正。和五+ 。分 别为1 和+ i 。于是，上式中的可根据最小二乘法来确定。印应使残差平方和 为最小。即 + 1 ( 一口0 一口。七) 2 = 最小 ( 3 一1 2 ) 对口o ，口l 求偏微分，可得： + l 2 ( r + i 一口。一口1 七) = 0 ( 3 1 3 ) k = 一l 2 1 一，_ 礤：y；一一。k上餮l - = 藕一 -_-_-吖。_-|- 第3 章数据采集和处理中的信号预处理 2 k ( r , “一嘞一口。七) = o 将上式展开，可得： i l + z + j ：“一3 a o = 0 一t i + j _ = 一2 a o = 0 由此可得： 霉= d 。= ；( e 一。+ z + i + 。) q = ( 珞l 一匕1 ) 2 即由最小二乘法求得的线性函数为： z 矿” 七= ；( + l + ) + 三( 一) j j 这便是由三点拟合得到的线性函数。如果考虑五点进行拟合 性函数为： 露。= 口。+ 口。七= ；( r 一：+ e 一。+ i _ ：+ f + 。+