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大连理工大学博士学位论文 摘要 随着电力系统的发展，对s f 6 气体绝缘全封闭组合电器( g a si n s u l t e ds w i t c h g e a r , g i s ) 可靠性和自动化的要求日益提高，尤其是变电站自动化系统无人值守运行模式的 实施，在很大程度上要求g i s 在监测、控制和保护等方面完全自动化和智能化。同时随 着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术及网络通讯技术的发展，一种以数字处 理技术为核心的智能g i s ( s m a r t g i s ) 应运面生。论文在系统分析国外各种g i s 智能 化方案的基础上，架构了全新的s m a r t g i s 智能检测系统，以电流、电压测量为重点， 从传感器设计、电路方案选择、模型参数分析、误差校正方法等方面展开了理论与实践 研究。 解决了系统的整体设计和外围问题。首先在确定设计任务的基础上，从检测项目选 择、检测手段、指标体系到工作环境，设计s m a r tg i s 检测系统的总体框架。g i s 智 能检测系统采用模块化结构设计，建立气密度温度检测、开关机械特性检测模块框图， 针对倍频、辨向等问题提出解决策略，并且选择各传感器类型。其次针对系统与二次设 备数字接口、系统电磁兼容等问题，解决外围问题整体结构设计。通过对i e c 6 1 8 5 0 的 分析，讨论标准化接口的结构和模型，归纳标准化接口的设计方法。在电磁兼容方面， 对g i s 工作环境下的电磁干扰特点和传播途径进行分析，在硬件和软件方面采取抑制电 磁干扰的措施。 采用罗氏线圈作为电流传感元件。论文重点分析g i s 相邻母线的电磁干扰现象，提 出罗氏线圈设计的注意事项，并且利用a n s y s 有限元的分析方法对其内电场进行仿真 研究，结果验证传感器绝缘结构设计尺寸以及安装位置的合理性，符合工程要求。 研究并设计出一种具有结构新颖简单、适合g i s 结构特点的同轴电容作为电压传感 器。论文分析了同轴电容电压传感器的基本原理，其中包括等效电路和相量图，以及稳 态特性和暂态特性，重点研究一次短路和俘获电荷现象等暂态问题。在理论分析的基础 上，讨论影响同轴电容电压传感嚣测量误差的各种因素，提出了补偿算法和设计原则。 研制出样机，并对样机进行试验，结果说明以同轴电容为传感器的电压互感器与传统电 压互感器相比，线性度高，测量范围广，经过努力精度可以达到0 2 级。 以设计g i s 智能检测系统中的信号测量传输系统为目标，完成系统总体硬件电路设 计以及相应的软件编程，调试和试验，提出并实现了合并单元与电子式互感器接口的多 路信号同步采样分时传输方法。利用d s p 高速数据处理与f p g a 高速、灵活的逻辑控 制能力，解决d s p 对数字输出不能同步接收的问题，实现信号的同步采样，且成本降 低，结构更加简单。 g i s 智能检测系统理论与实践研究 g i s 智能检测系统属于多传感器系统，各传感器输出之间存在交叉干扰。为了进一 步提高系统的测量精度，论文还研究了采用信号处理中数据融合技术为工具的软件校正 误差方法，在二维回归的基础上，建立基于多维回归的数据融合算法，经过试验仿真， 结果证明，此方法可以减小相对误差，提高系统整体精度。 关键词：s m a r tg i s ；智能检测：罗氏线圈；同轴电容；数据融合 大连理工大学博士学位论文 t h et h e o r ya n dp r a c t i c er e s e a r c ho fg i s i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m , t h ed e m a n do nt h e r e l i a b i l i t ya n dt h e a u t o m a t i s mo fg a si n s u l t e ds w i t c h g c a r ( o l s ) i si n c r e a s i n g e s p e c i a l l y ，i ti sd e m a n d e dt h a t a ss h o u l db ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n te n t i r e l yi nm e a s u r e m e n t , c o n t r o la n d p r o t e c t i o nt ot h e g r e a t e s te x t e n tb e c a u s eo f 也ei m p l e m e n to fu n a t t e n d e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a tt h e s a m et i m e ，a st h e d e v e l o p m e n to ft h e m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p o w e re l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，s m j 虹h g i sw h i c ht a k e st h ed i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ea st h ec o r ea p p e a r s n ep a p e re s t a b l i s h e ss m a r t - g i si n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mi nt h e o r ya n dp r a c t i c e r e s e a r c ha s p e c ts y s t e m i c a l l y ，w h i c hf o c u s e so nt h ec u r r e n ta n dv o l t a g em e a s u r e m e n t ， i n c l u d i n gs e n s o rd e s i g n ，c i r c u i tp r o j e c tc h o i c e ，m o d e lp a r a m e t e ra n a l y s i s ，e r r o rc o m p e n s a t e s m e t h o d , e t c ，b a s e do nt h ea n a l y s e so f s m a r tg i s sp r o j e c to ra b r o a d 1 1 嵋i n t e g r a la n dt h ep e r i p h e r yd e s i g no ft h es y s t e ma r es o l v e d f i r s t l y , t h ep a p e r e s t a b l i s h e st h ef r a m e w o r ko f g i si n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mc o n s i s t i n go f m e a s u r e m e n t i t e mc h o i c e ，m e a s u r e n l e n tm e a n s ，t a r g e ts y s t e ma n dc i r c u m s t a n c eb yh a v i n gr e s e a r c h e dt h e d e s i g nt a s k 皿es y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nw h i c hc o m p l - l s e $ d e n s t ) , m o n i t o r i n g a n ds w i t c ha p p l i a n c em o n i t o r i n g f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e ss t r u c t u r ea n dm o d e l b e t w ne l e c t r o n i ct r a n s d u c e ra n di t ss t a n d a r di n t e r f a c e ，s u m m a r i z e st h ed e s i g nm e t h o do f s t a n d a r di n t e r f a c eb ya n a l y 血gi e c 6 18 5 0 t h e ni nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l ea s p e c t , i t a l s oa n a l y s e st h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s m i tr o u t ei ng i sa n dp u t sf o r w a r d t h er e k o - a i nm e t h o di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r o g o w s k i c o i li st h ec u r r e n ts e n s o r o nt h e b a s i so ft h e o r y , i t a n a l y s e s t h e e l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r bo fc o n t i g u o u sg i sb u s e sa n db 血g sf o r w a r dt h en o t i c ei t e m so f r o g o w s k ic o i ld e s i g n b yu s i n ga n s y s ，i th a sd o n et h es i m u l a t er e s e a r c ho f i t se l e c t r i cf i e l d c o a x i a lc a p a c i t a n c ei st h ev o l t a g es e n s o rw h i c hm a k e sf u uu s eo ft h ea x i s y m m e t r i c f e a t u r eo fg i s ss t r u c t u r e t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o a x i a lc a p a c i t a n c ea r cs u m m a r i z e dw h i c h i n c l u d e st h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ep h a s o rd i a g r a mo fc o a x i a lc a p a c i t a n c e ，t h ea n a l y s i st o s t a t i cc h a r a c t e f i s t i ca n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c ，p a r t i c u l a r l ys h o r tc i r c u i to nt h ep r i m a r ya n d r e c l o s i n go nal i n ew i t h 的p p e dc h a r g e s o nt h eb a s i so ft h e o r y ，ap r o t o t y p eo fc o a x i a l c a p a c i t i v ev o l t a g es e n s o rf o r2 2 0 k vg i si sc o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h ev o l t a g es e n s o r s u c ha st h ed i a m e t e r ；l e n g t ha n dc d 萨e f f e c tw h i c ha r ed e s c r i b e di nd e t a i l s i ti sa n a l y z e dt h a t t h ei m p a c t so f e r r o rf a c t o r sa n dt h ec o m p e n s a t i n gm e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h e i i i - g i s 智能检测系统理论与实践研究 v o l t a g es e n s o r w i mc a r e f u ld e s i g na n dt h eu s eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h e w h o l es y s t e mc a nm e e to 2 a c c u r a c yf o rm e t e r i n ga n dp r o v i d e sl a r g ed y n a m i cr a n g e c o u p l e dw i t hg o o da c c u r a c yf o rr e l a y i n gu t e s t i n gr e s u l t so ft h ep r o t o t y p es h o wt h a t 订a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cp o t e n t i a lt r a n s f o r m e rc a l lb es u b s t i t u t e db yc o a x i a lc a p a c i t i v e v o l t a g es e n s o r i no r d e rt od e s i g ns i g n a lt r a n s m i s s i o ni ng i si n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m i th a s f i n i s h e dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m e d ，d e b u g g i n ga n dt e s t i tp r o p o s e s a n dr e a l i z e ss a m p l i n g s y n c k o n i z a t i o na n dt i m e - s h a r i n g - t r a n s m i s s i o ni nt h ei n t e r f a c eb e 】慨髓 t h ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e ra n dm e r g i n gu n i t u s i n gd s p sh i 曲- s p e e dd a t ap r o c e s s i n ga n dt h e a b i l i t yo ff p g a sh i 曲- s p c e da n df l e x i b l el o g i cc o n t r o l ，t h ep r o b l e mt h a td s p c a l l tr e c e i v e s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a li sr e s o l v e d a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mh a s as i m p l ea n df l e x i b l e s t r u c t u r et h a tc a l lr e d u c ec o s t b e c a u s eg i si n t e l l i g e mm e a s u r e m e n ts y s t e mb e l o n g st om u l t i s e n s o rs y s t e m ，t h eo u t p u t s o f s e n s o r se x i s tm u t u a ld i s t u r b i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n , t h ep a p e ra l s o s t u d i e ss o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t o r ym e t h o db a s e do nd a t af u s i o nt e c h n i q u e ，a n db u i l d sd a t a f u s i o na r i t h m e t i cb a s e du p o nm u l t i d i m e n s i o nr e g r e s s i o n 。b ys i m u l a t i o n , i tp r o v e st h a tt h e m e a n sc o u l dr e d u c er e l a t i v ee r r o ra n di m p r o v ep r e c i s i o n k e yw o r d s ：s m a r tg i s ；i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t ；r o g o w s k ic o i l ；c o a x i a l c a p a c i t a n c e ；d a t af u s i o n i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 圭j 日期： d 一 历6 j1 2 。弓6 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 至蚤 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 s f 6 气体绝缘全封闭组合电器( g a s i n s u l t e ds w i t c h g e a r , 简称g i s ) 是2 0 世纪6 0 年 代出现的新一代高压电器装置，是将断路器、隔离开关、快速接地开关、电流电压互感 器、避雷器、母线、套管和或电缆终端等电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，以 s f 6 气体作为绝缘介质的成套系统。g i s 的断路器由液压气动、弹簧机构操动，隔离开 关和接地开关用气动、手动或电动机构操动【1 】。 由于g i s 具有体积小、占地面积少、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活 和维护简单、检修周期长等优点。加之在技术上的先进性和经济上的优越性，已得到广 泛应用。目前g i s 最高工作电压已达特高压范围，俄罗斯的1 1 5 0 k vg i s 已运行多年， 东芝公司的g i s 额定电流已达到1 2 k a 2 1 。在我国6 3 5 0 0 k v 电力系统中，g i s 的应用 已有一定的保有量，特别是在国内近年城网改造中，g i s 己成为主导开关设备。图1 1 为我国自行生产的z f 6 2 5 2 型g i s 剖面图口j 。 1 ) 就地柜；2 ) 断路器；3 ) 操动机构；4 ) 电流互感器；5 ) 接地开关 6 ) 出线隔离开关；7 ) 电压互感器：8 ) 电缆终端；9 ) 母线隔离开关；1 0 ) 母线 图l1z f 6 - 2 5 2 型s f 6 气体绝缘全封闭组合电器 f i g 1 1z f 6 - 2 5 2g a si n s u l t e ds w i t c h g e a r g i s 虽然具有很多优点，但是也存在以下问题： g i s 智能检测系统理论与实践研究 g i s 的全部元件封闭在金属箱内，一旦箱内出现故障，如局部放电、微粒在电场 中运动、导体联结处异常温升等，在箱外难以及时发现，故障发现和定位都非常困难； 结构紧凑，内部电器元件多，易使故障扩大，形成击穿而波及相邻电器元件； 结构复杂，不易拆卸，并且对检修现场的要求非常高，出现故障后，现场维修 相当困难。如果发生故障，g i s 平均停电时间为2 周【4 】，然而实际上在很多情况下需要 两周以上的时间进行检查，北美的设备需要更长的检修时间f 卯。虽然据资料表明通过观 察窗内的白色粉尘和气体气味来定位故障部位比较容易，但没有一种方法科学有效地发 现运行和试验中的故障。 随着电力系统的发展，对高压开关，包括g i s 可靠性和自动化的要求也日益提高， 尤其是变电站自动化系统无人值守运行模式的实施，在很大程度上要求g i s 在监测、控 制和保护等方面完全自动化和智能化。 针对上述问题，除了迸一步提高g i s 本体的设计和制造水平，完善g i s 制造中的质 量管理外，智能化是目前g i s 最重要的发展方向，也是研究的热门课题之一。与此同时， 随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术及网络通讯技术的发展，一种以数字 处理技术为核心的智能g i s ( s m a r tg i s ) 应运而生。它不仅将上述技术应用在二次方 面，可对g i s 的各项指标进行检测、分析、判断、控制、保护和测量，及时发现异常， 进行状态预测，以便提前采取措旌，将定期维修( t b m ) 变为状态检修( c b m ) ；而 且对信息进行数字传输( 光纤传导) 和智能判定，其结果不仅能够满足电力系统发展的 需要，而且能够满足电力用户对高质量、可靠供电的需要。因此，g i s 的智能化是当前 和今后g i s 发展的最重要的方向之一，也是摆在高压电器制造行业面前迫切需要实现的 课题旧。 1 2g l s 智能检测 智能g i s 的核心是其智能检测系统。它是将微电子技术、计算机技术，传感技术以 及数字处理技术结合在一起应用在g i s 的一次部分和二次部分，将传统的机电系统发展 成以计算机为中心的现代智能化系统。具体来说，它是采用数字信号处理，用新型传感 器替代传统的电磁式互感器，利用免损传感器采集g i s 的状态数据；这些数据通过光纤 数据总线送到其他具有控制、保护、计量功能的计算机中。 按以上定义的g i s 智能检测系统应包括：以现代传感器为主的信息采集检测系统和 以计算机为主的数据处理和通信系统。 1 2 1g l s 信息采集检测系统 ( 1 ) 新型电流和电压传感器 大连理工大学博士学位论文 对于开关装置的保护、控制和计量单元来讲，电流电压传感器是提供电流与电压信 息的信号源。传统的电磁式电流，电压互感器由于体积大、铁芯的磁饱和特性等已经不能 满足智能化高压电器的要求。用新型电流电压传感器替代互感器是高压电器发展的趋 势，也是g i s 智能检测系统最明显的优势，许多在传统测量系统中遇到的难题可以不必 考虑。并且，智能检测系统直接采用数字接口。当现代电力系统采用了微机综合继电保 护装置后，其信号传递己全部为数字信号，如果采用智能检测系统，信号处理更方便。 通过这样的组合，可形成新一代的智能化成套装置了。前人关于电流电压传感器的研究 比较多 7 - 1 6 ，按原理归纳分类如表1 1 所示。 表1 1 新型电流和电压传感器按原理分类 t a b i 1t h es o r t o f n e w - s t y l e c t a n d p t a c c o r d i n g t o t h e o r i e s ( 2 ) g i s 运行状态监测 对g i s 运行状态进行监测的主要内容有以下几个方面： s f 6 气体监测i ”j 监测s f 6 气体是o i s 重要的检测项目之一。g i s 设备中s f 6 气室内气体密度值的大 小与绝缘强度密切相关，而气体的密度值又与其温度、压力有关。为了保证s f 6 气体绝 缘设备安全可靠运行，必须对s f 6 气体进行监测，即检测温度、压力和气密度等，通过 对这些项目的检测，以提供绝缘趋势分析和维护预测，预防内部故障。 绝缘状态监测 g i s 在长期运行中，在一定环境状态下，潮气侵入，同时在设计制造过程中的绝缘 缺陷、罐体内表面的附着物等很容易引起局部放电，最后导致绝缘整体性劣化，电晕起 始电压和击穿电压大大降低i is 】，所以须对g i s 的绝缘状态进行监测。g i s 的绝缘状态监 测主要包括局放、介损、漏电流和电晕等在线监测项目，且较难实施。其中有关g i s 局 放的研究比较多。目前英国、德国等许多欧洲国家均己采用超高频( u h f ) 方法【1 9 】测量 g i s 局放产生的u h f 信号以确定设备的绝缘状态。2 0 0 0 年新修订的i e c 6 0 2 7 0 及 g i s 智能检测系统理论与实践研究 i e c 6 0 5 1 7 标准中，均已将这种方法作为g i s 局放检测的主要方法之一1 2 0 】。国内目前有 研究是用内部传感器接收哪电磁波，克服外部天线存在干扰和灵敏度问题。以进行 g i s 局放检测。除此以外，仍有研究围绕着传统电检测法，包括外电极法、内电极法、 电容耦合法和电磁耦合法及磁探针法等【2 l 】。 开关电弧状态监测 在电气方面开关电弧的状态最难监测瞄】。开关电弧状态监测和局放监测可以对g i s 进行早期失效诊断，提高g i s 的可靠性，但是它们属于较复杂的监测内容；代价较高， 所以研究主要面向超高压g i s 的开关电弧状态监测【矧。 断路器机械、电气性能监测 近年来，国外制造商纷纷在产品上使用新的检测技术，以便较早发现断路器的机械 和电气故障，国际大电网会议第1 4 0 6 工作组就曾对断路器的诊断技术做过调查。当前 对断路器的在线诊断内容主要有：合、分闸线圈电流，操动机构特性、触头行程和速度、 振动信号监测等 2 4 1 。其中a e g 公司在其产品中使用光电运动传感器检测开关的运动特 性、弹簧储能和释放能量情况，利用法拉第效应的电流传感器检测电流，对开关的机械、 电气性能进行监测1 2 5 】。 1 2 2g i s 信息处理和通信系统 采用新型传感器采集g i s 中的各种信息，可以将低功率、小信号转换为数字信号， 直接送入以计算机为核心的g i s 信息处理和通信系统中，完成特征提取、状态判别与分 类、趋势预测等几项基本内容。在g i s 的监测过程中，状态判别主要关心的是系统的整 体状况，而在故障诊断中，状态分类则是在发现设备异常后，对故障进行深入地分析， 以确定发生的部位，为诊断决策提供依据。g i s 信息处理和通信系统目前正向以下几个 方面发展 2 6 - 2 7 1 ： 集成化传统g i s 中的一次和二次部分是独立的，其中一次部分包括各种高压 元件，用它来完成变电站的一次功能，如分、合操作、短路开断、测量、绝缘隔离等。 而二次部分包括控制、保护和计量的各个元件。g i s 智能检测系统将测量、保护、控制、 通讯、录波诸功能集成一体，具有比以往传统的机电式和模拟集成电路式二次部分所具 备的功能更全面。 智能化在检测过程中收集大量数据，可以根据电网和g i s 的运行状态进行迅 速分析，立即做出智能判断，真正做到设各自诊断，运行状态可控、能及时发现故障的 前兆。 大连理工大学博士学位论文 网络化一次部分与二次部分之间，各个间隔之间和间隔与变电站计算机之间 均经过总线实现通信，按照通信协议进行联络，可以大大减少它们之间连接线的数量， 同时还可采用光纤技术来解决电磁干扰的问题。 1 3 国内外智能g i s 的发展历史和研究现状 当前，世界上的大型高压开关制造公司竞相改革g i s 技术，尤其欧洲几大制造公司 表现得更为突出。 西门子公司于1 9 9 7 年开始对g i s 和高压断路器进行智能化改造 2 3 捌。改造中将所 有断路器控制和监测系统以及操动机构都安装在操作箱内，由数字式智能模块( d i g i t a l b r e a k e rc o n t r o l ，简称d b c ) 实现控制和监测功能；随之为户外开关设备变电站( a i s ) 和g i s 交电站研发出s i g a mh v 保护和控制装置。此装置分过程层面、间隔层面和变 电站层面等三层，层次清晰。过程层面包括数字式断路器智能控制模块( d b c ) 、数字 式隔离和接地开关控制和监测模块( s c m ) 以及数字式电流和电压互感器测量模块：间 隔层面包括保护、控制和计量等功能模块；变电站层面包括通讯、控制、中央保护、运 行控制和监测等功能模块。其最新型8 d n 92 4 5 k v g i s 产品采用了在线检测系统，用罗 柯夫斯基线圈电流传感器和r c 电压传感器取代传统电流电压互感器，利用计算机辅助 的电子控制和监视单元对开关系统进行连续控制和监测，利用数字间隔集成控制监测系 统监测和记录所有基本运行参数，进行系统发展趋势分析，实现状态检修。 ( a ) 数字式断路器控制( b ) 低功率电力传感器 图1 2 西门子公司智能化g i s f i g 1 2t h es m a r tg i si ns i e m e n s a l s t o m 公司用特殊电子式互感器代替普通互感器，其互感器带有通用模拟接1 3 或者满足i e c 6 0 0 4 4 - - 8 标准的数字接口，以适应数字控制和保护的要求：用密度计对 g i s 的s f 6z 气体密度进行周期性或永久性状态监测；用光纤或屏蔽电缆传送信号；在各 间隔内均采用s i c u ( 开关设备集成控制装置) 电子模块，设备如果发现异常现象，远 g i s 智能检测系统理论与实践研究 程发送中心会发出报警，以预告形式通知未来可能的故障，这样数字技术和新的计算方 法使所有信息不仅用于间隔的自动控制，也用于整个设备的在线监测。a l s t o m 公司已将 上述技术用于额定电压为1 4 5 k v o l s 中，同时正在研制用于5 5 0 k v g i s 的新型电流电压 传感器【3 0 3 ”。 a b b 公司早在1 9 8 4 年就开始更新高压电器设备的二次系统控制技术，将一次和二 次技术融合在一起，在二次技术方面经历了传统技术、现代技术和智能技术三个发展阶 段，如图1 3 。该公司g i s 产品很有特点，分为e x k 和e l x 型，e x k 为智能化产品田j ， 有7 2 5 1 2 3 k v 两个电压等级。其中在e x k - 0 1 型s m a r t - g i s 中体现了智能技术的应用， 是先进的一次设备制造技术、新型传感器和现代计算机技术的整合【3 3 l 。 3 印工凰i 母 讯羁掰一 商避圃 r 量 。 嘲 气 。 蘼豺画酬潮 1 ) 操作控制台；2 ) 硬线连接；3 ) 事件记录器；4 ) 配电和测量：5 ) 间隔控制框： 6 ) 人机接e l ；7 ) 入口；8 ) 串行数据连接；9 ) 通向其他间隔线；1 0 ) 传感器和执行器 图1 3a b b 公司g i s 二次设备的发展阶段 f i g 1 3p h a s e si nt h ed e v e l o p m e n to f g i ss e c o n d a l ye q u i p m e n ti na b b s m a r t - g i s 有以下特点： 利用新型传感器和电子开关代替感应式互感器和电磁继电器及辅助开关，通过 六个传感器检测电流电压、温度、气压、气密度、开关关合位置、操动机构能量，其中 电流和电压传感器采用组合式u i 传感器。电流测量采用罗柯夫斯基线圈，电流测量范 围为5 a 一2 0 0 0 a ；电压测量直接用同轴电容分压，电压测量范围为6 9 k v - 5 0 0 k v ，准确 度都可达到0 2 。如图1 5 。 每个一次装置的传感器和执行器均配备有电子接口p i s a ( 传感器和执行器的处 理接口：p r o c e s si n t e r f a c ef o rs e n s o r sa n da c t u a t o r s ) ，传感器采集的信息存储于分散的 大连理工大学博士学位论文 p i s a ，其主要任务有a d 变换、测量信号的预处理、进行正确传输变换的串行信息、 给总线以及经过串接总线执行控制和保护命令等。 露圆 譬重 船 归 墟 插口 。j 1 一 j 1 ) u i 传感器：2 ) g i s 一次技术：3 ) 串行光纤过程总线 图1 4e x k - o l 型g i s 接口方案 r i g 1 4t h ei n t e r f a c ei ne x k - 0 1g i s 1 ) 串行光纤连接线；2 ) 电压传感器；3 ) 电流传感器 图1 5 带有电子接口( p i s a ) 的g i s 组合式u i 传感器 f i g 1 5 c o m b i n e d u is g r l s o r f o r g i s w i t he l e c t r o n i c i n t e r f a c e ( p i s a ) 控制和保护设备安装在就地柜中，一些专用的监视和诊断功能可以分散在处理 层上的p i s a 接口上。 传感器和执行器的信号通过总线真正进行实时传输，且只需传送一次，就可完 成将信号提供给所有需要信息的装置的功能；这是智能g i s 和传统技术之闯最重要的区 别。 所有一次元件通过串行光纤总线接到间隔的控制箱，替代了传统的硬件连接。 各个间隔之间、间隔与变电站计算机之间通信联络均经过一个总线进行。 g i s 智能检测系统理论与实践研究 光传递 图1 6 第二代c - g i s 的系统构成 f i g ，1 6t h es y s t e mc o n s t i t u t i o no f c - g i ss e c o n dg e n e r a t i o n 日本东芝公司在第二代c g i s 2 7 , 3 4 - 3 5 中采用先进传感器技术监测g i s 的内部状况， 防止内部事故发生；并用计算机技术处理获得的信息。c g i s 投入运行后，不需要像过 去那样进行定期的部件更换和大修，可以按照诊断结果进行预先维修，提高各设备可靠 性。如图1 6 所示。g i s 的诊断与监测包括以下几个方面： 绝缘性能的监视诊断：应用电晕传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感 器、漏电流传感器，监视c g i s 的绝缘性能。 导电性能检测：应用温度传感器、光纤温度计检测导体温度。， 机械性能方面的检测：使用开关位置传感器，监测脱扣和合闸线圈断线，可以 防止重大事故( 如拒动) 的发生。 韩国h y o s u n g 公司正在研制g o o k vg i s 的智能检测系统【3 6 】。设计思想是利用高 效的传感器和信号处理技术，利用光纤通讯和s w 技术，通过算法对故障进行判断，并 且利用网络和显示技术显示g i s 的工作状态。其检测项目和方法如下： 表1 2 检测项目及方法 t a b 1 2m e a s u r e m e n ti t e n l sa n dm e t h o d s 综上所述，国外公司已经开始针对g i s 状态检测系统进行了大量研究，其中日本的 东芝公司和a b b 公司已相继推出了示范性产品，然而，目前我国国内g i s 产品的质量 大连理工大学博士学位论文 稳定性和使用可靠性与国外相比尚有差距，研制开发s m a r tg i s 才刚刚起步1 3 阳3 】，所 以，摆在各大制造厂家和科研单位面前的课题是：加快对s m a r tg i s 的开发步伐，生 产高技术含量、高质量水平、具有自主知识产权的s a m r tg i s 产品，实现跨跃式发展， 满足我国电力工业不断发展的各种需要和服务。 1 4 课题来源及本文主要内容 尽管人们对g i s 的智能检测进行了大量理论分析和研究，国外已有相关产品，但到 目前为止，国内还没有相关产品投放市场。这是因为g i s 的智能检测虽然原理、技术可 行，但在高电压、高电磁干扰、高温差变化等环境下长期稳定、可靠地运行，还需付出 更多努力。正是在这种背景下，本研究在系统分析了国外各种g i s 智能化方案后，从检 测项目选择、检测手段、数据处理到数据通信，以及系统电磁兼容等方面，完整地架构 了s m a r tg i s 检测系统。本研究以电流、电压测量为重点，从传感器结构设计、电路 方案选择、模型参数分析、误差校正方法等方面展开了理论与实验研究。 论文各章节的具体安排如下： 第一章综述了g i s 智能检测的意义、内容，以及国内外在s a m r tg i s 方面的研究 成果，目前尚存的技术难点和问题，从而明确本文的研究方向。 第二章为g i s 智能检测系统的框架设计和外围研究。针对s m a r tg i s 智能检测系 统的指标体系，研究并且架构了检测系统的整体框架，提出各模块的结构与实施方案； 同时，研究系统设计中所必须要解决的数字接口、电磁兼容设计等外围问题，研究并提 出采用通讯标准m c 6 1 8 5 0 的结构和模型，分析g i s 所特有的电磁兼容问题，提出各种 解决方法和手段。 第三章首先重点分析由于g i s 特殊结构而产生的相邻母线电磁干扰现象，提出设计 罗氏线圈的注意事项；研究其对g i s 内部电场分布的影响，并给出了部分测试实验。其 次在研究基于电光效应和常规方法电压传感器的基础上，提出采用同轴电容作为系统的 电压传感器；系统深入地研究同轴电容的工作原理，暂态特性和稳态特性；分析并提出 结构设计、误差因素等问题，并且推导建立误差补偿算法；最后给出样机结构设计及测 试结果。 第四章建立系统总体硬件电路设计以及相应的软件编程，电路调试和试验。重点介 绍基于f p g a 和d s p 技术实现合并单元与电子式电压电流互感器的接口功能。 第五章讨论用多传感器数据融合算法修正检测系统的系统误差，初步研究表明这种 软件校正方法可以大大提高系统的整体精度，以弥补硬件设计上难以达到的精度要求。 g i s 智能检测系统理论与实践研究 2g i s 智能检测系统总体方案研究 2 1 概述 设计g i s 智能检测系统的首要任务是根据系统所需完成的功能，确定其总体方案， 搭建整体框架。只有在此框架内，才能进一步研究和设计其组成的各模块，所以本章首 先根据系统的设计目标，选择检测项目，对检测系统的整体框架进行研究和架构；同时， 研究系统设计中所必须解决的数字接口、电磁兼容设计等外围问题，提出解决方法和策 略。 g i s 的智能检测系统主要承担g i s 中重要参数的长期连续状态监测，记录g i s 运行 中的有关数据，系统利用这些数据对运行情况进行分析判断。检测系统不仅要提供g i s 现有的状态，而且还能通过这些数据分析各种重要参数的变化趋势，识别可能存在的故 障，要求检测系统具有能够处理大量信息的能力，因此本系统必须具有以下三个方面的 功能：信号采集、数据处理整合、过程层与间隔层之间的通信。 对于g i s 来说，需要检测的变量种类和数目较多。例如，对于1 个进出线间隔，一 般需要检测2 7 个状态量，而且要求检测具有实时性。由于不同的变电站在规模上和结 构上均不同，对检测装置的功能要求也各有区别。根据g i s 的故障记录，因开关而产生 的故障占整个g i s 故障发生的一半以上，同时考虑到预防g i s 内部故障的重要方法之一 是监视s f 6 气体压强( 或密度) ，所以本研究首先选择的检测项目为： 气室的温度、压强、s f 6 气体密度； 接地开关、隔离开关、断路器3 种开关的分、合闸状态： 断路器分合闸特性： 主回路三相电压和电流。 根据以上检测项目，本研究确立g i s 智能检测系统整体架构及与其他设备关系如图 2 1 所示，它包括硬件，软件和通信三部分内容。各部分功能具体描述如下： ( 1 ) 传感器( s e n s o r s ) ：传感器建立了一次设备和二次部分的联系，分为四组：电 流和电压传感器；断路器位置传感器