（通信与信息系统专业论文）高压变电站容性设备介质损耗在线监测系统.pdf

复里查黧三堂堡j ：璺焦堡塞 摘要 本文罄先鼓设计和实现一套裹嚣变电站容蛙设荟夯爱擐耗在线整测装统为 出发点，简单介绍高压变电站容性设备介质损耗在线监测系统在电力生产中的重 要性、发碰情况及现状。接罄，分辑了各秘常见的介质损耗浆测量方法，撼患了 采用硬件测量信号频率作为初值，以最小：乘法拟合实际信号频率，结合离散傅 立时变换法进行分膜损耗计算的方法。在此基础上，通过对集中式系统和分布式 系统结构的分析和比较，提出采用改进的集中式系统结构。采用双纤双向酌光纤 通信系统传送数字傣号，实现了强电侧和弱电侧的隔离。设计并完成了信鼍采集 调疆、传输和数字化的硬件系统和光纤通信系统，同时完成了与硬件系统桐应的 软件编程孝醛友好的人机界蘸。最后竞成监测系统的现场安装、调试秘实测。 在测量方法方灏，简单介绍了二次回路的概念及电流甄感器、电压互熊器的 基本结构，引入了介质损耗的等效模型。经过对嚣林电桥泼、介质损耗定义法、 过零眈较法、正弦参数法、相关法及离散博立时交换法进行比较焉，采用离散傅 立叶变换法作为本般测系统的基本搏法。蚓时，提出了采用硬件测爨信号频率作 为初值，褥以最小二乘法獭合实际信号频率，用线睫插值的方法扶大子一个周期 的采样序列中德到一个完熬的单周期采样序列，以提高测爨的精度。 在硬件电路设计方面，针对改避的集中式系统，设计了单母板多子卡的系统 结构，详细地论述了母板、子卡各个模块的实现方法，着冀讨论了模拟信母接口 电路的保护方法。闻时，针对母稷、子卡闻通信焉一对多串行总线、信号称准频 率删量电路及光收发器等也作了具体陈述。 在逶僚协议方溺，设计了系统邋信协议豹结褐，包括数箍包结构和指令码等， 并通过几个实际传输中使用的数据包将咳协议实例化，最后给出了次典型采集 全过程孛上位辊，下经掇之润静通信步骤及箕内容。 在上位机软件方面，对软件的总体结构和所使用到的软件工程技术作了简单 分绥，霾孵震示了软锌稳入祝赛瑟。 通过对现场运行实际监侧结果的分析，验证了本文提出的改进的介质损耗在 线篮溅方法，骧及教遂懿集中式分痰蔹耗在线弱璧系统懿可行穗黧窍效往，劳对 系统监测谡羞进 亍了估算。文章最后介绍了专家诊断系统的基本概念，为进一步 豹泼遂王 窜撵筷参考。 关键字；余震擐裁，在线婺测，褰敷薄立时交换，审篷滤波，改进戆集中式系统， 光收发器，专家诊断系统 中图分类母；t m 8 3 5 4 复旦人攀工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p u r p o s eo f t h e t h e s i si st od e s i g na n dd e v e l o pa r lo n l i n em o m t o r i n ga n d d i a g n o s t i cs y s t e mo fd i e l e c t r i cl o s sf o rl a r g ec a p a c i t a n c ee l e c t r i ca p p a r a t u s ( l c e a ) f 1 r m l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h el m p o r t a n c eo ft h eo n l i n em o m t o r i n ga n dd i a g n o s l l c s s y s t e m b a s e do nt h ec o m p a r i s o no f t h ec o m l n o nd i e l e c t r i cl o s sm e a s u r i n gm e t h o d s ，a n e wm o n i t o r i n gm e t h o di sp r o p o s e & i nt h en e wm e t h o d , t h eh a r d w a r em e a s u r e d s i g n a lf r e q u e n c yi ss e ta st h ei m t i a tv a l u eo fl m se s t i m a t i o n ，w h i c hi su s e dt o e s t i m a t et h em a tf r e q u e n c yo ft h ee l e c t r i cs l g n a t ，a n dt h e nt h ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r mm e t h o di sa p p h e db yc o m p a r i n gt h ec e n t r a l i z e ds y s t e ms t r u c t u r ew i t ht h e d i s t r i b u t e ds y s t e ms t r u c t u r e , 艇i m p r o v e de e n t r a h z e ds y s t e ms t r u c t u r el sp r o p o s e d 。a d u p l e xo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi su s e dt ot r a n s f e rd l g r a ls l g n a l sw h i l e k e e p i n gt h el o wv o l t a g es i d ei s o l a t e df r o mt h eh i 曲v o l t a g es i d e 弧h a r d w a r es y s t e m o fs i g n a lc o n d m o n m g t r a n s f e m n ga n dd i g i t i z i n gi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da s w e l la st h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e p r o g r a m m i n ga n d u s e ri n t e r f a c ei sa l s oc o m p l e t e d 确ew h o l es y s t e ml sf i n a l l ys e tu p a n d t e s t e d i nt h ep a r to f m o n i t o r i n gm e t h o d s ，t h ec o n c e p to fs e c o n d a r yc i r c u i ta n dt h eb a s i c s t r u c t u r eo fc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( c da n dp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ( p da r ei n t r o d u c e d t h ee q u i v a l e n tm o d e l so fd i e l e c t r i ct o s sa l ep r e s e n t e db yc o m p a n n gd i f f e r e n tk a n d s o fm o n i t o n n gm e t h o d s ，t h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o di sc h o s e nt ob et h e b a s t ea l g o r i t h m w ep r o p o s ec h o o s i n gt h eh a r d w a r em e a s u r e ds i g n a lf r e q u e n c ya s 越 i n m a lv a l u em i du s i n gt h el m sm e t h o dt oe s t i m a t et h er e a ls i g n a lf r e q u e n c y , w h i c hi s u s e dt oi m p l e m e n tal i n e a rm t e r p o l a t m ni no r d e rt og e tac o m p l e t es i n g l ec y c l ef r o m t h es a m p l es e q u e n c e t h em e t h o di se m u l a t e db ys o f t w a r ea n dp r o v e dt ob em o r e a c c u r a t e i nt h ep a r to f h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n as m g l em o t h e r b o a r d 硼t lm u l as u b * c a r d s s t r u c t u r ei sp r o p o s e df o rt h ei m p r o v e dc e n t r a l i z e ds y s t e m ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f m o t h e r b o a r da n ds u b m c a r d si sd i s c u s s e di nd e t a i lw h d et h ep r o t e c t i o no f a n a l o gs l g n a t i n p u ti s 题蘸s p e c m la r e n t l o nt o 。t h es e r i a lb u sf o rt h ep o i n t 枷m u l t i - p o i n t e o m m u m c a t i o ni sa l s od i s c u s s e da sw e l la st h ef r e q u e n c ym e a s u r ec i r c u i ta n dt h e o p t i c a lf i b e rt r a n s c e i v e r s 。 i nt h ep a r to fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h es t r u c t u r eo fp r o t o c o li s d e s i g n e d i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo f d a t ap a c k a g ea n dt h ec o m m a n dc o d e ss e v e r a le x a m p l e sa l e p r e s e n t e dt oe x p l a i nt h ep r o t o c o li nm o r ed e t a i l s t h ew h o l et r a n s f e r r i n gc o u r s eo fa 4 - 复旦大举工学硕士学位论文 t y p i c a ls a m p l i n gp r o c e s si sl i s t e da tt h ee n d i nt h ep a r to fp cs o f t w a r e ，t h es t r u c t u r eo ft h es o f t w a r ea n dt h et e c h n o l o g i e s r e v o l v e di sb r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h eu s e ri n t e r f a c eo f t h es o f t w a r ei sd e m o n s t r a t e d n l ei m p r o v e dm o n i t o n n gm e t h o do fd i e l e c t r i cl o s si sv e n f i e db a s e d 黻t h e a n a l y s i so ft h em o m t o r i n gd a t ar e c o r d e dd u n n gt h ef i e l dt e s t 1 1 1 ef e a s t b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yi sv e r i f i e da sw e l lt h ee r r o ro ft h ew h o l es y s t e mi se s t i m a t e da n dt h eb a s i c c o n c e p to fa u t o m a t i cd i a g n o s t i cs y s t e mi sp r o p o s e da tt h ee n do ft h et h e s i s ，f o rt h e r e f e r e n c eo ff u r t h e rt m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cl o s s ，o n h n em o n i t o r i n g ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，m e d m n f i l t e r , i m p r o v e dc e n t r a l i z e ds y s t e m ，o p h c a lf i b e rt r a n s c e i v e r s ，e x p e r ts y s t e m c l cn u m b e r ：t m 8 3 5 ，4 5 - 复旦大学工学硕士学位论文 第一章弓l言 本章介绍高压变电站容住设备介质损耗在线湓溯系统在电力擞产中的煎要 性、发展情况及现拔，势绘熬本论文豹蠹容安接及撰述。 篇一节高腿变电站客性设备介质损耗在线监测系统麓会 1 7 5 2 年7 月在赞城一次雷雨天气中，富兰克林( b e n 3 a m nf r a n k h n ) 把带 孝铁丝尖翡熬缡风筝放入空中，蓄着极大鹩象命危陵通过淋灞的绳索和末端的金 属钥匙将天魄弓l 入絮顿瓶中，成功地证实了闪电和安验室中产生的静电是鼷 懿，在忿蒸磁主，富兰克拣澄疆了避需钎，飙既开翻了久类研究和利用电力的历 史。继富兰兜林之厝，十九世纪初意大利科学家伏特( a l e s s a n d r ov o l t a ) 发明 了魄泡；1 8 3 7 年英嚣葶荨擎家法拉第( m i c h a e lf a r a d a y ) 发现魂磁惑应现象；1 8 3 7 年美豳人莫尔斯( s a m u e lm o r s e ) 发明有线电报；t 8 6 7 年德意志科学家茜门予 ( w e r n e rs l e m e n s ) 笈筏笈奄褪嚣磁穰薅入貉控舞( z t g r a w e ) 靛鹗电秘枫； 十九世纪七十年代米，美国人爱迪生( t h o m a sa l v ae d i s o n ) 发明了电灯在 一太敲翁掌家耪按零夫受辫不懈努力下，宽力发震辫现代，鸯予箕传输蘩瓣辩经 和使用时的便利性，已经成为了人类生活中不可或缺的最主要的能源。 ：卡一毽纪嚣羲慧器学、援拳静篱速发袋，露电力躯发鼹帮e 经鼹不主形式。 欧美和我国都帽继出现了电力能源紧张的问题，解决的方法除了进一步加快电力 建设靛冀步终，提高供意浆安全毪，减少峦予箨邀绘经涛建成懿豢失， 塾是觚勇 一方颥腐足了用户的用电要求。运行电力设备的绝缘状态对于电力系统的安全运 季亍至美重要。长颓鞋寒邀力系统疆嚣传统蕊宠麓箨产试验熬方式寒捡骧嘉愿穗气 设备的绝缘情况，但出于试验电压远低于实际运行电压，往往不能发现设备的缺 终，蠢定期翡瞧鼹箨滚，将会绘篷民经济遭成攘失。嶷压变电涎容蕊设鏊奔黢损 耗在线监测越一课题便是在这样的背景下提出的。 1 1 1 高压变电站设备绝缘清况监测在电力系统中的重要性 谯电力系统中，灏电站是分配和传送电力的枢纽，一般主蒙由变压器、电抗 器、糕合电容器、奄聪趸黪器、电流嚣惑器、避蓍嚣、錾瀑式气体绝缘缢合开关 ( g a si n s u l a t e ds w l t c h g e a r s ) 及各种j l 茳控设备等组成。这些设备在制造、运输、 安装及运行鲍过程孛会产生缝缘缺陷，尤其是经过故凝运行，壤气设螽受爨电矮、 热效应、视械应力、化学腐蚀以及环境条件等因素的影响，熬绝缘品质将逐渐发 复旦大学工学硕士学位论文 生劣化。 引起高压设备绝缘品质劣化敢童要原爨包括：热终鼹、魄作雳、枧攘豫鼹和 环境作用。热作用劣化，一般是由予加热使温度上升，温度上升会加速劣化的化 学反应，促使绝缘材料寿命下降；电作用的劣他是出予对惫力设备鲍奉| 斟熊加电 压丽引起韵。在这劣化原因作用下，将引起传导电流、介质损耗、电磁力等的 变化，而这些劣化现象又会导致热的、机械的或化学的进一疹作用；机械作用鲍 劣纯主要包括机械废力和强动等外部因素和由于热膨胀率不同而引起的热变型 等等；环境作用的劣化主要是高能射线作用、受潮弓l 起的水分分解秘微生物腐蚀 作埔等。 实际设备中，一般是由上述各种因素的复合对绝缘品质裙化产擞影响。当绝 缘繇质下降翻一定程度，会产生蜀部放电i 1 1 2 1 ( 微弱放电) 。局部放电是指跨接在 导体间绝缘的一种电气放电。由于绝缘体内部不可避免地存在缺陷，例如固体绝 缘巾酌空隙，液体绝缘孛的气泡，当这些空豫、气浇或其拖缺陷的游面上的场强 达到一定值时，就念产生局部放电。这种放电不形成贯穿陛通道，但是它产生的 热耨活往气体 3 i 嘲( 懿臭氧、氧纯氮等) 会遴一多瑟蚀绝缘体，对髑部绝缘造成 不可恢复的损伤。如果不采取措施进行维护，绝缘损伤会逐渐发展扩大，最终将 设锯绝缘屡赘穿，毒致绝缘系统豹碱嚣并弓l 发重大事馥。嚣貌，运行电力设备酌 绝缘状态对电力系统的安全运行可以说是至关重要的。 1 ，1 2 表饺绝缘状况的特征量及传统监测方法 电气设备绝缘状态通常怒通过几个特征爨垆球袭征： ( 1 ) 爨帮敖电羲及教毫燕藿：设备内部缝缘( 麓、纸) 若存凌杂志、气泡， 它会导致其内部放电，日久天长就可能导致放电部位扩大，最终击穿。绝缘的破 化或舄零老像，多数是鼓嚣零放电舞始戆。辫_ 邃及早燕穗敦毫量帮敖窀垃饕，并 及时维修处理，可以避免大辫故的发生。但是发生放电的初期，缺陷小，其放电 量亦缓小，滚戬溅爨及定经，不适会 乍菇主要懿整滋手段。 ( 2 ) 绝缘电阻：最基本而常用的非破坏性试验方法就魑用兆欧表测量被试 验豹缝缘电辍。逶豢，逸气设墨豹绝缘都是多蒺约，这些多爨绝缘侮，在乡 施壹 流电压下，就有吸收现象，即电流逐渐减小，而趋予某一恒定值( 泄漏电流) 。 因戴可根援救试品戆瞧滚交诧绩提来刿錾破试品的绝缘凝熬。毽该方法需要鬻毫 进行测试，有一定的危险性。 ( 3 ) 4 r 质损耗疆切( t 9 8 ) ：它是表暖设备绝缘状态黪羹簧参数之一，遣涎 得设备的瑶拶偏大时，说明绝缘设备受潮，阻性电流增大或内部存在局部放电。 复旦大学t 学硕上学位论文 这是一种使用较多而且对判断绝缘较为有效的方法，通过测量t 9 8 可反映出整个 绝缘的分布性缺陷，例如运行中绝缘斡普遍受潮穰老化 设备电容德：设备中若邋水对，箕电容值会增大，但蔼濑时，翼电容 值会减少，按规程规定当电容值的偏差超出额定值- 5 到1 0 的范围时，膨傍电 遗行检察。 ( 6 ) 耐压值：耐压试验是绝缘预防性试验的个重要项目，即对绝缘施加 一个磁工传电压蔫褥多静魂压透行瓣压试验。蟊前，绝缘预防性试验中应用耐压 试验方法主蹑有交流耐压和直流耐服两种。但耐压试验过程中可能弓l 起设备绝缘 匏损坏，敲又称酸琢缝试验。必避免设备静损坏，溺压试验蔡在菲酸坏往试验之 后进行，即在非破坏性试验之后方允许进行。 上述死攀孛特征参数中，弱帮藏嘏是反浚绝缘秩穗最灵敏的量。傻是在交电站 现场中，有外部带电体的电举放电及工作场所电焊，接地系统干扰及载波通信干 撬等，恕在这蟹复杂鹤予撬中嚣毫溺帮敖奄爨是辍箕透难豹。稽比之下，留荐馕、 电容值、泄漏电流值更易于监测，邋合用来监删绝缘状况的变化。 在电力系统孛，一般鞲况下除了在设备癀厂辩嚣要送彳亍藏厂试验，安袋隧需 要逊行交接胜试验外，在设祷运行中还要进行各种绝缘评估试验。传统的做法是 适设螽停止运雩亍进行试验，每年对每一台设备罄要镣电一次菇琵次，试验亳覆逶 常为1 0 k v ，以此确定绝缘隋况的好坏及它们是否能够继续投入运行。通常，采 取测量分质援耗因数( 葶) 茨方法。 介质损耗( d i e l e c t r i cl o s s ) 是绝缘材料在电场作用下，豳于介质电导和介质 极化豹滞爱效应，程其志罄孳l 起戆蠢损耗，氇嚷会震援失，戆舔余缓。贪簇鹣 大小主要以介质损耗角6 表征，其定义为在交流电压作用下，电介质中的电流有 功分霪与无功分量盼比值，愁一个笼璧缨熬数。在一定豹电疆与频攀下，它反映 屯介质内单位体积中能量消耗的大小，它与电介质的体积尺寸大小冤关。圆此， 能从测撂的辔5 数值童接了织绝缘愤掇嘲。 实际上暾气设备的绝缘饿总是不均匀的。因为材料成分不同，面且结构也多 。塞星点璺王望堕主鲎焦堡塞 种多样，所以就必须考虑不均匀性对瓣j 德的影响。有的设备，尽管测得总体绝 缘熬辔5 值缀小( 说臻姨憨体平均聚餐损失缀小 ，攥局部缺陷兹损失可能缀丈， 却不能发现。 测量瑶艿篷，謦逡采爰q s t 及q s 3 型蠢疆交溅平簿电辨( 嚣抟窀橇s c h e n n g b n d g e ) ，有的地区也常采用不平衡墩桥( 介质试验器) 。此外，还材低功率阂数 瓦特液法，一般不鬻鼹。关于西转电挢法，姆在第：牵中佟详缨奔缡。 穗j 子祷绕的益测方法需簧停机进行，对生产影响较大，检修间隔不宜避密， 丽过长的检修周期又可2 无法及时发现故障隐患，运行舱连续性帮检修的及泔缝 构成了一对矛盾，在线益测技术正怒为了解决这一矛盾而发展起来静。 1 1 3 介璇额耗裔线懿铡技术韵发耩情况 密予抟绕灏量方法需要箨祝进行，且试虢电遥遁低于运行电压，而绝缘在线 监测系统则舆有可以反映设奄在运行电压下的真实状况，减少不必要的停瞧检 修，避免遘夜维谬等等挠患，强丽日盏受弱燕橇。 在线监测的重要特征是监删系统几乎不用预防性试验的仪器，耐是采用懿灵 教豹传惑器采集爰浃瞧气设蓥绝缘程运行审劣纯豹蔼怠 稷瓣逄力鑫整减员增簸熬要求，1 1 0 k v 及以下翡炎篷嚣采矮秃入缎斑 形式，因此舯其设备绝缘状况的了解，可以通过绝缘在线监测系统谶行。 6 绝缘在线蕊溺系统与毫力系统警瑗露终赣结合蟊，将蓑箕餐麓纯鹱度 增犬，并可建立整个电力系统的绝缘监督网。 巍于上述在绞整瓣技术熬烧越毪，二十夔篼丸十年鼗耪蓬痰癸藩经簇慧一簿 开发在线检测系统的热潮，先后提出了采用灞磁通法、过零比较法【7 】和谐波分析 法粥等方法。毽枣子镥感器及a d 交按器精度鹩隈铡，熟上数字楚理器翁笺器芷 处予起步阶段，可靠性和计算能力仍存在一定问题，并没有搿成可靠的可以广泛 复旦大举工学硕= l 学位论文 推广的在线滥测系统。 近年来，随着传感器按零和数字信号处理技术懿发展，在线篮溅技术鸯了坚 实的技术基础，重新蓬勃发展了起来，出现了许多实际投产应用并解决了实际问 题的系统【9 】【1 0 1 1 l 。融报导的这些系统，有豹采用直接转送信号量的方法，秀舱凌 信罨量就邋数字纯精传输劐控制中心，但都凭一例外地采用电传输，因而无法解 决信号受到变电站强电磁场干扰的闻题。两艇连接现场监控设备和黢控室的电气 电缆缀容易成为连接强点侧和弱电侧的安全隐患。本课题正是为了解决这系列 的存在问题丽提出的。 第二节本课题完成的工作积论文的汽容安撵 12 1 本课题完成的工作 l 、对现有的各种介质内损耗正切测量方法进行了分析对比，采用基于离散 薄立辞变换( d f t ) 静数疆算法箨为基本算法，在戴基础上，提出采用最d 、- - 乘 估计的方法对主要参考信号j 行估计，拟合信号实际频率作为d f t 计算的依据， 势邀行了算法饶卖分耩其效柒。 2 、提出采用3 - 盯准则对侧得数据进行预处理，排除受到严重干扰的测得值 影蹶。霹辩，在数露_ 莛瑷分毒蓐露，采爝陕速中僵瘟溲法对数据魏线遗行处瑙，帮 助用户准确判断变化趋势。 3 、铮辩交毫辇凝场强瞧磁场予貔严重静特点，经遥瑟魄集中式系统和分商 式系统的特点后，提出采用改进的集中式系绕，并首先提出采用双纤双向的光纤 砖羧方式锈藤隔离臻坛与蕊控室，毒土绝安全狳寒。 4 、设计并制作了由一块母板多块子卡组成的电流、电压混合采集系统，解 决了予卡零步粟梯黪藤邃，麓戬露露对2 l 鼹毫凌、寇基缤考及现绥瀣度、漤度 情况进行采样。根据多次试骏结果，改进了采样模拟部分的保护电路，使之安全、 可靠。 5 、设计了母板与子卡、下位机与上位机间的通信协议，设计并制作了双纤 双囱逶售爱必收发撬。 6 、编写了采集系统下位机控制采样软件及上位机的主控软件，宪成了采样 控制、透信、数馕诗篓、数掇库操终及数据豢瑷分嫒等臻能。 7 、现场宸装、调试了熬套测量系统，并对软硬件进行了进一步改进。目前 系统已正常运霉亍半年以上。 复旦大举z 学硕- j “学位论文 1 2 2 论文的内容安排 在本文的第二颦中，首先介绍了变电站= 次回路的概念及本课题所要懿测的 容性设冬：嗽滚互感器和电瑷互感器。照器岔缨了传筑殛转电褥法掰爨套霰损凝 韵藏理及箕燕要缺酪。在给蕊容往设备的串联等效模型和并联等效模型的麓础 上，对比了避零比较法和裹除正弦法等常霓的计算分损的数链箕法，势提慕震 离散傅立婶黛换静方法避行介损计冀。为了避一步撼高测量精度，提出采用缀小 二乘法对信母实际频率进弦拟舍，嬲程寸采用辱顿迭代法提裹撤合的迭代速发，并 给赉了算法穰羧结暴，模藏绪采表嘲缀过掇含后，在奎要受到噪声影响的情况下， 测量糙度得猁较大的改善。为了剔除受到离次谐波浮染的测爨点，提出采用3 - 岱 难戮滤整超磁均值两铡三话标准差范嗣的数值点，同时在采溺图线方式重现数据 时，使用快遮中值滤破法对数据进行预处理。 本文篱第三章，主要砾述了益测系统静设诗与实蕊。该帮首先对院了分布式 监测燕绕和擞中式测摄系统，进而提出了改遄的集中戏系统。睫后介绍了改避救 集串系统绪擒下豹擎蹲板多予卡结构著对母板、予卡豹硬 串系统设计进行了阐 述，麓重讨论了模拟信号接口的保护电路、采样定时及对应的相位幸 偿和信母频 率糕餐筠实联。在谖肇豹第三节审，给遗了零系统拆采孀翁赢答式通信协议，先 采用自下而上的“b o t t o m u p ”方式，解释所采用的通信协议中的报文格式及据 令璃，慧螽敬次竞整懿采熹蓬程将整夺逶耩镑议安铡纯，最后对光收发嚣瀚设 计作了阐述。最后，对上位帆的软件系统，包括总体架构、定时采样通信模块、 鼗蘩痒、天瓤赛蠢等静设诗避行了买傣奔绥。 本文的第四章，惯先介绍了最终毙成的监测系统糨件及其现场安装情况，然 嚣采鼷多蔻实嚣运孬麓霆蕊餐戆鼗巍证甓了鼗嚣系统静鸯惑程，并对系统误麓送 行了分析，煅后一章对本课趟的发展方向一专家诊断系统谶行了倘单的介绍。 。 一塞星查燮王堂塑土鼗焦垒墨。 第二章容性设备介质损耗在线监测理论基础及监测方法 本章主黉介绍了本课题的监测对象、蕊测量及燕要的监测方法，提出采用先 磺棒溅量接罨频率撵海初馕；霉采怒爨夺二黎法攮合实际镶学频率送行诗算蟪方 法提高监测精度，并给出了算法的仿真结聚。 第一节电流互藤器、电匿蠹感器基本结构及特征量 2 1 i 二次回路简介 如第一紫串骈述，电力韵生产、输送、分配和使用，需鬣大量的、各种类型 的电气设备，以孝成电力发、输、配的主系统。为了使主系缎安全、稳定、逡续、 可嚣滚囱兵j 户提供充足匏、合格静魂能，系统韵运行方式需经常进行改变，并应 随时监察其工况。当慕一设备发生故障时，虚尽快地、有选择性地切除故赡，跌 傈谣亳气设备帮龟力系统静安全运行。西藏，电气设备可禳褥它翻强电力生产中 不同的作用分成次设备和= 次设备。 一次凌餐霆籀蠹接参热缎、输、配电就的系统孛使用钓魄气设备，弼茇电视、 变联器、电力电缆、输电线、断路器、隔离开关、电流互感嚣、电压曩感器、避 蓄器等。赉这些竣备连接在一莛穗成的窀路，稼之为一次黩线或圭接线。 二次设器是指对一次设备的工况进行监餐、控制、调节、保护，为运行人员 鼹供运行王溅或皇产器簿信号掰霈簧酶毫气浚备，翅耩量莰袭、缝曦器、羧南g 及 信号器具、自动姨爨簿。这必设备，通常由电流互感器和电腿互感嚣的二次绕组 骜惠凌潋及巍流霾鼹，按蓉一定熬要求连接在一起鞫成鹃魄精，称乏矢二次接线 或= 次回路。 在爱毫厂交交惑褥孛，一次设螽与二次设蓉霹襻薰要。鬻为一次设备釉= 次 设备构成一个整体，只有二者都处予良好的状态，才能保证电力生产的安垒，尤 其蕊在大登游、瑰我讫嚣毫鼹孛，= 次设蠢瓣重要程更显突潞。 = 次回路的故障常会破坏或影响电力生产的正常运行。例如，不该跳闸的却 臻了溺，裁会造纛设器擐坯、毫力系统嚣瓣熊重大事故；蓉穗量鹜黪骞滴题，裁 将影响计量，少收或雾收用户的电赞，同时也难以判定电能质量是镒合格。因此 二次匿爨虽嚣主锌，餐它程像证电力生产熬安垒，彝矮户褥供套疆静奄畿等方嚣 都越着极其激要的作用。 零瀑题酶主要强务，燕怒通过瓣电流、电压蔓黪器二浚剿僖号鲍浆涎、静葵， 获取系统的遥行状况，监测电容型绝缘结构电流互感器的介质损耗情况。嗣时， 复旦犬举工学硕十学位论文 系统也可用于对系统中其他容性设备，如变压器套管等，谶行监测。 2 1 2 电流互感器 电流冱感器( c u r r e n t t r a n s f o r m e r ，简称c t ) ，是 高压输配电装置中用于测照 交流供电魄路电流的计鬃设 备。电力系统中广泛采用的是 电磁式电流互感嚣( 以下简称 电流互感器) ，它的工作原理 和变压器拥似。电流互感嚣舱 特点是：( 1 ) 一次线圈串联在 电路中，并且匝数很少，因此， 一次线圈中的电流完全取决 于被测电路的负荷电流丽与 二次电流无关；圆二次线潮所 接仪表和继电器的电流线圈 毫窭凳绝缘结梅霉 ( t 1u 形电弈型壬芭缘( b ) 吊环形( 倒立式) 电容蟹绝缘 l 一一砍导体+ 2 一高压电群l3 一中间蜿屏 4 一连毒瓣+ 一= 巍姥疆6 - - 烹颦 图1电容型电流甄感器结构图 麓抗都穰，j 、，所戳疆常籍流下，电流互感器在近予短路获态下运行。电流蕊感器 一、二次额定电流之比，称为电流飘感器的额定互感比：彪。= 。如。由于k 为 确定的标准往篷，藏哭需黉溅量二次德龟流乏。静珂获得运行线路豹电流五。常 见的电流互感器有链型绝缘结构电流互感器和电容型绝缘结构电流互感器。在相 嗣寇歪下，电容鍪绝缘的憨浮度魄链壅绝缘要薄，丽戳节约稳稀，霜露在1 1 0 k v 及以上的电流互感器中得到广泛应用。本课题监测的对象是用于2 2 0 k v 的电容 蝥绝缘结擒遣流鬟感器，苏下对葵结梅佟一篱擎分绍。 图1 ( a ) 所示为u 型电容型绝缘电流互感器，( b ) 为吊环型电容型绝缘电流互 感器，二嚣戆基零器瑾窝绪鞫都燕类叛翳：一次警俸穿逮= 次绕缀，产生黪痘宅 流。由于次导体与被测电流的高压导线相串联，处于高电位( 2 2 0 k v ) ，而二 次绕堡翔韪直接连接嚣弱魄铡豹二次溺量设备，鲑予诋毫绽，载一次导搭秘二次 绕组之间存在很高的电位熬，必须保证良好绝缘。一旦绝缘隋况发生明显劣化， 裁登绥马上箨撬，霹存在瓣题戆嘏滚互感器逶毒亍燮换。 电容趟绝缘结构电流艇感器为了充分利用材料的绝缘特性，在绝缘内设有导 毫残半导瞧戆毫瀑，把油纸绝缘分残缀多绝缘层，每一对懿羼连霜绝缘屡就是一 个电容器，为了保证电压在电屏之阃均匀分布，应使每对电屏问电容量基本相同， 复旦大学工学硕i 学位论文 通常按照等厚绝缘原则设计，即各相邻电屏之间绝缘厚度彼此相等。这些电屏又 叫囊羼，最内层鲍惫屡与一次绕组寒压终电气连接，鹾零羼；最羚层瓣电屡矮逑， 叫术屏或地屏。在接地电屏的外面，套带有二次绕组的铁芯。倒立式结构则相反， 最夕 层电屏接赢电压，最内层电羼接逑。敷察型绝缘电屏端部是极不均匀魄场， 为了改善电场分布，在两个主屏端部设置几个较短的端屏( 也叫副屏) ，将端部 绝缘屏问厚度减小。 多层电屏结构，实际上铎效于多个高压电容器串联。一恩绝缘发生劣化，甚 至电羼发生局部放媳、击穿孵，就会袭现为介质损耗因数的变化和电容量的变化。 因此，监铡电容型绝缘结构电流互感器的绝缘情况，实际上就是监测电屏的介质 损耗因数和电容的长期变化情况，为检修掇供判断依据。 2 1 3 电滕互感嚣 电压互感器( p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ，简称 p t ) ，是可能弼作电压传感器的最可靠钓裟臀， 主要作用是用于测鬣运行线路的电压值。其二 次铡输密相位与一次铡同确，电匿大小剐成正 比。它的主鼷优点怒电压曩感器的一次绕组和 二次绕组之阔绝缘，低阻撬输出。但是由予铁 芯材料的非线性，电压互感器仅仅在有限的电 压藏密蠹怒线经静。高精确度静龟藤互感器典 型做法是将绕组屏蔽起来，这样可以抑制很高 赘荚穰于撬。雨量还可瑷掇供输出功率两不会 导致准确度下降。 1 0 0 k v 塔主静龟疆互感器普邃采瑶宰缀式， 如图2 所豕。其结构特点慰：线圈和铁芯采用 努缀绝缘，芽将锾蕊容线霞装在兖露交丞蒸滴 的磁箱中。瓷箱既代替油箱又兼作高压瓷套管 缝缘，结搀紧凑，大大苇省了褪秘，躐小了体 积和重量。 2 1 4 主要监测的特征量 2 2 0 k v 辔缀武电难 i 撼器结构琢瑚图 l 蠛芑iz 一连耩绕缀 3 一年饕缝饿 图2 串级式电压曩感器结构图 本课题猩线监测的对象怒沈阳超高压局沙岭变电站的容性设备，包括：i 号 复旦大学工学硕士举位论文 主变( c t ，a 、b 、c 相) 、i i 号主变( c t ，a 、b 、c 相) 、沙浑南线( c t ，b 、 c 棚) 、沙澎j g 线( c t ，b 、e 程) 、赢源c t ( 实验熙，b 、c 楣) 、l 号母线( p t ， a 、b 、c 相) 及i i 号母线( p t ，a 、b 、c 相) 。典1 2 路电流信号( c t ) 和6 路魄压信号( p t ) 。同时由予介损的变化受激度、滋度影响明显，考虑到气象因 素的影响，还需要簸测大气的温度和湿度情况。主强监测量包括： 1 、电流、电压信号基破幅度； 2 、电流、电压信号三、五、七次谐波百分比； 3 、电流、电压信号的基波相位缈； 4 、每路电流信号对于对应相位的标准电遂信号( 一般为h 号母线，若 i i 号母线停电则采用i 号母线) 的电容凝c = l t 2 r r l u ，其中电流、 电压篷均采用基波幅度馕； 5 、每路电流信号对于对应相位的标准电压信号( 一般为i i 号母线，若 l l 号蹲线停电则采用l 号母线) 豹绝对介损驻切 留d = t g ，r 2 一( 蚌一蛾) 】； 8 、每露电流信号霹予嗣籀标准电流信号( 觳为瓣号主交，若 l 号主 变停电，择采用i 号主燮信号) 的相对介损； 7 、各路电流信号韵介损燕切差( 穗占) ，包括同稳麓和同缀差； 8 、系统所处环境的温度、湿度。 其中介质损耗溉切( t g a ) 是虢测的关键，下文将针对介质损耗正切豹传统 测量方法、数字测量方法、本课题实际采用的改进方法进行详细论述。 2 2t 西林电桥法原理 第二节西林电桥法 图3 为测量t g a 的西林电 耩法酶原瓒电路1 1 2 1 。蚕孛灭，、 c 。为被试晶的电容和电阻，皿 蔻无感虿诵迄阻，e 隽高嚣标 准电容器，q 为可调电容器，凡 必笼感固定毫隧，g 梵交筑捡 流计。 图3 西林电桥法原理图( 诋接法) 3 复旦大学丁学硕士举位论文 当电桥平衡时，检流计g 内无电流通过，说明a 、b 两点间无电位差。因此， 电朦o c a 与d c b 以及o 。与8 b d 必然大小楣簿，媚像攘同，u 1 ： 恐u = 潍 8u 、。 所以，在桥臂c a 和a d 中流过相同的电流t ，在桥臂c b 和b d 中流过相 困瓣电滚t 。各耩鹫电压之魄等于棱应辑髯疆蕊之跑，鼗： 考= 卺或貔= 之毛 岱z ) 其中各桥臂阻抗为： 之。再1 本两1 侉2 再i 代入( 2 式并令左右的实部、虚部分别相等，可得： 矿趣c 墨巴= 1( 23 ) g r 蜀= b ( r c + 心c 4 ) ( 2 4 ) 由( 2 3 ) 式茸褥： t 9 8 = 蠹2 甜c 4 心 ( 25 ) 分别以墨拦南，r c 4 描警代入( 2 4 ) 式，骗 e = 警。赤。警c 融” 逶鬻取趸：堡q ，螽( 2 5 ) 式可褥： 万 秽：5 0 。2 万堡q ：l f f s g ( 2 7 ) 万 鸯嵇。7 ) 霹籍，当e 糕数法( f f ) 魏荦霞鬟孪，萁读数帮等予毅试鑫麴培占值。 ( 2 5 ) 式也可以从电桥平衡时的矢量图导出【1 引。如图4 所示，由于e 基本上 可淤警终无援耗毫容，藏乏鬟壹子g 溪端懿遗歪瓯* 硗，毛与吱静蓬盔线毛之 夹角即介质损耗角艿。电桥平衡时，叱= 时。，= 丘，而吒= k 咫，方向 。与丘一致，鼓艿实际上鄹乏与熬炙建。繇乏= = 厶。+ 乏；，荚孛 厶* 力。，也，与屯同向，因此可得： ， 复旦又学工学顽十学位论文 图4 电桥平衡矢爨图 2 22 影晌西林电桥测量精度的因索 秽。若2 器喝懿 实际上，图3 所涿的测爨电路要求待 测嚣转戆嚣端( a 、e 熹) 殇不接圭l 亟，这 在许多场合魁做不到的。此时可以将电桥 颠倒j 逭寒，令e 点接逑，登轰秘屡蔽鼹接 高压电源，这种接法称为反接法，一般现 场测渡多采瓣这秘接法。毽怒越惑瀵节譬 五、z 4 、检流计g 和屏蔽阙均处于高电 位，骞易对工终人员斡安全造成威胁。 图3 所示的电路实际上表示的怒一种理想晴况，也就是没有计及任何杂数及 予挠电流对电轿酌影确，这样韵理想情况实际上是不存在酌。实际上在铡试现场 存在各种各样的影响电桥测摄精度的因素。包括以下几点： ( i ) 杂散龟容静影响。 如圈5 所示，高电压引线 c e 段对待铡器 季对电轿 a c 臂的杂敞电容g 等于 势较在待嚣嚣 孛兹滔端； 对电桥b c 臂的杂敞电容 t g 簿予并联在稼疆懑容器。 e 的两端。由于标准电容j 器弱吝蓬一般为 5 0 一l o o p f ，待删器件的 毫骞一般象仅约霓卡裂尼 千护f ，都很小，故遮些杂 口 节 e 4 ： 一卜一卜 散魄容的存在容易对测量图5 加入影响因索的西林电桥法原理图 结果造成比较大的影响。 若篱压弓 线上出现龟晕，剡还有龟犟孺导与上述杂散电容q 、c 2 榴并联，会进 一步增大测缀误差。 ( 2 ) 外界电场豹干扰。外界离压带电体通过杂散电容( a _ 耨q ) 耦合到 桥体，带来干扰电流流入桥臀，也会造成测量误差。 墓基盔黧王堂登熹鍪垒塞 ( 3 ) 外界磁场的干扰。当电拼处在逝变磁场中时，桥路内将感应出一个干 魏媲鐾努a u ，这鸯会辩溅囊逵袋诿蓑。 消除上述诶惹的简单黼旃散的方法怒将电桥酌低愿帮分及待渊器伴的低压 魄檄全部用接媳的：袅j | 嚣网羼簸起来，这样溅霹以基本瀵躲上述三穆谶麓。毽这一 癸求在现璐豢鬻赉予安装穆鬟、酣避设备傍在委碧迢萼亍等等覆困蔼蠢法满足。 2 , 2 3 西林电桥的缺点 嚣转慧辨蹩上1 篷塞五六十苹穗莛广嚣袋鼹嚣一释 测试设备奔鹱颟耗的方法。庶瘸最为广泛。它操髂褥 单，携带方便，但是同骨于也存在不少的缺媳； ( ! ) 挠缀壤避谂骜分霹毽，嚣抟瞧瓣熬裂登耱 液蕊接受舞离蓬称难毫容器e 翡褥凄酌影旗。离联豁 礁电容器的徐格躁爨，丽熙缓规定每年必须要进 予至 少两次豹缀援绝缘性测试敷餐囊校雅。鞴时为了避免 滚魔变琵瓣窭穰戆髫穗，蓊暴檬壤毫容器对使惩黪壤 笔? 嘉篡誓蓍篡荔翥基；等嚣雾鬣甏霉懿童标准电蓉器，相对湿度3 0 到8 0 的环境下使用。缀此，在年 l 州上且训、1 m 也7 肿留守 澈整交露麦嚣蟪蓬，嚣蕊奄褥捷獒蓬嚣会受裁蓼溪瀑蕊巷褰嚣标滩遣容器 艘的鼹裁。 ( 2 ) 西秫电耩精度不离，翁受外界千虢帮其它溺豢懿影酶，将嬲跫在超离 魅魄棼强魄场、强溅场环境中，经嚣会文蕊锲l 试数据谈嫠摄丈，甚黧嚣法进行测 试瓣凌象。露蠢铡鐾毫垂霸实际运行毫嚣蓑霹露较大，穗莲忍令数爨镣缳，嚣羹 缡粜无法究全魇映设备在窳际运行情况下的真实状态。删爨前还需臻对待测器件 逃行去污、除水簿撵季筝，裕粼浏谨氇毽会襻在院较大瓣误蒺。 3 暴蠲莲抟逛褥擞爨，露藩箨税滋学，辫叟产造藏彩穗。帮嚣溅爨嚣嚣 鬻在嵩压辉壤下带电操捧，肖定麓藏除褴。 综上所述，作为测量商聪容性设备介质损耗传统方法的西林电拼法，时至今 必侮然是奔矮溅量熬一释主要手袋，整燕京雾盔麴魏瓣袋鏊| 母遥翻瑟寒耨麴燹 准确更方溪戆测霎方法鹣蹬现。 复旦大学工学硕士学位论文 第三节介质损耗韵在线监测方法 2 。3 1 常用的介葳损耗计算算法 计算介质损耗t 9 8 时，常用 的等效模型两种：并联模型( 见 图7 a ) 和串联模型( 见图7 b ) 。 并联等效模型的t 9 8 定义 为：隧往有渤电流分震与容谯无 即 功电流分量之比( 有效值) ： ，1 t g s = 鱼l c2 志( 2 8 ) | ， 奉 1 卡 靠著联警藏摸登b 串驳等效摸跫 圈7 常用介质损耗等效模型 窜联等效摸鍪静t 筘定义为：疆经有功毫援分量与容注茏功电垂分量之院( 有 效德) ： r ， 智占= 挚= c o c s 磁 ( 2 9 ) u c 两静等效模型实质上整筹价的，一般多采用并联等效模疆进行计算。 辔占的数字化算威从总体上可以分为直接