（电力电子与电力传动专业论文）高压容型设备介损在线监测研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 分布式介损在线监测系统，主要包括：l 、设计了以m s p 4 3 0 f 1 4 9 l 为 控制核心的下位机硬件电路，完成信号的采集、处理和上位机的通 信；2 、用v i s u a lc 和s q ls e r v e r 编写了系统软件，完成了协调和 控制监测系统硬件正常工作，实现各个部分之间的通信，实现了对 监测数据的有效管理，包括对监测数据的存取、多条件查询、打印 报表等功能。3 、选用r s 4 8 5 作为通信总线，并且制定了一套完整的 通信协议，包括数据帧结构，错误处理机制等。 由于介损在线监测系统的传感器、信号电缆及其硬件设备处于 变电站复杂的电磁环境中，因此采取了硬件和软件抗干扰相结合的 双重抗干扰措施。 最后，完成了实验室模拟试验，包括下位机介损测量仪自身精 度试验和监测系统低压模拟试验，结果证明本系统能够正确可靠的 工作，检测结果有效。 关键词：介损在线监测，数字信号处理，提升小波，相关分析，监 控系统 l i 北京交通大学硕士学位论文 s t u d yo fo n u n em e a s u r e m e n to f d i e l e c t r i cl o s sf o rh i g hv o l t a g e c a p l a c i ，n v ee q u i p m e n t a b s t r a ( 了r w i t ht l l ed c v e l 叩m e n to fe l e c t r i c a le n 舀n e e 血g ，t h ed e m a n do nt h es e i c e r e l i a b i l i t yo fp 0 忙rs y s t 锄sh a sb e e nf l l n h e re l l l l 强g c e d n et r a d j t j o n a lp e r i o d i c a l m 8 i n t e n 柚c ec a nn o tm e e tt h en e e do fs e c l l r eo p e r a t i o no f h i g hv o l t a g ee q u j p m e n t s f o rp o w e rt r 锄s i m i s s i 卸dt r 锄s f o 舢a t i o n t h e r c 】f o r e ，i ti sa l li n e x o r a b l et r c n dt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lp e r i o d i c a lm a i n t e n a l l c ew i n lc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e s t e pb ys t e p n eo n - l i n ei i l s u l a t i o nm i t o i i n gt c 贮l l l l j q u eh a sb e e np a i dm u c h a t t e n t i o n h i g l lv o l t a g cc a p a c i t j v ee q u i p m e n tp o s s e s s e si m p o n 卸tp o s m o ni n s u b s t a t i o n ，a n dt h ed i e l e c t r i c l o s st 卸g e n t ( t a n6 ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt o r e n e c tt h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o no fp o w e r e q u i p m e n t 1 1 1 e r e f o r c ，s t l l d y i n gt h eo n l i n e t a l l6m o n i t 嘶n gm e t h o d o l o g yh a s p f a c t i c a lv a l u e s b e c 肌伽16 i s s m a l l ，s ot h ea c c u r a c yo fs j 印a l si sv e r yj m p o r t a l l t c o s i d e 面gt h ed i f f i c u n i e sd u r i n gd e v e l o p i n gt l l i st e c h n i q u el o c a l 锄do v e r s e a s ， s u c ha st h ee x c u r s i o no ft h ef i i n d 锄e n l a lw a v eo fp o w e rs y s t e m ，t h ee x i s t e n c eo f t h eh 锄o n i c sa n dt h ec l c c t r o m a 朗e t j ci l l t e 彘r e n c c ，t h i sd i s s e n a t i o ni sb 嬲c do r e m o v i n gt h ed i s t u r b 鲫c e 卸di m p r o v i n gt h ea c c u m c yo ft a n6 t h i sd i 鹃e n a t i o n u s e st h es i 印a lp r o c e s s i n gm e t l l o dw h i c hu s i n gt l l el i f t i n gw a v e l e tt oe l i m i n a t e st h e d i s t u r b e d i s e ，u s i l l gt l i ec o r f e l a t i o n 柚a l y s i st oc a l c l l l a t ct a n6 ，t h 锄u s i l l g5 3 h a r i t h m e t j ct or c m o v e 州l ds p o t s 1 1 l ef c a s j b i l i t y 锄da d 叩t a b i l i t yo ft l l i sm e t h o di s c o n f i 珊e dt l l 枷g i ls i 舢l a t i o n sa n de x p c 咖啪t s c o m p a r i n g w i t ht h ef f r i 北京交通大学硕士学位论文 a l g o r i t h m ，w i t l it l i i sm e t h o dt h es p e c t n l ml e a k a g ec a nb ea v o i d e da i l da s s u r ct h e b e t t e ra c c u r a c yi nc e n a i nf r e q u e n c yr 锄g e b a s e do nt h es t u d yo ft h es j g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t h i sd i s s e n a t i o na l s o s t u d i e st h ed i s 埘b u t e do n l i n em e a s u r c m e n to fd i e l c c t r i c1 0 s sb a s e do nm o n i t o r i n g s y s t e m ，i n d u d i n g ：1 d e s i g nt h es l a v eh a t d w a r cc o n t f o l l c db ym s p 4 3 0 f 1 4 9 1 ，t o c o m p l e tt h es j 印a ls 砌p l i n g ，p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i 2 p r o 掣锄t h e s y s t e ms o f m a r eu s j n gv j s u a lc 弗卸ds q ls e n ，e r ，t oc o o r d i n a t e 卸dc o n t m l t h e h a 州a r em a i 【i n gi tw o r kw e l l ，t om a l 【et h ee a c hp a nc o m m u n i c a t e ，t om 柚a g et h e d a t ai n c l u d i n gm a n yf i l n c t i o n ，s u c ha ss a v i n gd a t a ，s e a r c h i n gd a t ab ym u l t i 一 n d i t i 咖sa i l dp r i n t t h er e p o r t s 3 u s er s 4 8 5 弱咖m 岫i c a t j o nb u s ，a n dt h e 咖m u n i c a t i o np 】吲【o c o l sa r ci n s t i t u 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，涨l a t i o na n a l y s i s ，m o n i t o r i n gs y s t e m 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 开展高压电容型设备绝缘在线监测的意义 电力系统中，高压电容型电气设备是指某些绝缘结构可视为一组串联电容 的设备，包括高压电容套管、电流互感器( c t ) 、电容式电压互感器( c v t ) 及耦合电容器( 0 y ) 等，数量约占变电站设备总台数的4 0 5 0 。电容型设 备在变电站中具有重要的地位，它们的绝缘状态是否良好直接关系到整个变电 站能否安全运行，因而对其绝缘状况进行监测具有重大的意义。 在现实中，由于电力设备故障造成的直接损失是巨大的，而由供电中断造 成的间接损失更是无法估量的。因此要保证电力设备的可靠运行就必须建立一 定的可靠性评价体系，根据评价结果对电力设备的运行可靠性做出判断，及早 发现故障隐患，杜绝重大事故的发生。 传统的对电力设备绝缘可靠性的评价是通过预防性试验来完成的，即每隔 一定的时间将正在运行的电力设备退出运行，对其进行离线试验，然后根据试 验的结果对电力设备的可靠性做出判断，并周期性地予以预防性维修。这一传 统方法己取得了许多经验，在发现设备缺陷、预防事故方面取得了很好的作用。 但预防性试验是离线进行的，还存在一些不足之处： ( 1 ) 需停电进行试验。目前我国电力供应还比较紧张，实施计划停电，会给生 产带来一定的影响。在某些情况下，当由于系统运行的要求设备无法停运时， 往往造成漏试或超周期试验，这就难以及时诊断出绝缘缺陷。 ( 2 ) 停电后设备状态( 如作用电压、温度等) 和运行中状态不一致，测试结果有 时不能反映真实情况，影响判断准确性。 ( 3 ) 由于是周期性定期检查，而不是连续地随时监测，绝缘故障仍可能在两次 北京交通大学硕士学位论文 试验间隔期内发生。 ( 4 ) 由于是定期检查和维修，即使设备状态良好时，按计划也需进行试验和维 修，造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成对设备的损坏，即过 度维修。 ( 5 ) 试验电压低，试验结果的有效性值得研究。对于传统的预试方法，试验电 压一般在1 0 k v 及以下，由于试验电压低，不易发现缺陷，所以曾多次发生预防 性试验合格后的设备出现烧坏、爆炸情况。 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。在这期问，绝缘会发出反映绝缘状态变化的各种物理 化学信息。借助实时监测高压设备绝缘参数的在线监测系统，就能及早地发现 这种缺陷，及时地发出警报，从而为管理人员决策提供有力的依据。 电力设备在线监测技术对电力工业的发展具有重大意义，归纳起来主要 有： ( 1 ) 能够及时反映电力设备绝缘状况，从而发现电力设备运行中的缺陷，提高 整个电力系统供电的可靠性。 ( 2 ) 减少设备停电维护和维修的盲目性，减小维护和维修的费用，降低了供电 成本，提高电力系统经济效益。 ( 3 ) 在线监测设备接线状态固定，避免了大量停电操作和高空拆装引线、临时 布置试验场地等带来的不安全因数，避免了繁重劳动，减少了试验现场人员， 提高了工作效率，增加了人身安全性。 采用高可靠性的电气设备在线监测系统，运行部门可以适当延长预防性试 验的周期，重点跟踪部分绝缘参数发生变化的设备，实现状态检修，这无疑有 助于提高电力系统的工作效率，降低运行成本。因此，高效可靠的在线监测系 统能够成为目前预防性试验有益的补充，随着技术的不断发展、成熟，它将逐 步取代预防性试验。 2 北京交通大学硕士学位论文 1 2 国内外绝缘在线监测发展的现状及其存在的问题 电容型设备绝缘在线监测是电力系统中开展较早的项目之一，国外在这方 面的研究始于六十年代初期，但直到7 0 一8 0 年代，随着传感、计算机、光纤等 高新技术的发展与引用，绝缘在线监测技术才真正得到迅速发展。美国、加拿 大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘 封闭组合电器( g i s ) 等的局部放电，电容型绝缘的介质损耗因数等特性，交链 聚乙烯电缆的泄漏电流等在线监测系统。 我国对在线监测技术的重要性也早有认识”1 ，早在6 0 年代就提出过不少带 电试验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。8 0 年代 以来，随着高新技术的发展与引用，我国的绝缘在线监测技术也得到了迅猛发 展门。 电容型设备绝缘在线监测方法是由离线测试方法演变而来的，如早期普遍 采用的带电测量t a n6 和电容的西林电桥法便沿用了传统停电测试中测量 t a n6 的q s l 型高压西林电桥的测量原理。但由于必须另配更高耐压的高压标 准电容器、并对原有电桥进行改造等原因，难以在现场推广。随着研究的进一 步深入，电容型设备绝缘在线监测技术已发展到了一个新的水平。目前，电容 型设备t a n6 的在线监测方法基本上采取图1 1 的原理，所不同的是如何获取数 字化测量信号即采用何种信号处理方法，由于对这些数字信号处理和分析等方 面的不同而形成了两大分支：一是主要靠“硬件”实现的检测方法，以过零点 的相位比较法( 也称脉冲计数法) 、电压比较器法等为代表。“1 ，此外还有一 些其它方法，如改进的西林电桥法。1 等；二是主要靠“软件”实现的检测方法， 其典型代表是谐波分析法“o 。 北京交通大学硬士学位论文 l l t ：| 商 ? 图1 1 t a n 6 在线监测的原理图 f i g l l r e1 1p 血c i p l e o f 砌i n e m a 叫瑚瑚t o f t a n6 由于实施绝缘在线监测具有一定的技术难度，无论是国内还是国外，除个 别项目以外，大都还不很成熟，仍处于研究发展阶段，尚存在许多技术问题有 待进一步解决。 ( 1 ) 测试精度及其稳定性校验是在线监测系统面临的一个重要技术问题。 由于现场情况的复杂性，使监测的准确度无法进行校准，更难以与停电时结果 进行对比。 ( 2 ) 传感器的特性是在线监测的关键之一。现在用量最大的传感器是罗 可夫斯基线圈，为了追求对小信号的灵敏度大多采用软磁芯，其磁性易受外界 条件( 如温度、压力、冲击等) 的影响，甚至被测信号的大小不同也会影响传 感器自身的角差。 ( 3 ) 基准电压的特性将影响监测结果的分析。目前抽取基准电压的方法 大多是从p t 的二次侧抽取，实践证明，其误差较大，同时也增加了现场安装 的复杂性。 ( 4 ) 由于在线监测的实时连续性，干扰问题一直是影响在线监测系统安 全可靠运行的重要因素。而且变电站处于复杂的电磁干扰环境中，使微弱信号 的监测难度增加。 ( 5 ) 在线监测会得到大量数据，这些数据的存储、处理和识别需要一个 完整的管理和诊断系统的支持，这个系统设计的成败将会直接影响在线监测的 效果。 4 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 缺乏行之有效的诊断理论与方法，仅提供数据，信息丰富，而知识 贫乏，不能建立各种监测信息之间的关联关系，无法解释测量结果正常的波动， 很难做出准确的绝缘状态在线诊断。 ( 7 ) 信号处理算法不够完善。比如目前常用的谐波分析方法，当系统频 率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，因而出现频谱泄漏效应和栅栏效 应。 1 3 绝缘在线监测技术的发展趋势 电容型设备绝缘在线监测技术目前的技术水平还不够理想，但出于客观需 要，绝缘在线监测技术还将不断发展完善。今后该技术的发展趋势为： ( 1 ) 不断提高绝缘在线监测系统的灵敏度、准确度和可靠性； ( 2 ) 对电气设备进行多功能的综合监测和诊断，即能同时反映设备绝缘状况 的多个特征参数； ( 3 ) 加强基础理论研究，通过大量实验来分析各种影响因素( 如温度、湿度、 谐波等) 对试品介质损耗的影响，从机理上来解释试品特征参数变化的原应。 ( 4 ) 大量积累运行经验，尽可能地收集在线信息，从中寻找新的适合于在线 处理的故障征兆与诊断判据，为更全面、准确地进行故障诊断创造条件。 ( 5 ) 在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立完 整的故障诊断专家系统，真正实现绝缘诊断的自动化。 1 4 本文研究的主要内容 1 本文以高压电容型设备为研究对象，研究介损在线监测方法及监测系统的 基本原理。 2 分析传统信号处理方法及存在的问题，研究提升小波变换理论。 5 北京交通大学硕士学位论文 3 针对电容型设备介质损耗因数测量精度要求高，传统f f t 算法无法满足监测 精度的情况，研究提升小波变换、相关分析理论和5 3 h 算法在介损在线监测 工程中的应用方法。 4 完成绝缘在线监侧系统的硬件选配和设计，使用c ，v i s u a lc # ，s 0 l 完成系 统软件设计，包括通信协议、数据的存取、多条件查询、打印报表等功能。 5 在实验室搭建低压模拟试验线路，验证基于微机监控的介损在线监测系统 的可行性： 6 北京交通大学硕士学位论文 第二章介质损耗在线监测的原理与监测方法 2 1 介质损耗测量的基本原理“r 1 4 1 高压电容型设备的绝缘结构常常由几种电介质组合而成，电介质的性能影 响到高压电气设备的绝缘工作状态，以及绝缘故障诊断。任何电介质在电压作 用下都会有能量损耗，一种是由电导引起的所谓电导损耗；另一种是由某种极 化引起的所谓极化损耗。电介质的能量损耗简称为介质损耗。 在交流电压下，除了电导损耗外，还存在由于周期性反复进行的极化而引 起的不可忽略的极化损耗。介质的能量损耗最终是引起介质的发热，只使温度 升高，温度升高又使介质的电导增大，泄漏电流增加，损耗进一步增大，如此 形成恶性循环。长期的高温作用会加速绝缘的老化过程，直至损坏绝缘。因此， 介质损耗的大小是衡量电容型设备绝缘水平的一项重要指标。 介质损耗角正切值( 又称介质损耗因数) t a i i6 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电特性，而与介质的尺寸无关，以往的 经验证明，对于体积较小的电容型设备，测量其整体绝缘介质损耗因数t 卸6 可较灵敏的发现设备中发展性的局部缺陷、设备绝缘整体受潮和劣化变质等， 因而测量t a i i6 对于判断电容型设备的绝缘状况十分重要。 电介质的一般等值电路如图2 1 ( a ) 所示，在电介质两端旌加交流电压舀 时，等值电路中各电流矢量如图2 1 ( b ) 所示。 北京交通大学硕士学位论文 l d l i r 孙 j # ! r ， k ， “。k ： 图2 1 电介质等值电路( a ) 和矢量图( b ) f i g i i 他2 1e q u a lc i r c u i to fd i d e c l r i c ( a ) 卸dv e c l o rd j a f 锄o ) 根据图2 1 ( b ) ，按电压矢量合成，可做出r s _ g 串联等值电路；或将电 流，。：分解为纯容性电流j 。和纯阻性电流j 。，于是可作为电介质的r p c p 并联等值电路，如图2 2 所示。 鹾驴野乏1 迓。 ( a ) r 5 _ c 串联等值电路及矢量图( b ) r 广屯p 并联等值电路及矢量图 图2 2 合成后的电介质等值电路和矢量图 f i g i l r e2 2e q u a ic i r c u j lo f s y n t h e s i 嚣dd i e l e c t r i c ( a ) 柚dv e c l o fd i a 廖枷( ” 对r 厂- c p 并联等值电路，从矢量图可知：。 t a n 6 ；生：! 一 ( 2 1 ) i c 征p r p p ；u 。k ；砸p u 2 t 孤6( 2 2 ) 式中，6 为功率因数角妒的余角，称为介质损失角；t a n6 为介质损失角正切 值，又称介质损耗因数，简称因数；为电源角频率。 电介质的损耗主要是电导引起的，常用并联等值电路表示；若主要由极化 及连接导线的电阻引起的，常用串联等值电路表示。对同一电介质，两种等值 电路计算的电介质损耗应相等，即：两种矢量图的电介质损失角应相等。 在设备绝缘良好的情况下其t 她6 的数值一般很小( 1 0 4 1 0 1 ) ，工程计算 8 t 皇l 弓 北京交通大学硕士学位论文 中可以认为1 + t a n 2 6 1 ，则e c p ，月，一邱t a n 2 6 ，这时两种等值电路中 的有功损耗表达式相同，即： p = u 2 n ，c t a n 6( 2 3 ) 式中，c 为电介质的等值电容。 所以，电介质的介质损失角正切值t a n6 也可表示为： t a l l 6 ；毒) _ ：! ( 2 4 ) u2 q 式中，o 为电介质产生的无功功率。 由此可见，电介质损耗与外施电压的平方、电源频率、电介质的等值电容 c 和介损因数t a n6 成正比。当施加电压、频率一定时，电介质损耗仅与电 介质的等值电容和介损因数成正比。对一定结构及形式的电介质，等值电容是 一定值，因此，t a n6 就可完全反映电介质损耗情况。 2 2 介质损耗在线监测的影响因数及现有的解决方法 2 2 1 设备t a n6 在线数据的影响因素 介损测量即提取施加于试品上的电压信号和流过试品外绝缘的电流信号， 计算两信号基波分量相位差。变电站中存在强烈而又复杂的背景噪声，信号受 扰严重：同时，试品的外绝缘可视为非线形负载，造成流过试品外绝缘的电流 中出现高次谐波分量。 固有角差的影响：正弦电流、电压信号需经传感器才能送至下位机进行处 理，因结构、元件特性差异，传感器中会有固有角差，即输入信号和输出信号 之间出现了微小角差。固有角差虽可由软件消除，但其值分散性须较小，否则 影响测量的稳定性。 环境温度、湿度对介损监测结果的影响：由于环境温、湿度每天都有周期 9 北京交通大学硕士学位论文 性变化，而绝缘材料的介损与其本身的温度有关，环境湿度则通过改变设备瓷 套表面电场分布影响介损测量结果。 现场各种干扰的影响：在线监测过程中，干扰信号有多种，来源和途径也 各不相同，如通过线路直接流入电力设备的电晕信号，相邻设备、母线等的电 场干扰，其他电力设备内部的局部放电信号，硅蹩流信号，电力系统内部的高 频保护和载波通信信号，以及系统外的广播通讯信号。其中影响电容型设备绝 缘在线监测的干扰主要是周期性信号，特别是电网运行电压中的高次谐波分量 其次是随机出现的一些脉冲干扰信号。 介损在线监测装置通常安装在电磁环境恶劣的发、变电运行现场，尽管绝 缘在线监测系统在硬件设计时都要考虑采取一定的抗干扰措施，但是由于传感 器和信号电缆都无法避免地处于高压母线及一次设备强大的电磁场的干扰之 下，使得无论如何设法在硬件上提高整套设备的电磁兼容性能，依然会在采样 信号中存在着大量的高频干扰和脉冲干扰。在这种现实情况下，采取切实有效 采样数据预处理算法，尽可能的消除脉冲干扰、高频干扰和由于采样元件引起 的粗大误差对绝缘在线监测系统精度的影响具有十分重要的意义。 2 2 2 目前最常用的算法 目前绝缘在线监测系统信号处理算法有许多种，常用的有： 1 、文献 1 5 、1 6 采用最小二乘法拟合信号，使实际信号与拟合信号的误 差平方和为最小，可以计算出信号的参数，从而得到介损值，该方法对频率波 动不敏感，但受谐波和零漂的影响： 2 、文献 1 7 对在线监测采样数据进行预处理的算法是直接应用加权滑动 平均值公式，该算法不能很好满足绝缘在线监测系统高精度参数检测的要求； 3 、文献 1 8 提出的中值滤波算法对脉冲干扰、高频干扰和由于采样元件 引起的粗大误差有较好的效果，但文献 1 9 指出该算法对去掉脉动性质的干扰 1 0 北京交通大学硕士学位论文 比较有效，但是对快速变化过程的参数则不宜采用； 4 、文献 2 、2 0 中提出把谐波分析的思想用于设备绝缘在线监测中，可使 其监测结果不受电源高次谐波和零漂的影响，采用快速傅立叶变换( f f t ) 计 算数度快、计算量小，其根据谐波分析得到i 和u 的正弦波形参数，进一步求得 中，继而求得6 和t a n6 ： 谐波分析法的原理基于傅立叶( f 0 u r i e r ) 变换，由于三角函数的正交性， 求解的基波分量不受高次谐波的影响，也不受采样装置中电子电路零漂的影 响，因而可以达到较高的稳定性和测量精度。当系统运行在稳定状态时，测量 结果准确可靠，但当电网频率波动时，难以满足整周期采样的要求，会产生泄 露误差，必须采用插值或开窗的方法改进算法。此外，若现场中电磁干扰严重， 使得信号趋于非平稳，傅立叶变换由于时域完全无局部性，易造成较大的误差。 提高采样频率、增加采样点数能够在一定程度上降低误差，但也带来了计算量 大、经济性等方面的问题 5 、文献 2 1 提出的小波变换和相关分析相结合的方法，是一种较新的信 号处理方法，大大提高了测量精度。由于谐波分析法有较好的抗干扰性和稳定 性，在国内外己被广泛采用，成为目前较为理想的一种检测手段。 2 2 3 算法存在的问题及现有的解决方案 在采用谐波分析法进行介质损耗因数的在线检测中，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，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泄漏现象，使计算的 频谱，尤其是相位有较大的误差，并影响最终的介损测量准确度。然而，在国 家标准的范围内电力系统频率是允许存在一定波动的( 5 0 士o 2 h z ) ，实际的电 网频率也正是如此。电力系统频率的波动使绝缘在线监测系统的采样频率无法 北京交通大学硕士学位论文 准确地保持为系统频率的整数倍，即被采样信号的频率不是采样信号频率分辨 率的整数倍，这种非整周期采样会造成栏栅效应和频谱泄漏现象”“，从而严重 影响测量结果。文献 2 3 在理论上详细分析了在信号中无谐波产生误差的条件 下，频率波动对介质损耗因数的影响：相角计算误差与频率偏移近似成线性关 系，频率偏移越大误差越大：相角的计算误差与信号初相角有关，即使同一频 率的信号，所得相角计算误差也会随初相角的不同而不同；电流和电压信号的 相角误差并不会因相减而消除，最终得到的介质损耗角还是存在误差。当系统 有谐波存在时将产生更大的误差。 表2 1 不同频率偏移下相角计算误差的最大差值 t a b l e2 1n 艟m a x e n o ro f p h a a n 羽ei nd i 疵mf l e q u e n c yd e v i a t i o n 表2 1 是文献 2 3 给出的系统无谐波条件下，通过频率偏移的数值计算得 到的不同频率偏移下相角误差计算的最大值。因为现在的高压套管、互感器的 t a n6 仅为千分之几，所以从这些估算值可以看出，因频率波动而引起的介质 损耗角测量误差很大，是绝缘在线监测系统精度要求难以接受的。 近年来，国内外研究人员针对这一问题提出的解决方法有：文献 2 4 提出 采用跟踪电力系统频率变化然后反馈调整采样频率的方法。这种方法在具体实 现上要依靠锁相环技术，较为复杂。文献 2 5 中分析了泄漏误差产生的原因， 并提出了修正理想采样频率的思想，并对原有方法进行了改进。通过仿真分析， 改进方法教原有谐波分析法测量精度显著提高，且计算简单、易于工程实际应 用。文献 2 6 提出了一种非同步采样条件下采用基波相位分离法的补偿算法， 即采用等时间间隔对电压、电流信号进行采样，同时对信号周期波动产生的误 差进行补偿。仿真和试验结果表明该算法在增加较少运算量的同时提高了介质 损耗角的测量精度。虽然这些方法都在一定程度上弥补了谐波分析法的缺陷， 】2 北京交通大学硕士学位论文 但效果仍然不是特别理想。 在对数字信号的消噪理论和相关的数学知识进行了学习和思考之后，本文 提出了采用提升小波变换和相关分析结合的方法对采样信号进行处理。 2 2 4 本文中信号的处理流程 根据介损在线测量的复杂性，以及前面提到的谐波分析法和其他几种常用 信号处理算法的不足，本文提出了采用提升小波、相关分析和5 3 h 算法相结合 的信号处理方法。算法流程如图2 3 所示： 橐嚣霉h 提黧波h 嚣爹h 燃h 结果校正采样信号r _ 1 消噪r 1 求t 6r 1 剔藤薪点r 叫结果校正 图2 3 基于小波变换和相关分析的算法流程图 f i g u n2 31 1 l en o w c h a no fa l g o 棚mb a s e do n w a v e l e tl r 柚s f o 埘柚dc o n l a t i o na n a i y s i s 先用提升小波变换对采样得到的电压和电流信号进行消噪处理，提取出 5 0 h z 附近的基波信号，然后用相关函数求出t a n6 值，再用5 3 h 算法剔除野点， 最后根据预设的参数对结果进行校正，补偿固有角差和环境影响。 2 3 基于微机监控系统的介质损耗在线监测方法 2 3 1 基本原理与功能 基于微机监控系统的介质损耗在线监测系统是指利用传感器、下位机介损 测量仪和计算机等，在设备的运行状态下，对其绝缘参数进行监测，从而判断 设备的绝缘状态。该系统总体结构如图2 4 所示，系统由位于中央控制室的主 控计算机( 上位机) 与分布在各个被监测设备的介损测量仪( 下位机) 组成的两 级分布式控制系统结构组成。级间通讯采用r s 一4 8 5 传输方式，将计算机管理， 数据通讯和自动控制技术结合成为一体，应用于介损在线监测系统。下位机完 北京交通大学硕士学位论文 成对设备介损因数t a n6 的测量，并接收中央控制室的控制命令，回送有关参 数：上位机负责对下位机的工作进行管理，完成实时数据收集、查询、维护、 打印报表、预警以及对下位机的工作状态及运行参数的设置等工作。该系统充 分利用了计算机的强有力的控制、运算、分析功能，对数据的采集进行控制， 对监测结果进行分析，进而实现了绝缘在线监测的自动化和智能化。 尉2 4 系统总体结构图 f i g l l r e2 4 n e0 v e r a l ls t m c t u md w 啦o f t h es y s t e m 该绝缘在线监测系统具有如下功能和特点： ( 1 ) 以“软”代“硬”，灵活性大。模拟信号送入监测装置后，所有后续 工作完全由单片机和计算机完成，因此，诸如测量功能的扩展，测量内容的更 新或修改等工作，只需修改软件即可实现，这样既方便又经济，具有最大限度 的灵活性。 ( 2 ) 采用提升小波进行信号去噪，不仅克服了谐波分析法在系统频率波动 时存在的频谱泄漏问题，而且具有速度快、不占用额外内存空问的特点，非常 适合在单片机上实现，从而大大提高了介损因数t 卸6 的测量精度。 ( 3 ) 可以存储历史数据，观察被监测设备数据的历史发展变化趋势和同类 设备的相对变化曲线，便于对被测设备进行“横向”和“纵向”比较1 。 ( 4 ) 为保证系统运行速度，采用s q l 数据库，对于编辑的数据和各个实验数 据存放在本地数据库中，而对完整的数据通过网络存放在数据库服务器中，以 1 4 北京交通大学硕士学位论文 保证数据的安全性。可以对监测数据进行组合查询，打印报表等功能，大大方 便了对数据的维护。 ( 5 ) 易于发展为智能化的监测和诊断系统。介损在线监测的最终目的是对 电气设备绝缘的性能进行诊断。由于该系统具有存储功能，便于对电气设备的 绝缘变化趋势进行监测，因此加入必要的判据之后，引入专家系统即可发展成 为智能型绝缘监测诊断系统。 2 3 2 系统总体结构 高压电气设备的种类多，数量多，一个变电站的介损在线监测系统要把被 测电气设备的介损值全部集中起来，会遇到信息量过大，不易进行有效的实时 监测和信息组织以及数据库的实施等问题。为了进行信息组织和使用的优化工 作，本文设计的监测系统采用主从式分布结构。按照所完成的工作不同，可分 为三部分： 1 、主控计算机( 上位机) 系统； 2 、介损测量仪( 下位机) 系统； 3 、通讯系统。 一、主控计算机系统功能 上位机程序采用v i s u a lc # n e t 语言和s q l 数据库设计完成。系统主要功能 为： a 、数据处理 对异常数据的处理，采用改进的5 3 h 算法”“，即先产生一个曲线 的平滑估计，然后将测量值与此估计值进行比较以识别异常点，该法可 以大大提高数据稳定性。通过设定不同的阀值，可以给出“注意”、“警 告”、“危险”等的提示。 b 、组合查询 北京交通大学硕士学位论文 系统可以对存放在数据库中的测量结果，提供多种查询方式，比 如按照采样时间、监测值范围等多种条件进行查询，方便操作人员的 管理和维护。 c 、报表功能 本系统克服了以前手工添置报表的工作方式，自动生成美观的报 表，极大提高操作人员的工作效率和工作质量，使得计量工作面目一 新。 d 、数据通讯 通过调用m s c o 册控件，按照事先规定的协议，通过r s 4 8 5 与下位机 进行通讯。并且实时监视下位机的工作情况，根据具体情况( 比如下 雨、打雷时) ，对下位机的工作参数进行修正，以满足精度要求。 二、介损测量仪结构与功能 下位机以m s p 4 3 0 f 1 4 9 1 单片机为核心，主要由信号采集电路和单片机控制 电路组成，完成对介损值的计算和上传操作，如图2 5 所示。 u 上位机 图2 5 下位机硬件结构图 f i g i l 2 5h a r d w a r es m l c l u 托d f a w i n g o fs l a v e 电路中采用的主控单片机为t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 1 例，它是一款高性能的1 6 位 单片机。图中t 为贯穿式电流传感器，用玻莫合金高导磁材料制成，对电场的 干扰采用金属屏蔽法，满足了测量精度的需要。电压信号从电压互感器的二次 测获得。电压、电流信号经过a d 采样后进入单片机进行处理，此时信号中混 合着高频谐波和大量噪声信号，需要采用合适的算法滤除谐波得到有用的基波 1 6 北京交通大学硕士学位论文 信号。最后把计算结果经过适当的修正通过r s 4 8 5 总线送给主机。 三、数据通信 下位机介损测量仪与主机之间通过r s 4 8 5 总线进行数据传输，采用主从结 构的通信方式，即总线上只有一个主机，多个从机，每个从机分配唯一的地址， 主机对下位机的操作只限于读和写。由于r s 一4 8 5 标准只对接口的电气特性做 出规定，因此需要建立自己的高层通信协议。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章提升小波理论基础 小波变换的思想可以追溯到1 9 1 0 年，当时h a r r 提出了小波规范正交基思想 之后许多学者都在这方面进行了一定的研究工作，为小波理论的发展奠定了基 础。然而直到八十年代才是小波热真正的开始。s t r o m b e r g 第一个发现了正交 的小波基函数，m e y e r 等人也构造了具有一定衰减性的正交小波基。继此之后， l a m a r i e 和b a t l l e 又分别给出了具有指数衰减特性的小波函数在1 9 8 9 年， m a l l a t m “3 统一了此前提出的各种具体小波函数的构造并给出了小波构造的 一般方法，研究了小波变换的离散化情况，提出了快速算法并将之用于图像的 分解与重构。从那以后，小波分析方法在各个领域得到了广泛的应用。但经典 小波分析源于f o u r i e r 分析，涉及到了函数空间等许多复杂而晦涩的数学理论 和较难的数值运算。为此，w s w e l d e n 和i d a u b e c h i e s 在保留经典小波变 换多分辨率思想的基础上，提出了基于提升法小波变换即二代小波变换。这种 新的算法是建立在空l 葡域基础上的理论体系与经典小波变换相比具有小波构 造简单、反变换容易实现、运算速度快和节省存储空间等优点。 3 2 第一代小波变换 3 2 1 连续小波变换 首先引入连续小波变换“，对于任何函数，工2 僻) ，有： 1 8 北京交通大学硕士学位论文 ，( 聊。盯：e ， ) 妒( 学 ( 3 1 ) 并记 m 小驴掣) ( 3 2 ) 其中口，6 趼，n o ，则( 3 1 ) 式可写为： 讳：，( 口，6 ) = ( 3 - 3 ) 如果函数妒o ) 的傅立叶变换庐 ) 满足下列容许性条件： c 。；正坩l ； ) 卜c o ( 3 4 ) 那么，由( 3 1 ) 式定义了r 僻) 到2 僻冠口2 如动) 的一个映射，( 3 1 ) 就 被称为连续小波变换( 或积分小波变换) ，函数庐称为基小波( 或允许小波) 。 随着i a 的减小，屯。( f ) 的频谱就向高频方向移动，而丸 ( f ) 的宽度则愈来愈小， 这就满足了信号频率高相应的窗口应该小，因而它在时间( 或空间) 域上的分辨 率亦高的要求。 一个函数厂工2 僻) 可以由它的小波变换重构： ，= 击正阮，( 口 6 ) k ，a 軎d 6 ( 3 - 5 ) 由于基本小波的选取有很大的灵活性，因此可根据不同的要求选择不同的基本 小波。由此看来，小波变换比f o u r i e r 变换更具有广泛的适用性。到目前为止， 人们已经构造了各种各样的小波基。常见的小波基有h a a r 正交小波基，m e y e r 正交小波基，墨西哥草帽小波基等。 当我们把a 取一些离散的值口，= 1 2 ，z ，而b 仍然取连续值时，如果对 于函数妒2 俾) ，存在两个正常数a 和b ，0 c 4 墨口c * 使 北京交通大学硕士学位论文 4 s 黔2 叫2 董b c s e ， 几乎处处成立，则函数庐工2 俾) 称为二进小波，而( 3 6 ) 式称为加于函数妒上 的稳定条件。 二进小波实际上是连续小波向离散小波的过渡。 3 2 2 离散小波变换 在连续小波变换( 3 1 ) 中，如果限制a 取正值，容许性条件( 3 4 ) 变为： c ，= f m 。p c 冲c + * c s ， 进一步，限制a 、b 均为离散值，选取口= 口孑，肼z ，口。，1 ( 小于1 也可) ，选取 6 ；n 6 。口；，n = z 。，的离散小波变换的定义为： 巳，。( ，) ；瓦丽，g 皿 ( 3 8 ) 其中 丸。( x ) = 口一”7 2 妒(