CN101493485A

CN101493485A - 电容性设备介质损耗角在线监测系统

Info

Publication number: CN101493485A
Application number: CNA2009100214546A
Authority: CN
Inventors: 黄新波; 章云; 刘伟; 张清玉
Original assignee: JIYUAN ELECTRIC GROUP CO Ltd ZHEJIANG
Current assignee: Juyuan intelligent electric (Zhejiang) Co., Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: CN101493485B

Abstract

本发明涉及一种输变电设备的监测系统，特别涉及电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：它至少包括微处理器、泄漏电流信号采集模块、GPS同步模块，无线通信模块、A/D采样单元、测频采样单元；它在结构上采用集中管理的方式，应用无线数据传输技术和Internet网络技术，实现了分层分布式结构；根据功能的要求本发明将系统分监测层、控制层和信息层。生产厂家和运行管理部门(客户端)只需要安装浏览器软件就可以对系统进行异地访问，从而方便地实现了远程维护和远程监测。

Description

电容性设备介质损耗角在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种输变电设备的监测系统，特别涉及电容性设备介质损耗角在线监测系统。

背景技术

电容性设备是重要的输变电设备，主要包括电流互感器(TA)、套管、耦合电容器、电容式电压互感器(CVT)等，数量约占变电站设备总量的40％～50％，在变电站中占有重要地位。其绝缘故障不仅影响整个变电站的安全运行，同时还危及其它设备及人身的安全。目前，我国输变电设备的维护工作主要是按照《电气设备预防性试验规程》的要求定期进行预防性试验，即定期维修(Time Based Maintenance)。虽然在早期它对提高设备的可靠性起到了一定的作用，但存在试验周期长、劳动强度大、试验有效性差和影响供电可靠性等问题，特别是停电试验所加的电压远远低于设备的正常使用电压，对一些潜伏性的故障不能及时有效的发现。因此，状态维修(ConditionBased Maintenance)逐步代替定期维修是电力系统设备维修发展的必然趋势。这也是设备检修部门以消缺为主要工作的被动检修向以定期大修、改造为主的主动检修过渡，进而实现以有针对性的日常维修为主的预防性检测。而实现电容性设备状态维修的前提条件是其绝缘在线监测(状态监测)与故障诊断技术的应用。但早期已实际投运的系统大多采用分散式结构，运行效果并不理想，反映出来的问题主要有：

1)现场需铺设大量的电缆，施工量大，造成维护、扩展不便；

2)采用有线传输模式，信号传输距离过长，模拟信号会有一定程度的衰减且无法避免现场中的各种电磁干扰，另外，有线传输的模式也给异地信号的采集和传输带来了不可逾越的瓶颈；

3)在测量工频信号的相位差时需要对异地(不同地点)不同设备间检测的工频信号进行同步采集，因而对于异地的采集设备需要精准的同步信号，传统的做法为构建一个有线的通讯网络，例如采用485总线，由上位机发出数据采集指令，然后各监测分机收到采集指令后同步开始数据采集，该方法同步性差，本身就很小的相位差将会淹没在同步误差之中。

4)监测装置的开发水平较低。对于监测容性设备，电流传感器起着关键作用，传感器的源信号和输出信号间存在一定的相位差，其性能直接影响容性设备介质损耗的测量精度和可靠性，为保证电气设备和信号的取样安全，一般选用穿芯结构，且电气设备如CT，CVT，OY，TB等的泄漏电流很小(均在mA级)，故传统的无源传感器无法保证相位变换误差的精确度和稳定性，且易失效，故难以满足绝缘在线测量介质损耗的要求。另外，传统监测装置的抗电磁干扰与环境影响能力差，上位机软件的数据处理功能也不完全；

5)介损测量结果稳定性、重复性差，其原因不明，影响了分析的准确性；

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，无法区分测量结果正常的波动和故障情况下的波动，很难做出准确的绝缘状态在线诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种介损测量稳定性好，重复性、精度高、可靠性高，维护方便的电容性设备介质损耗角在线监测系统。

本发明的目的是这样实现的，电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征至少包括：

微处理器

用于通过UARTa的数据帧获得GPS的同步信息(1PPS)，以5秒的整数倍使能控制逻辑模块，当GPS的同步沿触发采集时序时，完成数据采集；将采集好的数据存放在FPGA中的RAM中，并将采集的数据经UARTb传送给GPRS模块，通过无线网络传送到数据中心；

泄漏电流信号采集模块

选用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器；检测100μA-700mA的工频电流；

GPS同步模块

用于产生同步误差小于1us同步信号，为微处理器提供基准时间和同步秒脉冲1PPS；

无线通信模块

采用GPRS模块直接与监控终端设备连接，用于按ETSI GSM Phase 2+标准进行拨号上网、透明数据传输与协议转换；

A/D采样单元

用于在GPS同步模块产生的同步信号同步下，完成整数倍信号采样和对工频信号进行频率测量，并把采样数据实时存入FPGA内部的高速RAM中；

测频采样单元

采用EP1C6Q240C8实现对工频电压频率的测量和A/D转换芯片ADS8505的实时采样控制，完成数据的缓冲、处理、传输。

所述的微处理器选用Altera嵌入式处理器EP1C6Q240C8，当GPS的同步沿构成的采集时序触发EP1C6Q240C8时，EP1C6Q240C8完成对500点数据采集；采集好的数据存放在FPGA中的RAM中，控制逻辑会以高电平(high level)指示数据准备好(ready)，MCU可依次读回RAM中的数据；采集的500点数据经UARTb传送给GPRS模块，通过无线网络传送到数据中心。

所述的测频采样单元用于完成数据的缓冲、处理、传输，电流传感器输出的正弦电压信号经外部模拟电路整形后的方波输入，其频率等于电网信号频率，clk为FPGA的全局时钟，measure_en为测频使能端，在需要测频时令measure_en为高，通过计数器模块hmfreq对其频率进行计数，计数值将会输出给微处理器进行计算，然后转换成相应的频率。

微处理器接受到上位机发送到GPRS上的采集命令后，若为定时采集命令则需读GPS的时间，当读到设定的时间后使能A/D采样控制模块，若为实时采集命令则不需等待GPS的时间。

A/D采样控制模块在sample_enable置高后开始等待GPS的同步秒脉冲1PPS，作为对一个周期的工频信号开始采样的触发标志，采集模块随即根据微处理器给定的采样速率samplerate_divdata对电网信号进行500点采样，采样速率＝信号频率的计数值/500，每次采集过程对应工频信号的一个周期，每个采样值占据2个字节，采样控制模块将500个采样值都存储在ad_data_ram的内部SRAM里，并在第500个点采样完毕后给微处理器发出一个采样完毕信号，同时依次输出存储在内部SRAM中的500个点的采样值。

微处理器完成数据采集使用相对比较法进行故障判断，以此消除了因使用电压互感器而造成的测量误差。

所述的相对比较法是选择一组电容性设备做参考标准，设经穿心式电流互感器分别从参考设备及被测式品末屏提取的电流信号为I₁(t)、I₂(t)，两信号经整形放大、方波化后，采用高速脉冲计数器，直接测量周期为T的两信号由负变正过零点的时差Δt，如果计数器的计数周期为Ts，计算脉冲数为n，则Δt＝nTs，从而得出相对介损角的值：

Δδ = \frac{2 πn T_{S}}{T}

所述的微处理器有一个实时采集处理程序，处理程序流程依次包括参数设置、测频、GPS定时接收、A/D测样、数据通过无线通信模块发送。

本发明的优点是：它在结构上采用集中管理的方式，应用无线数据传输技术和Internet网络技术，实现了分层分布式结构。根据功能的要求本发明将系统分为三层：监测层、控制层和信息层。在监测层，实现了分布式多点采集系统，其中SU为信号采集单元(由相应的传感器(提取温、湿度信息)以及穿芯小电流传感器构成)，该单元完成对众多检测信号的综合提取；IPU为智能处理单元(由数据中央处理单元、A/D采样模块、GPS模块、GPRS无线通讯模块以及电源模块构成)，IPU负责将SU获得的模拟信号转换为数字信号，可现场就地完成信号的预处理、数字化和通讯传输，并通过GPRS与控制层的监测主机进行通讯，SU与IPU综合表现为变电站的现场监测设备(监测分机)。在控制层，监测主机通过GPRS网络来控制现场采样单元，并完成数据的读取，再通过以太网将数据上传至信息层的数据服务器，其具体表现为设在各网、省、公司监控中心的监控主机。在信息层，采用了浏览器、Web服务器和数据服务器三层模型的B/S(Browser/Server)模式实现远程服务，并设置防火墙/代理服务器来保证Internet/Intranet交互的安全性，信息层的实体表现为B/S客户端。生产厂家和运行管理部门(客户端)只需要安装浏览器软件就可以对系统进行异地访问，从而方便地实现了远程维护和远程监测。

监测分机就地完成了模拟信号的处理，不需要远距离传输模拟信号，有效地避免了信号传输衰减，采用数字量传输抗电磁干扰能力强，提高了数据的可靠性。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特性：

1、采用相对比较测量法过滤测试过程中的各种干扰，并通过过零点时差法对信号进行处理，从而提高了设备的抗干扰能力，而且消除了因使用PT(电压互感器)而造成的测量误差；

2、系统根据功能的需要划分了层次，保持了各层的相对独立性，改善了系统的可靠性和运行效率；

3、首次采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本；系统既可连续安装又可离散安装；系统扩展非常灵活，能方便地挂接新的监测单元；

4、采用GPS技术进行监测分机同步采样，提高了介损角δ的测量精度；

5、采用B/S模式实现远程监控，客户端免维护，使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。

图1表示本发明的系统结构示意图；

图2表示本发明的信号测量、处理的原理图；

图3表示本发明的现场监测分机硬件原理框图；

图4表示本发明的系统自检与实时采集中断处理程序流程图；

图5表示本发明的系统主程序流程图；

图6表示本发明的泄漏电流信号的检测等效原理图。

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方案作详细叙述。

如图1所示，整个系统由监测层、控制层和信息层组成。其中监测层主要由监测分机来实现，包含信号采集单元(SU)和智能处理单元(IPU)两部分，SU完成对检测信号的现场提取，IPU则主要由数据中央处理单元、A/D采样模块、GPS模块、GPRS无线通讯模块以及电源模块构成，其中GPRS可完成与控制层的无线通讯；控制层的实体为监测主机，其通过GPRS网络来控制现场采样单元，并读取数据，再通过以太网将数据上传至信息层；信息层则采用B/S模式实现远程监控，实现系统分布的相对集中。

如图2所示，系统在信号测量方面使用相对比较法进行故障判断，以此消除了因使用PT(电压互感器)而造成的测量误差。相对比较法不须经电压互感器从母线引出电压信号作为参考信号，而是选择一组性能较好的电容性设备做参考标准(一般选新安装的设备)，设经穿心式电流互感器分别从参考设备及被测式品末屏提取的电流信号为I₁(t)、I₂(t)，如图2所示。两信号经整形放大、方波化后，采用高速脉冲计数器，直接测量周期为T的两信号由负变正过零点的时差Δt，如果计数器的计数周期为Ts，计算脉冲数为n，则Δt＝nTs，从而得出相对介损角的值：

Δδ = \frac{2 π {nT}_{S}}{T} .

如图3所示，现场监测分机主要完成末屏电流数据的采样逻辑控制、数据初步处理、电网频率测量、通信控制、液晶显示控制等任务。监测终端经电流传感器获得末屏电流信号，该信号通过程控放大器PGA204进行放大、UAF42U进行带通滤波后，输入至FPGA内测频逻辑中，计算出信号频率；智能处理单元与监控主机建立了完善的通信机制，自适应Internet/RS485等通信模式，实现多个监测终端与上位机的稳定通信；同时，智能处理单元也能控制液晶显示屏为用户提供友好交互界面，并实现手动自检、实时采样等操作。

微处理器具有完成手动自检和实时采集程序，手动自检和实时采集程序采用中断模式触发。如图4所示给出实时采集处理程序流程，流程依次包括参数设置、测频、GPS定时接收、A/D测样、数据通过无线通信模块发送。

在本发明中，系统采用可编程逻辑技术，以FPGA为主要的硬件载体，完成前端的工频频率检测和高速同步整数倍采样，以微处理器作为系统的控制核心，对系统的工作过程进行控制，并完成通讯功能。在硬件架构的基础上，拟定了采样率能够自动跟踪工频频率的采集方案。

监测终端设备的传感器模块获得电气设备状态模拟量，并将其分为两路，一路经过放大、补偿等处理后，送入FPGA内测频逻辑完成信号测频；另一路由高精度A/D转换器转换为数字量，送入FPGA中，经过NiosII数据处理单元处理，由通讯模块以Internet/RS485传输方式传输到主控室内的计算机工作站上。监测终端具备自检功能，在自检功能被启动时，信号选择模块切换至工频信号发生器，NiosII对此信号进行处理。各监测终端之间通过Motorola M12+GPS实现精确同步。

(1)微处理器

智能处理单元的工作都是在微处理器的控制下完成的，基于对微处理器芯片的较高要求，本发明选用Altera推出的NiosII系列嵌入式处理器EP1C6Q240C8，通过将处理器、外设、存储器和I/O接口集成到一个单一的FPGA中，从而降低了系统成本、复杂性和功耗。系统涉及到的数字逻辑都在FPGA内部实现，用选用的高性能微处理器(MCU)对系统流程进行控制。FPGA内部处理器NiosII实现对整个外围芯片的控制，主程序流程如图5所示。工作时，MCU通过UARTa的数据帧获得GPS的同步信息(1PPS)，在5秒的整数倍时，使能采集的控制逻辑模块，当GPS的同步沿(精度可达1μs)会触发采集时序，自动完成500点数据采集。采集好的数据存放在FPGA中的RAM中，控制逻辑会以高电平(high level)指示数据准备好(ready)，MCU可依次读回RAM中的数据。采集的500点数据经UARTb传送给GPRS模块，通过无线网络传送到数据中心。

(2)泄漏电流信号采集模块

泄漏电流信号的采集选用的是基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器。在变电站高压电气设备绝缘在线监测装置中，对于监测容性设备，电流传感器起着关键作用，其性能直接关系到容性设备介质损耗测量的精度和可靠性，因此为保证电气设备和信号的取样安全，传感器一般选用穿芯结构，而电气设备的泄漏电流又都在mA级，故传统的无源传感器因无法保证相位变换误差的精度和稳定性而难以满足介损测量的要求。因此采用有源零磁通技术是提高小电流检测精度的最好途径。BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器选用起始导磁率高，损耗小的坡莫合金做铁芯，采用了独特的深度负反馈技术，能够对铁芯全自动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。穿芯结构的设计更能保证设备的安全(孔径30毫米)，长期使用表明，该传感器能够准确检测100μA-700mA的工频电流。相位变换误差不大于0.01°，不需要任何校正及修改，所有设备一样，互换性极强，且具有极好温度特性和电磁场干扰能力，完全满足复杂的电站现场干扰下的设备取样的精确度。

穿心式电流互感器输入阻抗极低，可以认为是理想变压器，设参考设备和被式设备的接地线为变压器原边，互感器线圈为副边。电子电路的输入电阻为变压器的负载。

(3)GPS同步模块

GPS模块，选用的是摩托罗拉(Motorola)M12+Timing授时模块，M12+TimingOncore^TM接收器是一款具有12通道GPS授时模块，可同时跟踪12颗卫星，能产生高达纳秒级的同步授时。测量工频信号的相位差必须对异地采集设备中各电流传感器检测到的工频信号进行较为精准地同步采集，因而对采集设备的同步触发信号要求较高。本发明采用GPS卫星基于GMT(Greenwich Mean Time)格林尼治标准时间的全球同步授时信号以及GPS授时模块具有的自同步秒脉冲，可以产生精度较高的同步沿，同步误差小于1us，因此可采用GPS进行触发，完成数据采集，从而确保了采样时间的同步性，继而保证了测量的有效性和可靠性。

(4)无线通信模块

无线通信模块采用H7118 GPRS DTU，支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase2+标准，，数据终端永远在线，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道(选项)，持动态数据中心域名和IP地址)，支持RS-232/422/485或以太网接口，可通过Xmodem协议进行软件升级，并具备自诊断与告警输出，以及抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求，它采用先进电源技术，供电电源适应范围宽，提高设备的稳定性，选配防潮外壳，适合室外应用。可直接与监控终端设备连接，实现GPRS拨号上网功能。该模块性能稳定，足以满足系统设计需要。

(5)A/D采样单元

A/D采样芯片选用的是TI公司的ADS8505，该芯片是一款高性能SAR型A/D转换器。SAR型A/D转换器内部都采用CMOS工艺的电容矩阵方式，因此该芯片的功耗比较低，体积比较小。由于A/D内部通常具有采样保持器，它可以维持采样电压直到转换结束，且其转换速率很快。ADS8505具有16位分辨率，采样速率可以达到250KHz，并行16位数据输出，适合8位和16位数据总线，采用单5V电源供电，标准输入信号范围可以达到正负10V，整体功耗仅为70MW。

在本发明中，需要对A/D进行控制完成同步高速整数倍信号采样和对工频信号进行频率测量，这需要高速设备进行控制。对A/D器件进行采样控制，传统的方法多数是用CPU或单片机完成的，其优点是编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。例如MCS-51系列单片机最高时钟频率为12MHz，这样当A/D本身的采样速度比较快时，CPU或单片机的慢速工作时序将极大的限制A/D高速性能的利用。而FPGA的时钟频率可达100MHz以上，它可以非常灵活地控制A/D进行高速采样，并把采样数据实时存入FPGA内部的高速RAM中。

(6)滤波电路

滤波电路是低通滤波电路，信号采集电路采集到的信号经低通滤波处理，滤除其谐波成分，才能输入到ADC前端。

(7)测频采样单元如图6所示，

本发明中选用ALTERA公司的FPGA器件EP1C6Q240C8实现对工频电压频率的测量和A/D转换芯片ADS8505的实时采样控制，完成数据的缓冲、处理、传输等功能。在测频模块中，freq_in是电流传感器输出的正弦电压信号经外部模拟电路整形后的方波输入，其频率等于电网信号频率，clk为FPGA的全局时钟，measure_en为测频使能端，在需要测频(包括对系统自检信号的测频以及正常工作时对电流传感器输出信号的测频)时令measure_en为高，通过计数器模块hmfreq对其频率进行计数，计数值measure_value[31..0]将会输出给微处理器NiosII进行计算继而转换成相应的频率。例如：若FPGA使用的是20M的晶振，则其全局时钟clk周期为1/20us，而freq_in输入的是标准50Hz频率(周期为1/50s)的工频信号，则32位寄存器measure_value[31..0]的计数输出为1/50s÷1/20us＝40 0000，反之，通过measure_value的值当然也可同理换算出freq_in的频率，从而实现了测频。在A/D采样控制模块中，软核微处理器NiosII接受到上位机发送到GPRS上的采集命令后，若为定时采集命令则需读GPS的时间，当读到设定的时间后NiosII使能采集模块(sample_enable置高)，若为实时采集命令则无需等待GPS的既定时间便立即置高sample_enable。采集模块ad_data_ram在sample_enable置高后开始等待GPS的同步秒脉冲1PPS，作为对一个周期的工频信号开始采样的触发标志，采集模块随即根据微处理器给定的采样速率samplerate_divdata[12..0]对电网信号进行500点采样，采样速率＝信号频率的计数值/500，即measure_value/500，其代表的是一个工频周期内各相邻采样点的采样间隔。一个PPS对应一次采样过程，每次采集过程对应工频信号的一个周期，每个采样值占据2个字节，采样控制模块将500个采样值都存储在ad_data_ram的内部SRAM里，并在第500个点采样完毕后给微处理器发出一个采样完毕信号finished，同时依次从ram_datatest[15..0]输出存储在内部SRAM中的500个点的采样值。

(8)环境参数采集单元

环境参数的采集选用瑞士Sensirion公司SHTxx系列产品SHT11作为温湿度传感器，它是基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出他们强大的优势互补作用。为尽量减小环境温湿度对介损在线检测的影响，在采用相对比较法对处于同一母线下的相同设备进行相对测量法的同时可利用此传感器对环境进行相应的监测，并采用趋势分析法分析设备的介损值随环境温湿度的变化趋势。

Claims

1、电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：包括：

微处理器，

泄漏电流信号采集模块，

GPS同步模块，

无线通信模块，

A/D采样模块，

测频采样单元，

2、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述的微处理器选用Altera嵌入式处理器EP1C6Q240C8，当GPS的同步沿构成的采集时序触发EP1C6Q240C8时，EP1C6Q240C8完成对500点数据采集；采集好的数据存放在FPGA中的RAM中，控制逻辑会以高电平指示数据准备好，MCU可依次读回RAM中的数据；采集的500点数据经UARTb传送给GPRS模块，通过无线网络传送到数据中心。

3、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述的测频采样单元用于完成数据的缓冲、处理、传输，电流传感器输出的正弦电压信号经外部模拟电路整形后的方波输入，其频率等于电网信号频率，clk为FPGA的全局时钟，measure_en为测频使能端，在需要测频时令measure_en为高，通过计数器模块hmfreq对其频率进行计数，计数值将会输出给微处理器进行计算，然后转换成相应的频率。

4、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述微处理器接受到上位机发送到GPRS上的采集命令后，若为定时采集命令则需读GPS的时间，当读到设定的时间后使能A/D采样控制模块，若为实时采集命令则不需等待GPS的时间。

5、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述A/D采样控制模块在sample_enable置高后开始等待GPS的同步秒脉冲1PPS，作为对一个周期的工频信号开始采样的触发标志，采集模块随即根据微处理器给定的采样速率samplerate_divdata对电网信号进行500点采样，采样速率＝信号频率的计数值/500，每次采集过程对应工频信号的一个周期，每个采样值占据2个字节，采样控制模块将500个采样值都存储在ad_data_ram的内部SRAM里，并在第500个点采样完毕后给微处理器发出一个采样完毕信号，同时依次输出存储在内部SRAM中的500个点的采样值。

6、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述微处理器完成数据采集使用相对比较法进行故障判断，以此消除了因使用电压互感器而造成的测量误差。

7、根据权利要求6所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述的相对比较法是选择一组电容性设备做参考标准，设经穿心式电流互感器分别从参考设备及被测式品末屏提取的电流信号为I₁(t)、I₂(t)，两信号经整形放大、方波化后，采用高速脉冲计数器，直接测量周期为T的两信号由负变正过零点的时差Δt，如果计数器的计数周期为Ts，计算脉冲数为n，则Δt＝nTs，从而得出相对介损角的值：

Δδ = \frac{2 πn T_{S}}{T} .

8、根据权利要求1所述的电容性设备介质损耗角在线监测系统，其特征是：所述的微处理器有一个实时采集处理程序，处理程序流程依次包括参数设置、测频、GPS定时接收、A/D测样、数据通过无线通信模块发送。