CN101526562A - 一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法 - Google Patents

一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法，其特征在于：它包括至少三路测试线路；测试电压及电流幅值和相位的所述测试线路包括一电压数据采集端，两个以上的电流数据采集端，所述电压数据采集端及所述电流数据采集端的输出端分别与一采集终端的输入端连接，各所述采集终端的输出端通过无线网络与一控制端相连接。本发明由于采用由无线传感器网络传输技术和GPS同步采集技术的分布式传感器网络构成的高精度的多路测试系统，因此提高了系统的测试效率。本发明可广泛应用于各种电力系统中的容性设备电容量、介损和避雷器阻性电流的带电测试。

Description

一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统中电气设备测试系统，特别是关于一种测试高压电气设备绝缘状况的分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法。
背景技术
为了掌握电力系统高压电气设备的绝缘状况，需要采用带电测试技术，周期性的对运行中带电的容性设备进行介损、电容量测量，以及对避雷器进行阻性电流等测量。目前对容性设备和避雷器的带电测试是与设备间电流相位进行比较，测量相对相位差，计算相对介损，采用有线集中的方式，通过测试电缆将电流信号接到同一台带电测试仪器进行比较测量。但是由于设备间的距离较远，测试需要接很长的测试电缆，这样会带来很多不良影响，一方面由于频繁接线，会使导线接头断开，造成被测容性设备末屏(即测试点)开路的危险，危及设备的安全运行；另一方面，会增加现场接线的工作量，而且导线的长度会引起测量的误差。同时测量的点数和范围也都受影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种高效率、测量误差小的分布式无线高压设备绝缘带电测试系统及测试方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：它包括至少三路测试线路；测试电压及电流幅值和相位的所述测试线路包括一电压数据采集端，两个以上的电流数据采集端，所述电压数据采集端及所述电流数据采集端的输出端分别与一采集终端的输入端连接，各所述采集终端的输出端通过无线网络与一控制端相连接。
所述电压数据采集端包括一电压互感器，一测试接线箱和一电流传感器；被测设备上的高压信号经所述电压互感器输出为低压信号，所述低压信号经一电阻与所述测试接线箱的输入端连接，所述测试接线箱中含有所述电流传感器，所述测试接线箱的输出端与对应的所述采集终端的输入端连接。
所述电流数据采集端包括一被测容性设备，另一测试接线箱和另一电流传感器；所述被测容性设备的输出端与所述另一测试接线箱的输入端连接，所述另一测试接线箱中也含有所述另一电流传感器，所述另一测试接线箱的输出端与对应的所述采集终端的输入端连接。
所述采集终端包括一放大器，一模数转换器，一时钟，一PP秒脉冲，一微处理器，一无线收发装置和一充电电池；所述放大器的输入端与对应线路的所述测试接线箱的输出端相连接，所述放大器的输出端作为一路输入信号与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的另一路输入信号与所述时钟的输出端连接，所述时钟的输入端与所述PP秒脉冲的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端通过无线网络与所述无线收发装置连接，并且各测试线路的所述采集终端均自带所述充电电池。
所述控制端包括一无线收发装置，一控制主机和一GPS接收器；所述无线收发装置通过无线网络与前级所述采集终端的所述无线收发装置相连接，所述控制端的无线收发装置的输出端由无线网与所述控制主机相连接，所述控制主机再经无线网络与所述GPS接收器相连接。
所述测试接线箱为固定设备，与所述被测设备的接地端相连；不测试时各所述测试接线箱处于短路接地状态，测试时各所述测试接线箱固定到各自的所述采集终端，并将被测信号接入所述采集终端。
所述的分布式无线高压设备绝缘带电测试系统的测试方法，其具体测试步骤如下：步骤一、选定容性设备或避雷器带电测试时的基准设备：在三路所述测试系统中，选择第三路所述测试线路为所述基准设备，所述第二路测试线路为被测设备；步骤二、确定各路测试线路启动采样的时间误差：所述被测设备和所述基准设备的两路信号启动采样的时间误差小于2us；步骤三、各路测试线路进行同步信号采集：每路所述测试线路的所述测试采集端采集到的信号输入到各个所述采集终端，在每个所述采集终端，利用各自的所述PP秒脉冲作为同步启动采集的信号；每次在所述控制主机中的所述PP秒脉冲下降沿时，由所述控制主机通过无线网络给各所述测试线路发送“准备就绪”命令，各所述测试线路收到该命令后，所有所述采集终端进入“就绪”状态，等待各自的所述PP秒脉冲的上升沿到来后，进入采集状态；步骤四、采集完毕后的数据由各路测试线路中的所述微处理器进行数据计算；步骤五、由所述控制主机完成介损、电容量以及阻性电流的最终结果计算：各个所述采集终端将步骤四中的计算结果通过无线收发网络发送到所述控制主机，对于容性设备，由所述控制主机按照以下公式进行运算，计算出被测容性设备的电容量和相对介损：Cx＝U0/Icx，其中Cx为被测容性设备的电容量，U0为系统电压幅值，Icx为被测容性设备的容性电流幅值；tgφx0＝tg(φIcx-φIc0)，其中tgφx0为被测容性设备相对于所述基准设备的介损值，φx0为被测设备相对于所述基准设备的电流相位差，φIcx为被测容性设备相对于采样时刻的电流相位，φIc0为所述基准容性设备相对于采样时刻的电流相位；对于避雷器设备，由所述控制主机按照下述公式进行运算，计算出被测避雷器设备的阻性电流：Ir＝Icx·cos(φIcx-φU0)，其中Ir为被测避雷器设备相对于系统电压U0的基波阻性电流值，φIcx为被测避雷器设备相对于采样时刻的电流相位，φU0为系统电压相对于采样时刻的电压相位。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用由无线传感器网络传输技术和GPS同步采集技术的分布式传感器网络构成的高精度的多路测试系统，因此提高了系统的测试效率。2、本发明由于利用GPS锁定后输出的高稳定度PP秒脉冲作为同步启动采集的信号，因此减小了系统的测量误差。3、本发明由于采用智能接入式的无线传感器网络，因此使各个测试系统间的距离可以增大，摆脱测试电缆的约束，并且可以准确获得被测高压电气设备绝缘的介损值和电容量的值。本发明可广泛应用于各种电力系统中的容性设备电容量、介损和避雷器阻性电流的带电测试。
附图说明
图1是本发明的测试系统结构图
图2是本发明的测试电压幅值和相位的采集端电路结构示意图
图3是本发明的采集终端电路结构示意图
图4是本发明的控制端电路结构示意图
图5是本发明的测试电流幅值和相位的采集端电路结构示意图
图6是本发明的GPS的PP秒脉冲测试同步采集示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明是采用无线传感器网络传输技术和GPS同步采集技术的分布式传感器网络构成的高精度测试系统。它包括至少三路对高压电气设备绝缘状况进行多段同时测试的测试线路，系统最大可以提供255路测试线路同时进行测试，采用多路测试线路进行同时测试可以提高系统的测试效率。其中一路测试线路是对被测绝缘设备的电压幅值和相位进行测试，其它多路测试线路是对被测绝缘设备的电流幅值和相位进行测量。
如图1所示，本发明的多路测试电压及电流幅值和相位的测试线路包括一电压数据采集端10，多个电流数据采集端20，电压数据采集端10及电流数据采集端20的输出端分别与一采集终端30的输入端连接，采集终端30的输出端通过无线网络与一各测试线路公用的控制端40相连接。
如图2所示，本发明的电压数据采集端10包括一将高压信号转换成低压信号并具有保护作用的电压互感器11，一测试接线箱12和一将电流信号转换成电压信号并具有隔离电磁干扰作用的电流传感器13。被测绝缘设备上的高压U0经电压互感器11输出为低压U0’，低压U0’经一电阻R1与测试接线箱12的输入端连接，测试接线箱12中含有电流传感器13。测试接线箱12的底端接地，测试接线箱12的输出端out1与对应的采集终端30的输入端input连接。
如图3所示，本发明的各测试线路的电流数据采集端20结构功能相同，电流数据采集端20包括一被测容性设备21，一结构和功能同测试接线箱12相同的测试接线箱22和一同电流传感器13功能相同的电流传感器23。被测容性设备21的输出端与测试接线箱22的输入端连接，测试接线箱22中含有电流传感器23。测试接线箱22的底端接地，测试接线箱22的输出端out2与对应的采集终端30的输入端input连接。
如图4所示，本发明的各测试线路的采集终端30结构功能相同，采集终端30包括一放大器31，一模数转换器(ADC)32，一16MHz的时钟33，一经GPS接收器锁定后输出的作为同步启动采集信号的高稳定度PP秒脉冲34，一微处理器(CPU)35，一无线收发装置(zigBee或WiFi)36和一充电电池37。放大器31的输入端input与对应线路的测试接线箱的输出端out1相连接，放大器31的输出端作为一路输入信号与模数转换器32的输入端连接，模数转换器32的另一路输入信号与16MHz的时钟33的输出端连接，时钟33的输入端与PP秒脉冲34的输出端连接。模数转换器32的输出端与微处理器35的输入端连接，微处理器35控制PP秒脉冲34对模数转换器32的信号采集，并且把采集后的信号数据做相应的运算，以及系统后端无线通信。微处理器35的输出端通过无线网络与无线收发装置36进行数据传输。并且各路测试线路的采集终端30均自带充电电池37对采集终端30供电，无需外接电源。
如图5所示，本发明的控制端40包括一无线收发装置41，一控制主机42和一GPS接收器43。其中，还包括一经GPS锁定后输出的高稳定度PP秒脉冲44。无线收发装置41通过无线网络与前级采集终端的无线收发装置36进行数据传输，无线收发装置41的输出端与控制主机42也由无线网络进行数据传输，控制主机42负责对采集终端30的状态进行监视和控制。控制主机42再经无线网络与GPS接收器43进行数据传输。
上述各实施例中，测试接线箱22为固定设备，在各测试线路停电时事先安装好，与被测设备21测试点的电容末屏(即测试点)或避雷器的计数器接地端相连；不测试时各测试接线箱22处于短路接地状态，测试时各测试接线箱22起到固定各自的采集终端30，并将被测信号接入采集终端30；采集终端30为移动设备，仅在测试时接入测试接线箱22。
本实施例在应用中，各采集终端30在GPS接收器的同步下通过各自的模数转换器32完成数据采集、电流幅值和相位的计算，再通过无线网络发送到控制端40的控制主机42中。本发明的最大系统可以支持255个采集终端30无线接入控制主机42，最小的系统为三个采集终端无线接入控制主机42。控制主机42负责收集各采集终端的数据，完成介损、电容量或阻性电流的最终结果计算。以三路测试线路为例，本发明的主要测试步骤如下：
步骤一、选定容性设备或避雷器带电测试时的基准设备：基准设备的选择可以在多路测试电流幅值和相位的测试线路中任意选择一路测试线路为基准设备。在最小系统的三路测试线路中，选择第三路测试线路为基准设备0，第二路测试线路为被测设备x，同时测试第二路和第三路测试线路的信号。假设流经被测设备x中被测容性的电流为Icx，流经基准设备0中被测容性的电流为Ic0，由各自的微处理器35进行计算信号的电流相位差。
步骤二、确定各测试线路启动采样的时间误差：被测设备x和基准设备0的两路信号启动采样的时间误差应小于2us。由于在分布式测试系统中，每路测试线路均有一个独立的模数转换器32，各采集终端30都采用相同的采样率，启动采集的时刻必须保证不大于2us，否则不同采集终端获得的“相位”无法进行比较；
如图6所示，基准设备0即第三路测试线路和被测设备x即第二路测试线路按照相同的采样率Ts，进行总采样时间长度t相同的数据采集。各采集终端在GPS同步后，基准设备0与被测设备x的GPS输出PPS秒脉冲34的上升沿与绝对秒时刻的最大误差小于±1us。因此，基准设备0在其GPS输出的PPS秒脉冲34的上升沿时启动采样时刻t0，与被测设备x在其GPS输出的PPS秒脉冲34的上升沿启动采样时刻tx，两者的最大启动采样时间误差Δt小于2us。
步骤三、各测试线路进行同步信号采集：选定基准设备0并确定各测试线路启动采样的时间误差后，每路测试线路的采集端采集到的信号输入到各个采集终端30。在每个采集终端30中，利用GPS锁定后输出的绝对时间误差小于1us的高稳定度PP秒脉冲34，作为同步启动采集的信号；
由于每次采样完毕，对数据处理的时间比较长(大于1s)，为保证每个采样终端都能够在相同的PPS秒脉冲34的上升沿启动采集而不出现错位，每次在GPS的PP秒脉冲44的下降沿时，由控制主机42通过无线网络给各测试线路发送“准备就绪”命令，各测试线路收到该命令后，所有采集终端30进入“就绪”状态，然后等待各自的GPS的PP秒脉冲34的上升沿到来后，进入采集状态。
步骤四、采集完毕后的数据由各测试线路中的微处理器35进行数据计算：容性设备或避雷器设备由被测设备x的采集终端30中的微处理器35计算出电流的幅值Icx与相对于采样启动时刻的电流相位φIcx；容性设备或避雷器设备由基准设备0的采集终端30中的微处理器35计算出的电流的幅值Ic0与基准设备0相对于采样时刻的电流相位φIc0；系统电压由第一路测试线路中的采集终端30中的微处理器35计算出电压的幅值U0与相对于采样启动时刻的电压相位φU0。
步骤五、由控制主机42完成介损、电容量以及阻性电流的最终结果计算：各个采集终端30将步骤四中的计算结果通过无线收发网络发送到控制主机42，对于容性设备，由控制主机42按照以下公式(1)、(2)进行运算，计算出被测容性设备的电容量和相对介损：
Cx＝U0/Icx    (1)
其中Cx为被测容性设备的电容量，U0为系统电压幅值，Icx为被测容性设备的容性电流幅值。
tgφx0＝tg(φIcx-φIc0)    (2)
其中tgφx0为被测容性设备相对于基准设备0的介损值，φx0为被测设备相对于基准设备0的电流相位差，φIcx为被测容性设备相对于采样时刻的电流相位，φIc0为基准容性设备0相对于采样时刻的电流相位。
对于避雷器设备，由控制主机42按照以下公式(3)进行运算，计算出被测避雷器设备的阻性电流：
Ir＝Icx·cos(φIcx-φU0)    (3)
其中Ir为被测避雷器设备相对于系统电压U0的基波阻性电流值，φIcx为被测避雷器设备相对于采样时刻的电流相位，φU0为系统电压相对于采样时刻的电压相位。
由上述五个步骤可知，通过软硬件的配合，分布式测试系统的同步启动采样时间误差小于2us，介损的测量误差小于0.1％。采用智能接入式的无线传感器网络，可以使得在200m测试范围内，同时对多台设备进行测试，既可以获得相对的介损值，也可以获得电容量的值以及避雷器的阻性电流值。

Claims (7)

1、一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：它包括至少三路测试线路；测试电压及电流幅值和相位的所述测试线路包括一电压数据采集端，两个以上的电流数据采集端，所述电压数据采集端及所述电流数据采集端的输出端分别与一采集终端的输入端连接，各所述采集终端的输出端通过无线网络与一控制端相连接。
2、如权利要1所述的一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：所述电压数据采集端包括一电压互感器，一测试接线箱和一电流传感器；被测设备上的高压信号经所述电压互感器输出为低压信号，所述低压信号经一电阻与所述测试接线箱的输入端连接，所述测试接线箱中含有所述电流传感器，所述测试接线箱的输出端与对应的所述采集终端的输入端连接。
3、如权利要1所述的一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：所述电流数据采集端包括一被测容性设备，另一测试接线箱和另一电流传感器；所述被测容性设备的输出端与所述另一测试接线箱的输入端连接，所述另一测试接线箱中也含有所述另一电流传感器，所述另一测试接线箱的输出端与对应的所述采集终端的输入端连接。
4、如权利要1所述的一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：所述采集终端包括一放大器，一模数转换器，一时钟，一PP秒脉冲，一微处理器，一无线收发装置和一充电电池；所述放大器的输入端与对应线路的所述测试接线箱的输出端相连接，所述放大器的输出端作为一路输入信号与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的另一路输入信号与所述时钟的输出端连接，所述时钟的输入端与所述PP秒脉冲的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端通过无线网络与所述无线收发装置连接，并且各测试线路的所述采集终端均自带所述充电电池。
5、如权利要1所述的一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：所述控制端包括一无线收发装置，一控制主机和一GPS接收器；所述无线收发装置通过无线网络与前级所述采集终端的所述无线收发装置相连接，所述控制端的无线收发装置的输出端由无线网与所述控制主机相连接，所述控制主机再经无线网络与所述GPS接收器相连接。
6、如权利要1或2或3或4或5所述的一种分布式无线高压设备绝缘带电测试系统，其特征在于：所述测试接线箱为固定设备，与所述被测设备的接地端相连；不测试时各所述测试接线箱处于短路接地状态，测试时各所述测试接线箱固定到各自的所述采集终端，并将被测信号接入所述采集终端。
7、一种如权利要求1～6所述的分布式无线高压设备绝缘带电测试系统的测试方法，其具体测试步骤如下：
步骤一、选定容性设备或避雷器带电测试时的基准设备：在三路所述测试系统中，选择第三路所述测试线路为所述基准设备，所述第二路测试线路为被测设备；
步骤二、确定各路测试线路启动采样的时间误差：所述被测设备和所述基准设备的两路信号启动采样的时间误差小于2us；
步骤三、各路测试线路进行同步信号采集：每路所述测试线路的所述测试采集端采集到的信号输入到各个所述采集终端，在每个所述采集终端，利用各自的所述PP秒脉冲作为同步启动采集的信号；
每次在所述控制主机中的所述PP秒脉冲下降沿时，由所述控制主机通过无线网络给各所述测试线路发送“准备就绪”命令，各所述测试线路收到该命令后，所有所述采集终端进入“就绪”状态，等待各自的所述PP秒脉冲的上升沿到来后，进入采集状态；
步骤四、采集完毕后的数据由各路测试线路中的所述微处理器进行数据计算；
步骤五、由所述控制主机完成介损、电容量以及阻性电流的最终结果计算：各个所述采集终端将步骤四中的计算结果通过无线收发网络发送到所述控制主机，对于容性设备，由所述控制主机按照以下公式进行运算，计算出被测容性设备的电容量和相对介损：
Cx＝U0/Icx
其中Cx为被测容性设备的电容量，U0为系统电压幅值，Icx为被测容性设备的容性电流幅值；
tgφx0＝tg(φIcx-φIc0)
其中tgφx0为被测容性设备相对于所述基准设备的介损值，φx0为被测设备相对于所述基准设备的电流相位差，φIcx为被测容性设备相对于采样时刻的电流相位，φIc0为所述基准容性设备相对于采样时刻的电流相位；
对于避雷器设备，由所述控制主机按照下述公式进行运算，计算出被测避雷器设备的阻性电流：
Ir＝Icx·cos(φIcx-φU0)
其中Ir为被测避雷器设备相对于系统电压U0的基波阻性电流值，φIcx为被测避雷器设备相对于采样时刻的电流相位，φU0为系统电压相对于采样时刻的电压相位。
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