CN102129018A - 一种高压容性设备绝缘在线监测方法 - Google Patents

Abstract

一种高压容性设备绝缘在线监测方法，用于解决变电站内高压容性设备的绝缘在线监测问题。其结合光纤传输技术、光电转换技术，数字信号处理技术和虚拟仪器技术，通过光供电数据链路OPDL实现变电站容性设备的电压、电流的安全可靠测量：通过光脉冲同步触发实现电压电流信号的同步采集；将弱电信号就地转换成光信号通过光纤传输，提高了信号的抗干扰性能，同时避免了传统电缆传输信号可能出现的过电压问题；采用激光供电技术，安全有效的解决零磁通电流传感器等户外电子部件的供能问题，并保证了采集信号的真实准确。本发明不仅能够为电力设备的状态检修和全寿命管理提供可靠数据，而且其工作可靠，操作方便，实施安全。

Description

一种高压容性设备绝缘在线监测方法

技术领域

本发明属于电气设备状态维修技术领域，尤其涉及一种用于在线监测变电站高压容性设备绝缘性能的方法。

背景技术

电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础，电气设备的安全运行是电力系统安全、稳定、经济运行的前提条件。而电力设备在运行过程中，其绝缘介质要承受热、电、化学、机械等多种因素的作用，设备绝缘不可避免地发生劣化，严重时可能导致绝缘功能的丧失，从而引发设备故障，甚至引发电网事故。

为了保证设备能安全可靠的运行，需要对设备绝缘状况进行检测，掌握设备运行的情况，防患于未然。目前，电力系统大都是通过定期进行常规离线预防性试验的方法对设备的绝缘状态进行检测，但近年来随着电压等级的提高和电气设备的大容量化、高电压化、结构多样化和密封化，原有的离线预防性试验的方法已经难以满足现代电力系统的实际需要，探索以在线监测为基础的状态维修势在必行。

绝缘在线监测技术是近年来发展迅速又跨多学科的新兴技术领域，电子技术、传感器技术、光纤技术、计算机技术、通信和信息处理等技术的发展和各领域的相互渗透，使绝缘在线监测方法发生了质的变化。国内外都研制出一系列可实用的绝缘在线监测仪和装置。然而，从目前国内高压电气设备绝缘在线监测的现状来看，大多监测系统运行并不可靠，依然存在很多问题，主要表现在：

1.传感器抗环境温度、湿度变化和电磁干扰的能力比较差，易导致信号畸变，引起介质测量不够准确，稳定性差，测量误差大。

2.由于设备运行时周围有着强大的电磁干扰，而传统的监测系统的通信采用电传输，抗干扰能力差，信号易畸变，容易发生误判；而且连接现场监控设备和监控室的电气电缆很容易成为连接强电侧和弱电侧的安全隐患。

3.绝缘在线监测系统结构设计不合理，现场安装工作量大，维修困难。

发明内容

本发明的目的在于克服传统在线监测系统的不足，提供一种工作可靠，操作方便，实施安全的高压容性设备绝缘性能在线监测方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于光同步、光供能和光传输的高压容性设备绝缘在线监测方法，容性设备电压信号通过变电站电压互感器和一个二次分压线圈获取；容性设备绝缘泄漏电流信号通过穿芯式有源零磁通微电流传感器在设备末屏接电线上获取；环境温湿度参数由温湿度传感器获取。获取的电压、电流和温湿度信号通过光供电数据链路OPDL(Optically Powered Data Link)送入到工控机，工控机上的软件系统进行数据处理，得出容性设备的绝缘参数。

本发明所述的光供电数据链路OPDL，它由远端模块、数据光纤、能量光纤和本地模块四部分组成。数据光纤和能量光纤用于连接远端模块和本地模块，进行能量和数据信号的传输。

所述的远端模块包括高压侧A/D转换模块、寄存器、电/光变换模块和光电能转换模块。所述高压侧A/D转换模块与电压、电流和温湿度传感器电连接，将传感器输出的电压、电流和温湿度信号进行A/D转换并存入寄存器。寄存器与电/光变换模块相连，电/光变换模块将寄存器中的数字信号变换为光信号，通过数据光纤传输回本地模块。所述的高压侧A/D转换模块、寄存器、电/光变换模块工作所需的电能全部由光电能转换模块提供。所述的光电能转换模块通过能量光纤与本地模块相连，本地模块中激光器发出高能激光，通过能量光纤到达远端模块，光电能转换模块接收到高能激光将光能转换为电能，为高压侧A/D转换模块、寄存器、电/光变换模块提供电能。同时远端模块还具有+/-5V电源输出接口，功率1W，为三相的穿芯式有源零磁通微电流传感器提供电能。

所述的本地模块包括电源、驱动电路、激光器、光/电变换模块和信号处理与D/A转换模块；光/电变换模块用于接收数据光纤传回的光信号，将其变换为电信号，其后和信号处理与D/A转换模块电连接，经过信号处理和D/A将信号输出给工控机。所述激光器为4.5W，在驱动电路的控制下发出高能激光，通过能量光纤为远端模块提供能量，并通过能量的通断实现光信号的同步触发机制，实现电压、电流和温湿度信号的同步采集。所述电源为信号处理与D/A转换模块、光/电变换模块、驱动电路和激光器提供所需电能；

所述的穿芯式有源零磁通微电流传感器铁芯为坡莫合金，采用深度负反馈技术和双层屏蔽措施，对铁芯自动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。该传感器能够准确检测100μA～700mA的工频电流，相位变换误差小于0.01°，满足强电磁干扰环境下泄漏电流取样精度。

上述基于光同步、光供能和光传输的高压容性设备绝缘在线监测方法，具体采用以下步骤实现：

a.工控机运行在线监测系统软件，光供电数据链路OPDL本地模块发出同步触发信号，使各本地模块同步启动激光器，通过能量光纤给各自相连的远方模块供能，同时启动各远端模块的数据采集。

b.各远端模块同步采集电压、电流和温湿度信号，就地转换为光信号通过数据光纤传输回本地模块。

c.本地模块接收到传回的光信号，经光/电变换后，通过USB数据端口将数据传送到工控机。

d.工控机运行的线监测系统软件对数据进行相应处理求取相关绝缘参数，并将结果返回设备信息数据库，同时将相应设备状态在监测画面上前景显示。

本发明具有下列有益效果：

1、光供电数据链路OPDL采用光脉冲同步触发数据采集，使每个远方模块同步采集信号，保证电压、电流信号的同步性，为其后计算高压容性设备的介质损耗等参数提供有效保障；

2、信号采集所用零磁通电流传感器和A/D转换部件需要直流电源供电，传统方式需从现场操作箱取电源，其电源线易受电磁干扰而对系统引入测量误差，同时设备受到雷击时也易损坏二次供电系统。而光供电数据链路OPDL采用激光供电技术，安全有效的解决了零磁通电流传感器等户外电子部件的供能问题，并保证了采集信号的真实准确。

3、光供电数据链路OPDL将弱电信号就地转换成光信号并通过光纤传输，大大提高了信号的抗干扰性能，保证了传输信号的实时性、稳定性和准确性，有效解决了抗电磁干扰问题；同时，光纤具有的绝缘特性避免了传统电缆传输信号可能出现的过电压问题，实现了安全防护；

4、采用虚拟仪器技术，应用LabVIEW软件，运用软件算法计算绝缘参数，抑制各种干扰、计算精度高。软件采用SCADA系统界面，简单清晰；基于浏览器/服务器(B/S)体系的三层结构，实现数据异地和远程访问，同时满足IEC61850协议相关标准，便于和GIS、MIS的集成，提高监测的自动化水平。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为高压容性设备绝缘在线监测方法原理示意图；

图2为光供电数据链路OPDL原理示意图；

图3为实验室110kV电流互感器试验布置图。

附图标记：

图1中标记的说明：1.1-变电站高压母线；1.2-变电站容性设备；1.3-变电站电压互感器和二次分压线圈；1.4-零磁通微电流传感器；1.5-远端模块；1.6-能量光纤；1.7-数据光纤；1.8-本地模块；1.9-工控机；1.10-上级监控中心；1.11-本地模块USB数据端口；1.12-本地模块同步触发信号进端；1.13-本地模块同步触发信号出端；1.14-温湿度传感器。

图2中标记的说明：2.1-电流信号；2.2-温湿度信号；2.3-远端模块；2.4-高压侧A/D转换模块；2.5-寄存器；2.6-电/光变换模块；2.7-光电能转换模块；2.8-数据光纤；2.9-能量光纤；2.10-本地模块；2.11-驱动电路；2.12-激光器；2.13-光/电变换；2.14-电源；2.15-信号处理与D/A模块；2.16-工控机。

图3中标记的说明：3.1-调压器及试验变压器；3.2-保护电阻；3.3-标准电容分压器；3.4-试品110kV电流互感器；3.5-有源零磁通电流传感器；3.61、3.62-OPDL远端模块；3.7-能量光纤；3.8-数据光纤；3.91、3.92-OPDL本地模块；3.10-同步触发信号；3.11-上位机；3.12-控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参看图1，本发明中电压信号通过变电站电压互感器二次接线端子和二次分压线圈1.3从变电站高压母线1.1获取。电流信号由零磁通微电流传感器1.4在变电站容性设备1.2末屏接地线获取。环境温湿度参数由温湿度传感器1.14获取。

传感器的电压、电流和温湿度信号由光供电数据链路OPDL进行同步采集和传输。每一套光供电数据链路OPDL包括远端模块1.5和本地模块1.8，它们之间通过两根光纤连接，分别为能量光纤1.6和数据光纤1.7。数据光纤1.7负责将远端模块1.5采集到的数据传送到本地模块1.8，本地模块1.8通过能量光纤1.6给远端模块1.5及零磁通微电流传感器1.4供能并通过能量的通断实现光信号的同步触发机制。远端模块1.5安装在高压设备侧，负责采集、调理一次侧容性设备的电压、电流信号并转化成数字信号，每个远端模块1.5可同时采集3路电压或电流信号。此外，通过在远端模块预留的接口安装温湿度传感器1.14，以实时记录温度、湿度等环境信息。本地模块1.8安装在低压侧(一般为主控室内)，负责对各个远端模块传来的信号做同步以及相关的合并处理，并通过USB串口1.11与工控机1.9通信，工控机1.9与上级监控中心1.10相连。各套OPDL的本地模块之间通过同轴电缆连接本地模块同步触发信号进端1.12及本地模块同步触发信号出端1.13，并以此传输光同步信号，以此实现各套OPDL模块间的光同步触发数据的采集。

参看图2，光供电数据链路OPDL包括远端模块2.3、本地模块2.10、数据光纤2.8和能量光纤2.9。

所述远端模块2.3包括高压侧A/D转换模块2.4、寄存器2.5、电/光变换模块2.6和光电能转换模块2.7，都安装在屏蔽金具中。高压容性设备末屏接地线提取的电流信号2.1，由高压侧A/D转换模块2.4进行A/D转换并存入寄存器2.5。电/光变换模块2.6将寄存器2.5中的数字信号变换为光信号，通过数据光纤2.8传输回本地模块2.10。所述的高压侧A/D转换模块2.4、寄存器2.5、电/光变换模块2.6工作所需的电能全部由光电能转换模块2.7提供。所述的光电能转换模块2.7通过能量光纤2.9与本地模块2.10相连，本地模块2.10中激光器发出高能激光，通过能量光纤2.9到达远端模块2.3，光电能转换模块2.7接收到高能激光将光能转换为电能，为高压侧A/D转换模块2.4、寄存器2.5、电/光变换模块2.6提供电能。

所述的本地模块2.10包括电源2.14、驱动电路2.11、激光器2.12、光/电变换模块2.13和信号处理与D/A转换模块2.15；光/电变换模块2.13用于接收数据光纤2.8传回的光信号，将其变换为电信号，其后和信号处理与D/A转换模块2.15电连接，经过信号处理和D/A将信号解调恢复成和待测电流成比例的弱电信号，输出给工控机2.16，获得电流幅值和相位信息。激光器2.12在驱动电路2.11的控制下发出高能激光，通过能量光纤2.9为远端模块2.3提供能量，并通过能量的通断实现光信号的同步触发机制，实现电压、电流和温湿度信号2.2的同步采集。电源2.14为信号处理与D/A转换模块2.15、光/电变换模块2.13、驱动电路2.11和激光器2.12提供所需电能。

工控机2.16安装有基于虚拟仪器技术开发的光纤数字化高压设备绝缘在线监测软件系统，通过软件控制光供电数据链路OPDL的运行。同时在介损算法上应用改进基波相位分离算法，针对采集到的电压信号和电流信号可以实时计算出所监测的高压设备介质损耗角等相关的各项绝缘参数，并将结果返回设备信息数据库，同时将相应设备状态在监测画面上前景显示，监测界面采用变电站接线图形式实现变电站内高压容性设备的SCADA监测系统，可实现实时的声光二级报警功能；信息查询系统主要完成信息本地查询和网络发布，数据格式符合IEC61850协议相关标准，可将数据通过网络等方式传送到上级监测中心的专家系统进行相应的故障诊断。

参看图3，采用基于上述方法开发的监测系统，对一台110kV电压等级的电流互感器介损进行检测，试验布置如图3，包括调压器及试验变压器3.1，保护电阻3.2。试品为一台110kV电流互感器3.4，它可以等效为一个电阻和电容的串联；电压信号从标准电容分压器3.3中获取；电流信号取自穿过电流互感器末屏接地线的零磁通电流传感器3.5；远端模块和本地模块之间通过能量光纤3.7和数据光纤3.8相连，电压和电流信号分别通过现场的远端模块3.61、3.62采集后通过光纤传回本地模块3.91、3.92，并提交上位机3.11软件处理计算出试品的介质损耗角正切值。将其测量的结果与高压西林电桥进行对比，结果见表1，表明本系统满足介质损耗在线测量0.1％的准确度要求。本地模块3.91、3.92之间通过同步触发信号3.10进行同步，上位机和本地模块组成控制柜3.12。

表1试验对比结果

试验电压(kV)	电桥测量值(％)	本系统测量值(％)	误差(％)
				30.5	2.223	2.156	0.067
39.82	1.984	1.918	0.066
				51.36	1.712	1.688	0.024
60.79	1.511	1.504	0.007

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压容性设备绝缘在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.工控机运行在线监测系统软件，光供电数据链路OPDL本地模块发出同步触发信号，使各本地模块同步启动激光器，通过能量光纤给各自相连的远方模块供能，同时启动各远端模块的数据采集；

b.各远端模块同步采集电压、电流和温湿度信号，就地转换为光信号通过数据光纤传输回本地模块；

c.本地模块接收到传回的光信号，经光/电变换后，通过数据传输设备将数据传送到工控机；

d.工控机运行的线监测系统软件对数据进行处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光供电数据链路OPDL包括一个远端模块、一个本地模块以及将该二者相连的能量光纤和数据光纤。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光供电数据链路OPDL的远端模块将采集到的信号转换为光信号，通过数据光纤传送回本地模块；本地模块通过能量光纤给远端模块及零磁通微电流传感器供能并通过能量的通断实现远端模块的同步触发。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据传输设备为USB数据端口。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工控机运行的线监测系统软件对数据求取相关绝缘参数，并将结果返回设备信息数据库，同时将相应设备状态在监测画面上前景显示。

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