CN102439464A - 用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的方法，该直流电网和交流电网在电网与地之间具有不可避免的欧姆(R_f)以及容性(C_f)绝缘电阻，所述电网特别是具有所连接的整流器和其他变流器的这种电网，其中具有交替不同的脉冲电压值的脉冲交流电压(U₀)通过电网与地之间的欧姆电网耦合(R_i)被施加到所要监测的电网上，其中针对每个脉冲电压值(U₀)，监测测量电流或者从中导出的作为测量电压(V_m)的量的取决于当前电网的起振过程的时间变化。在电网起振到两个极性相反的脉冲电压值施加过程的相应脉冲电压值(U₀)之前测量电压(V_m)的起振过程的时间变化被用于测定电网与地之间的绝缘电阻(R_f)。

Description

用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的、用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的方法，该直流电网和交流电网在电网与地之间具有不可避免的欧姆以及容性绝缘电阻，尤其是这种带有所连接的整流器和其他变流器的，其中将具有交替不同的脉冲电压值的脉冲交流电压通过电网与地之间的欧姆电网耦合施加到所要监测的电网上，其中针对每个脉冲电压值监测测量电流或从中导出的作为测量电压的量的取决于当前电网的起振过程的时间变化。

本发明还涉及一种按权利要求12的前序部分所述的、用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的装置，该直流电网和交流电网在电网与地之间具有欧姆以及容性绝缘电阻，该装置包括脉冲交流电压源，用于将具有交替不同的脉冲电压值的脉冲交流电压通过电网与地之间的欧姆电网耦合施加到所要监测的电网上，并且具有监测装置，用于针对每个脉冲电压值监测测量电流或者从中导出的作为测量电压的量的取决于当前电网的起振过程的时间变化。

背景技术

所述方法例如在EP 0 654 673 B1中有所说明。在公知的测量方法中，为分析测量，必须达到测量电流或者从中导出的作为测量电压的量的稳定起振状态。只有在达到起振状态之后，测量值才被用于测定绝缘电阻。电网绝缘附加的潜在危险并因此应被避免。在EP 0 654 673B1中在检测和分析测量电压时使用算术平均值形式的平均值计算。

发明内容

鉴于现有技术，本发明所基于的任务因此在于，进一步开发所述的方法，使得测量时间被缩短。本发明的另一任务在于提供用于绝缘检测的改进装置。

本发明所基于的任务在方法方面依据本发明通过具有权利要求1的特征部分中的特征的所述方法来解决。该任务在装置方面通过权利要求12得以解决。

依据本发明，在电网起振到两个极性相反的脉冲电压值施加过程的相应脉冲电压值之前测量电压的起振过程的时间变化被用于测定电网与地之间的绝缘电阻。依据本发明的方法的优点在于，因此可以更加迅速地测定绝缘电阻，因为无需再等待达到起振状态。测量电压的值一如既往地针对起振状态被测定。但起振状态中的起振值在实际上还根本未达到起振状态时已经在更早的时间点根据起振过程的时间变化被预报。

依据本发明的一种有利的实施方式，两个极性相反的脉冲电压值施加过程在时间上连续。因此保证迅速执行测量。

依据本发明的一种有利的实施方式，在电网起振之前测量电压的起振过程的所测量的时间变化被用于估计起振过程的所计算的时间变化的模型参数，并根据模型参数测定绝缘电阻。依据本发明的这种处理方式的优点在于，测量在达到起振状态之前已经可以被中断，因为绝缘电阻的所寻找的值不是根据测量值、而是根据模型的参数来测定。这开创的可能性是，借助模型在较早的时间点已经在理论上预报起振状态并且然后由此测定绝缘电阻，其中，该时间点早于起振状态的实际达到。

依据本发明的一种有利的实施方式，在达到起振状态之前的起振过程期间改变模型参数，直至测量电压的起振过程的所测量的时间变化与所计算的时间变化的偏差低于可预先规定的阈值。模型然后与实际起振过程良好地匹配，使得该模型针对未来的时间点以非常高的可靠性预报模型参数的值并且因此起振状态下的绝缘电阻可以根据该模型来计算。起振状态在一定程度上借助模型来预测。

依据本发明的一种有利的实施方式，测量电压的起振过程的所测量的时间变化通过利用递归抽取滤波器的多速率滤波被滤波。由此从信号中去除干扰的高频信号部分，从而与根据模型所计算的值的比较具有更少的误差。

依据本发明的一种有利的实施方式，在所测量的变化的采样点之间测量电压的起振过程的所测量的时间变化与所计算的时间变化的偏差按照最小平方误差方法被最小化。

依据本发明的一种有利的实施方式，在用于滤出高频信号部分的第一抽取级中，输入信号在采样率方面被降低，例如被降低到原来的1/4。由此很好地去除高频信号部分并降低所需的计算能力而不改变测量结果。

依据本发明的一种有利的实施方式，在第一抽取级后设置陷波滤波器，用于抑制电网电压的交流分量。电网电压在此可以独立地被测量并通过单独的信号输入端被馈入。

依据本发明的一种有利的实施方式，在第二抽取级中为了进一步的信号平滑而进一步降低采样频率。由此降低用于分析的计算花费并实现进一步的信号平滑。

依据本发明的一种有利的实施方式，为进一步抑制电网频率而使用添加的陷波滤波器。

依据本发明的一种有利的实施方式，为进一步抑制干扰，第二脉冲电压值施加过程与电网频率相位同步地开始。

依据本发明的装置的特征在于，该装置包括用于检测在电网起振到两个极性相反的脉冲电压值施加过程的相应脉冲电压值之前测量电压的起振过程的时间变化的测量装置，以及用于对测量电压的起振过程的所计算的时间变化的模型参数进行参数估计以便从模型的参数中测定电网与地之间的绝缘电阻的装置。

本发明因此提供一种方法和一种装置，其中在起振过程期间测量电压的变化被研究并被用于估计系统参数。在起振过程期间的测量电压在此不是被取平均值，而是通过利用递归抽取滤波器的多速率滤波去除高频信号部分。由此可以完全避免在依据现有技术的简单的例如滑动的平均值形成中可能出现的人工产物。

通过估计系统参数取消必须一直等待直到起振过程衰减的必要性。因为特别是在电网相对于地的高电容的情况下起振过程的时间可以在数十秒的范围内，所以通过依据本发明的方法可以取得明显的加速。

本发明的其他有利的扩展方案和改进方案以及其他优点可以由从属权利要求获悉。

附图说明

附图和说明书用于更好地理解主题。主题或者主题的基本上相同或者相似的部分可以配备有相同的附图标记。这些附图仅仅是本发明的一种实施方式的示意图。其中：

图1示出用于测定测量电压的等效电路图；以及

图2示出参数估计的功能流程的图示。

具体实施方式

依据本发明的方法以图1中所示的测量电路的等效电路图为基础。在此，R_f表示电网与地之间所要监测的线路的绝缘电阻的欧姆部分，C_f表示电网与地之间所要监测的线路的绝缘电阻的容性部分，U₀为电压源，利用其施加提供不同脉冲电压值的脉冲交流电压，R_i为脉冲交流电压U₀的欧姆电网耦合的内阻，R_m为测量电阻。该方法的目标是确定R_f。

在考虑到电容器C_f的起始充电状态的情况下上述简化电路的电路分析得出在R_i和R_m的串联电路上降落的测量电压V_m的时间变化的下列关系式：

$\mathrm{UmD}\left(t\right)=\frac{U_0}{1+K}+(\frac{U_0}{1+K}-U_{C0})e^{\frac{-(1+K)t}{\mathrm{\τ}}}$

在这种情况下适用：

τ＝R_fC_f，U_C0＝C_f的起始电压

如果解释该关系式，那么明显的是，输出电压UmD向终值

收敛。这是起振状态下的值。起始值取决于电网电容相对于地的充电状态U_c0和终值O。

上面所列举的等式的各项也可以如下被分类：

$V_m=\frac{V_0}{1+K}+(\frac{U_0}{1+K}-U_{c0}{e}^{\frac{-(1+K)t}{\mathrm{\τ}}}$

作为结果因此得到起振过程，其取决于常数O，

$A=\frac{U_0}{1+K}-U_{c0}$

和

$\mathrm{\λ}=\frac{(1+K)}{\mathrm{\τ}}$

作为测量电压的原则上的变化的模型，因此可以使用下列表达式：

UmD(t)＝O+Ae^-λt(0)

电容器的充电电压U_c0在预先规定的测量原理中应作为负的量设置，因为一般前半周期中的预充电以负极性保留。

这种曲线变化相当于未滤波的和平滑的测量信号。平滑的影响基本上相当于与具有系数h_k的平滑滤波器

的冲击响应的卷积。平滑的测量电压V_mD因此可以通过下列表达式来说明。

$\mathrm{VmD}(t_k,\mathrm{\λ},O,A)=\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{UmD}(t_i.\mathrm{\λ},O,A)\·h_{k-i}---\left(1\right)$

所测量的曲线变化与所建模的曲线变化相比较。作为这种比较的结果，测定理论曲线变化的特征量λ、O和A。

用于测定特征量的一种可能性是使用最小平方的方法，下面对该方法进行说明。

任务是确定参数λ、O和A，使得滤波后的理论变化VmD(t_k，λ，O，A)尽可能好地与所测量的值VmD_k一致。在所提到的最小平方的方法中，所测量的和模型曲线的采样点之间的误差被最小化。这通过下列表达式进行：

$E=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{dy}}_k}^2---\left(2\right)$

在此：

dy_k＝VmD_k-VmD(t_k，λ，O，A)

通过将E对参数λ、O和A求导并通过使这些导数等于0，最后得到以下公式：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{d\λ}\\ \mathrm{dO}\\ \mathrm{dA}\end{array}\right)={\left(H^{t}H\right)}^{-1}{H}^t\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dy}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{dy}}_n\end{array}\right)---\left(3\right)$

在此，H为雅可比矩阵：

$H(\mathrm{\λ},O,A)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{\∂\mathrm{VmD}(t_1,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂\mathrm{\λ}}& \frac{\∂\mathrm{VmD}(t_1,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂O}& \frac{\∂\mathrm{VmD}(t_1,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂A}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ \frac{\∂\mathrm{VmD}(t_n,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂\mathrm{\λ}}& \frac{\∂\mathrm{VmD}(t_n,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂O}& \frac{\∂\mathrm{VmD}(t_n,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂A}\end{array}\right)---\left(4\right)$

等式(4)中出现的导数可以通过等式(1)确定，例如：

$\frac{\∂\mathrm{VmD}(t_n,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂\mathrm{\λ}}=\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂\mathrm{UmD}(t_i,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂\mathrm{\λ}}\·h_{n-i}$

换句话说：为了计算等式(4)中出现的项，可以简单地通过数字滤波器来发送等式(0)的导数。

这些导数具体为：

$\frac{\∂\mathrm{Umd}(t,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂\mathrm{\λ}}=-t\·A\·e^{-\mathrm{\λt}}$

$\frac{\∂\mathrm{UmD}(t,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂O}=1$

$\frac{\∂\mathrm{UmD}(t,\mathrm{\λ},O,A)}{\∂A}=e^{-\mathrm{\λt}}---\left(5\right)$

可以容易地叠代计算这些导数中和等式(0)中出现的因子e^-λt。如果始终取同一时间步长Δt＝t_i+1-t_i，则：

$e^{-\mathrm{\λ}{t}_{i+1}}=e^{-\mathrm{\λ}{t}_i}\·e^{-\mathrm{\λ\Δt}}$

因子e^-λΔt仅需计算一次。

等式(3)中的矩阵乘法适宜地分成两项，其中，第一项：

H^tH

为3x3矩阵，而第二项：

$H^t\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dy}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{dy}}_n\end{array}\right)$

则为3x1矩阵。第一项的逆仍然可以在无需较大花费的情况下进行。

在某些情况下，例如工厂校准时，电网漏电量为零，从而等式(0)的曲线变化变成常数：

UmD(t_i)＝O

由此在等式(5)中对λ和A的导数消失并且事情明显简化，因为上面提到的两项变成1x1矩阵。

所说明的方法叠代地工作并且为了加速收敛而需要有意义的初始值λ₀、O₀和A₀。公式(3)的结果为校正值dλ、dO和dA，从中为下个循环(Durchlauf)得出新的初始值：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\\ O_1\\ A_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_0\\ O_0\\ A_0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{d\λ}\\ \mathrm{dO}\\ \mathrm{dA}\end{array}\right)$

如果校正值dλ、dO和dA小得使得对于λ、O和A来说不再产生值得一提的变化，那么可以结束该方法。

通过等式(2)然后得出(最小化的)误差E_min，其是测量值如何好地与理论曲线变化匹配的量度。如果例如在测量持续时间期间发生强DC变化，那么E_min变大，从而该值允许评判测量的“质量”。

在这里，此外可以将公知的方法用于加速收敛，如Levenberg-Marquardt方法。

如果初始值处于等式(2)的所寻找的最小值附近，那么上述方法起作用。

因为只存在一个最小值，所以也可以利用‘最陡下降’法，其中校正值由：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{d\λ}\\ \mathrm{dO}\\ \mathrm{dA}\end{array}\right)=N^{-1}{H}^t\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dy}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{dy}}_n\end{array}\right)$

得出，其中

N_ij＝(H^tH)_ij(1+m·δ_ij)

其中δ_ij为Kronecker符号且m为大于0的参数。对于m＝0得出上一段中所说明的方法，对于大的m转变为最陡下降法(或其变型方案：Marquardt)。

总方法可以借助图2中所示的流程图进行说明：

在点A中馈入的模拟测量电压V_m首先通过模/数转换器101。采样在相对高的采样频率下、在约2500Hz的情况下进行。在第一抽取级102中，输入信号在采样率方面被降低一个因子，例如被降低到原来的1/4。在此，高频信号部分被消除。抽取的另一个优点是，由此信号的有效分辨率在采样频率的每次二等分时提高最多3dB。在采样率降低到原来的1/2^2＝1/4时，在理想情况下S/N可以提高最多6dB＝1Bit。

在第一抽取后，陷波滤波器103抑制电网的电网电压的交流分量，其中，电网周期在一个独立的支路内被测量并通过信号输入端B被馈入。

第二抽取级104进一步降低采样频率，以便降低分析级所需的计算花费并获得进一步的信号平滑。

发电机信号的负半波的起振过程在相加部位C处从负半波的在延迟级105中延时的信号中被减去，由此测量信号的幅度加倍。如果负半波的起点此外在其对应于电网周期的下个整数倍数的程度上被延迟，那么通过差值形成消除电网电压的剩下的干扰分量。

在相加部位E中从这样产生的差值信号中减去所建模的曲线变化D，其从发电机201并且其变化同样被引导通过抽取滤波器202。差值借助用于参数估计的装置301进行处理，该装置提供一组得到改进的所寻找的三个曲线参数∧₀，O₀，A₀，这三个曲线参数在方框302内被作为所建模的曲线变化的基础。

最后说明的过程被叠代几次，直至达到估计参数∧、O、A的足够的精确度。

从参数O中随后可以通过简单换算计算出漏泄电阻R_f的值。

所使用的平滑方法非常好地工作。但在接地电阻小的情况下，电网频率可能与测量非常强地相互作用。为了防止这一点，可以附加地使用陷波滤波器。

这里所介绍的方法的进一步改进可以通过抑制由于第二测量周期的开始时间的同步而造成的干扰来实现。第二测量周期、即所施加的交流电压的第二半波在此与电网频率相位同步地开始。通过这种同步延迟，两个测量周期内的电网频率时间同步地彼此重叠。在起振过程的随后的分析中，电网频率的影响可以通过对应的起振值的差值形成而得到明显降低，其中，抑制的程度仅取决于电网频率的常数和信号延迟的精确度。

Claims (14)

1.用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的方法，该直流电网和交流电网在电网与地之间具有欧姆(R_f)以及容性(C_f)绝缘电阻，其中将具有交替不同的脉冲电压值的脉冲交流电压(U₀)通过电网与地之间的欧姆电网耦合(R_i)施加到所要监测的电网上，其中针对每个脉冲电压值(U₀)监测测量电流或从中导出的作为测量电压(V_m)的量的取决于当前电网的起振过程的时间变化，

其特征在于，在电网起振到两个极性相反的脉冲电压值施加过程的相应脉冲电压值(U₀)之前测量电压(V_m)的起振过程的时间变化被用于测定电网与地之间的绝缘电阻(R_f)。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个极性相反的脉冲电压值施加过程在时间上是连续的。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电网起振之前测量电压(V_m)的起振过程的测量的时间变化被用于估计所述起振过程的计算的时间变化的模型参数并且根据模型参数测定所述绝缘电阻。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，在达到起振状态之前的起振过程期间改变所述模型参数，直至测量电压的起振过程的所测量的时间变化与所计算的时间变化的偏差低于可预先规定的阈值。

5.按权利要求3所述的方法，其特征在于，测量电压V_m的起振过程的所测量的时间变化通过利用递归抽取滤波器的多速率滤波被滤波。

6.按权利要求3所述的方法，其特征在于，在所测量的变化的采样点之间测量电压的起振过程的所测量的时间变化与所计算的时间变化的偏差按照最小平方误差方法被最小化。

7.按权利要求5所述的方法，其特征在于，在用于滤出高频信号部分的第一抽取级中，所述输入信号在采样率方面被降低。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在第一抽取级后设置陷波滤波器，用于抑制所述电网电压的交流分量。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，在第二抽取级中为了进一步的信号平滑而进一步降低采样频率。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，为进一步抑制电网频率而使用添加的陷波滤波器。

11.按权利要求2所述的方法，其特征在于，为进一步抑制干扰，第二脉冲电压值施加过程与电网频率相位同步地开始。

12.用于绝缘监测未接地的直流电网和交流电网的装置，该直流电网和交流电网在电网与地之间具有欧姆(R_f)以及容性(C_f)绝缘电阻，该装置包括脉冲交流电压源，用于将具有交替不同的脉冲电压值的脉冲交流电压(U₀)通过电网与地之间的欧姆电网耦合(R_i)施加到所要监测的电网上，并且具有监测装置，用于针对每个脉冲电压值(U₀)监测测量电流或从中导出的作为测量电压(V_m)的量的取决于当前电网的起振过程的时间变化，

其特征在于，该装置包括：

-用于检测在电网起振到两个极性相反的脉冲电压值施加过程的相应脉冲电压值(U₀)之前测量电压(V_m)的起振过程的时间变化的测量装置，以及

-用于对测量电压(V_m)的起振过程的所计算的时间变化的模型参数进行参数估计以便根据模型的参数测定电网与地之间的绝缘电阻(R_f)的装置。

13.按权利要求12所述的装置，其特征在于，所述测量装置包括用于利用递归抽取滤波器执行多速率滤波的滤波装置。

14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述滤波装置包括第一抽取级、陷波滤波器和第二抽取级。

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