CN103257280A - 基于电场传感器的容性设备介损监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于电场传感器的容性设备介损监测装置及监测方法，采用电场传感器现场直接获取母线电压信号的相位信息，避免传统二次侧电压信号提取过程的中带来的角差问题。监测终端采用FPGA+DSP的技术，充分利用FPGA采集精度高及DSP的快速计算能力的特点。监测终端采用两路完全相同的电路实现对监测现场电压信号和泄漏电流信号的采集处理。采用GPS同步授时技术，在GPS的时间基准上当既定的采样间隔到来时，1PPS信号的上升沿将同步触发采样逻辑模块完成电压信号和电流信号一个周期的A/D高速采样。计算得到反映设备绝缘状态的介质损耗参数信息，再把数据上传给间隔层设备。

Description

基于电场传感器的容性设备介损监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于输变电设备监测技术领域，具体涉及一种基于电场传感器的容性设备介损监测装置，本发明还涉及采用上述装置进行监测的方法。

背景技术

容性设备是变电站内设备的重要组成部分，其绝缘缺陷会对变电站的安全运行构成极大威胁，并导致严重的经济损失。为保证电力系统的安全运行，必须加强对其进行绝缘监测。随着传感器技术和计算机技术的日益成熟，在线监测成了变电站内容性设备的主要检测方法。传统的在线监测方法主要是通过对PT二次侧电压信号和监测设备末屏泄漏电流信号相位的提取，计算出监测设备的介质损耗因数，从而判断设备的绝缘运行情况。虽然在实时性上与离线检测相比具有无法比拟的优势，但在PT二次侧装置提取电压基准信号过程中，始终存在一定的角差，而且二次回路负载的变化也会造成一定的角差，这样就造成了监测过程中存在一些避免不了的误差。电场传感器是一种具有良好的抗电磁干扰能力和快速响应速度的传感器。它能够测量高电压电力系统中的瞬变电场，如果将其应用在变电站容性设备在线监测，在运行设备监测精度上将会得到很大的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电场传感器的容性设备介损监测装置，针对容性设备在线监测过程中PT二次侧信号提取过程中存在的角差问题，提出运用电场传感器对容性设备两端母线电压相位信号进行现场互感，很好的解决了因为PT二次侧信号存在的角差问题对监测精度造成的影响。

本发明的另一目的是，提供基于电场传感器的容性设备介损监测方法。

本发明所采用的技术方案是，基于电场传感器的容性设备介损监测装置，包括通过通信模块相连接的DSP处理单元及FPGA处理单元，DSP处理单元上还连接有SRAM模块、EEPRAM模块及DSP复位电路，FPGA处理单元上还连接有定时断电模块、环境参数模块、GPS授时模块及FPGA复位电路，DSP处理单元还与FPGA复位电路相连接；

FPGA处理单元上连接有两路采集电路，一路为电压采集电路，包括相连接的电场传感器及第一放大电路，第一放大电路的输出端一方面通过第一A/D采样电路与FPGA处理单元中的第一采样逻辑模块连接，另一方面依次通过第一滤波电路、第一压频转化电路、第一光耦隔离电路与FPGA处理单元中的第一测频逻辑模块连接；另一路为电流采集电路，包括相连接的穿心电流传感器及第二放大电路，第二放大电路的输出端一方面通过第二A/D采样电路与FPGA处理单元中的第二采样逻辑模块连接，另一方面依次通过第二滤波电路、第二压频转化电路、第二光耦隔离电路与FPGA处理单元中的第二测频逻辑模块连接。

其中的电场传感器，包括取样棒，取样棒的一端设置有传感器探头，取样棒的另一端设置有绝缘管，取样棒的外部包裹有传输介质。

本发明所采用的另一技术方案是，基于电场传感器的容性设备介损监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：监测主机下发采集指令给DSP处理单元，DSP处理单元通过通信模块将采集指令传给FPGA处理单元；

步骤2：FPGA处理单元根据GPS授时模块对电场传感器和穿心电流传感器采集来的信号进行同步采集，最终将采集到的模拟信号经A/D转换后得到电压信号和电流信号的离散序列上传到DSP处理单元；

步骤3：DSP处理单元对电压信号和电流信号的离散序列进行快速傅里叶变换，并计算出反映容性设备绝缘性能的介质损耗因数的数值，最后把计算后的结果上传给间隔层设备。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2中的FPGA处理单元根据GPS授时模块对电场传感器和穿心电流传感器采集来的信号进行同步采集，具体按照以下步骤实施：

电压信号的采集处理：采集的电压信号经过第一放大电路放大到适合第一A/D采样电路的电压范围，信号经过放大电路后分成两路：一路经过第一滤波电路对信号进行去噪处理，然后经过第一压频转化电路对信号进行方波化处理，经过第一光耦隔离电路后，将调理后的信号送给第一测频逻辑模块对信号进行频率的测量，另一路信号直接传给第一A/D采样电路，第一采样逻辑模块通过测得的频率实现对第一A/D采样电路采样点数及采样率进行控制；

电流信号的采集处理：采集的电流信号经过第二放大电路放大到适合第二A/D采样电路的电压范围，信号经过放大电路后分成两路：一路经过第二滤波电路对信号进行去噪处理，然后经过第二压频转化电路对信号进行方波化处理，经过第二光耦隔离电路后，将调理后的信号送给第二测频逻辑模块对信号进行频率的测量；另一路信号直接传给第二A/D采样电路，第二采样逻辑模块通过测得的频率实现对第二A/D采样电路采样点数及采样率进行控制。

其中的采样率按照以下公式计算：f_s＝f_N/512，其中f_N为第一测频逻辑模块及第二测频逻辑模块计数得到的频率值。

其中的步骤3中的DSP处理单元对电压信号和电流信号的离散序列进行快速傅里叶变换，并计算反映容性设备绝缘性能的介质损耗因数的数值，具体按照以下步骤实施：采集模拟信号经A/D转换后得到电压信号离散序列为x(n)，0≤n≤N-1，N为采样点数，K为谐波的次数，对电压x(n)序列进行离散傅里叶变换处理：

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N}+j\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N}),$

因此可知信号的实部和虚部分别为：

电压信号的实部为： $X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N},$

虚部为： $X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N},$

因此可以计算出电压信号的相位信息α：

同理可以计算得出监测容性设备末屏泄漏电流相位信息β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)},$

最后根据容性设备介质损耗的计算公式计算出相应的介质损耗因数tanδ：

$\tan \mathrm{\δ}=\tan [\mathrm{\π}/2-(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})]=\tan [\mathrm{\π}/2-\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)}+\arctan \frac{X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)}].$

本发明的有益效果是，容性设备在线监测终端采用FPGA+DSP双板双处理器结构。监测终端采用两路完全相同的电路实现对监测现场电压信号和泄漏电流信号的采集处理。FPGA单元负责对现场容性设备末屏泄漏电流信号、母线电压信号的采集及A/D采样的控制；DSP单元负责对两信号进行快速傅立叶变换，并计算出反映设备绝缘运行情况的介质损耗因数、等值电容、阻性电流及容性电流参量。最后将采集数据信息上传给间隔层设备。装置采用GPS授时模块完成对电压信号和电流信号的同步采样。

采用电场传感器现场直接获取母线电压信号的相位信息，避免传统二次侧电压信号提取过程的中带来的角差问题。监测终端采用FPGA+DSP的技术，充分利用FPGA采集精度高及DSP的快速计算能力的特点。监测终端采用两路完全相同的电路实现对监测现场电压信号和泄漏电流信号的采集处理。采用GPS同步授时技术，在GPS的时间基准上当既定的采样间隔到来时，1PPS信号的上升沿将同步触发采样逻辑模块完成电压信号和电流信号一个周期的A/D高速采样。计算得到反映设备绝缘状态的介质损耗参数信息，再把数据上传给间隔层设备。

附图说明

图1是本发明基于电场传感器的容性设备介损监测装置的结构示意图；

图2是本发明装置中电场传感器的结构示意图。

图中，1.电场传感器，2.穿心电流传感器，3.第一放大电路，4.第一滤波电路，5.第一压频转化电路，6.第一光耦隔离电路，7.第一测频逻辑模块，8.第一采样逻辑模块，9.第一A/D采样电路，10.第二放大电路，11.第二滤波电路，12.第二压频转化电路，13.第二光耦隔离电路，14.第二测频逻辑模块，15.第二采样逻辑模块，16.第二A/D采样电路，17.FPGA处理单元，18.定时断电模块，19.环境参数模块，20.GPS授时模块，21.FPGA复位电路，22.DSP处理单元，23.SRAM模块，24.EEPRAM模块，25.通信模块，26.DSP复位电路，27.传感器探头，28.取样棒，29.传输介质，30.绝缘管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于电场传感器的容性设备介损监测装置的结构，如图1所示，包括通过通信模块25相连接的DSP处理单元22及FPGA处理单元17，DSP处理单元22上还连接有SRAM模块23、EEPRAM模块24及DSP复位电路26。FPGA处理单元17上还连接有定时断电模块18、环境参数模块19、GPS授时模块20及FPGA复位电路21。DSP处理单元22还与FPGA复位电路21相连接。

FPGA处理单元17上连接有两路采集电路，一路为电压采集电路，包括相连接的电场传感器1及第一放大电路3，第一放大电路3的输出端一方面通过第一A/D采样电路9与FPGA处理单元17中的第一采样逻辑模块8连接，另一方面依次通过第一滤波电路4、第一压频转化电路5、第一光耦隔离电路6与FPGA处理单元17中的第一测频逻辑模块7连接；另一路为电流采集电路，包括相连接的穿心电流传感器2及第二放大电路10，第二放大电路10的输出端一方面通过第二A/D采样电路16与FPGA处理单元17中的第二采样逻辑模块15连接，另一方面依次通过第二滤波电路11、第二压频转化电路12、第二光耦隔离电路13与FPGA处理单元17中的第二测频逻辑模块14连接。

其中的电场传感器1的结构，如图2所示，包括取样棒28，取样棒28的一端设置有传感器探头27，取样棒28的另一端设置有绝缘管30，取样棒28的外部包裹有传输介质29。

其中传感器探头27采用金属球形状，水平放置在电场中，通过母线电压的电场变化，静电感应产生与其同相位的电流信号，实现对母线电压相位的有效提取。其中取样棒28采用铸铁材料，将感应到的电流信号传给传输介质29。其中传输介质29采用单芯自带屏蔽层的电缆线，内芯采用铜质材料，其电阻小，导电性能好，可很好的将监测到的信号传送给监测终端。其中绝缘管30采用高绝缘材料环氧树脂，主要作用是使监测到的信号不受外界因素干扰，确保监测信号的有效性。

本发明基于电场传感器的容性设备介损监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：DSP处理单元22接收间隔层设备下发的采集指令后，将采集指令通过通信模块25传给FPGA处理单元17；

步骤2：电场传感器1和穿心电流传感器2分别提取现场母线电压相位信号和监测容性设备末屏泄露电流信号，FPGA处理单元17对提取的信号通过GPS授时模块20进行同步采集。采用两路完全相同的电路实现对电压信号和电流信号的采集处理。

电压信号的采集处理：采集的电压信号经过第一放大电路3放大到适合第一A/D采样电路9的电压范围。信号经过放大电路后分成两路：一路经过第一滤波电路4对信号进行去噪处理，然后经过第一压频转化电路5对信号进行方波化处理，经过第一光耦隔离电路6后，将调理后的信号送给第一测频逻辑模块7对信号进行频率的测量。另一路信号直接传给第一A/D采样电路9，第一采样逻辑模块8通过测得的频率实现对第一A/D采样电路9采样点数及采样率进行控制。

电流信号的采集处理：采集的电流信号经过第二放大电路10放大到适合第二A/D采样电路16的电压范围。信号经过放大电路后分成两路：一路经过第二滤波电路11对信号进行去噪处理，然后经过第二压频转化电路12对信号进行方波化处理，经过第二光耦隔离电路13后，将调理后的信号送给第二测频逻辑模块14对信号进行频率的测量。另一路信号直接传给第二A/D采样电路16，第二采样逻辑模块15通过测得的频率实现对第二A/D采样电路16采样点数及采样率进行控制。

控制过程具体如下：

采样率的计算公式为：f_s＝f_N/512   （1）

其中f_N为第一测频逻辑模块7及第二测频逻辑模块14计数得到的频率值。

系统拟定对信号进行512点数采集。第一A/D采样电路9及第二A/D采样电路16采集模拟信号（现场母线电压相位信号和监测容性设备末屏泄露电流信号），转换成数字信号后再次通过通信模块25传送给DSP处理单元22；

步骤3：DSP处理单元22对FPGA处理单元17上传的数字信号进行快速傅立叶变换，并计算出反映容性设备绝缘性能的介质损耗因数的数值，最后把计算后的结果上传给间隔层设备。

具体按照以下步骤实施：采集模拟信号经A/D转换后得到电压信号离散序列为x(n)（0≤n≤N-1，N为采样点数），K为谐波的次数，对电压x(n)序列进行离散傅里叶变换处理：

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N}+j\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N})---\left(2\right)$

因此可知信号的实部和虚部分别为：

电压信号的实部为： $X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N}---\left(3\right)$

虚部为： $X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N}---\left(4\right)$

因此可以计算出电压信号的相位信息α：

同理可以计算得出监测容性设备末屏泄漏电流相位信息β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)}---\left(6\right)$

最后根据容性设备介质损耗的计算公式计算出相应的介质损耗因数tanδ：

$\tan \mathrm{\δ}=\tan [\mathrm{\π}/2-(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})]=\tan [\mathrm{\π}/2-\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)}+\arctan \frac{X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)}]---\left(7\right)$

其中电场传感器1主要作用是对容性设备运行现场的母线电压进行监测，是本发明的主要创新点。选用电场传感器1的最大优势是避免了通过PT二次侧信号相位提取过程中存在的角差问题。而且安装方便，只要放在监测设备两端电压所处的电场中即可。同时避免了传统监测过程中可能存在的电压短路等危险现象。

其中穿心电流传感器2选用穿心式有源零磁通小电流传感器，铁芯材料是优质的电磁坡莫合金，采用深度负反馈技术实现对铁心全自动补偿，可以精确的获取出100μA-700mA范围内的泄漏电流信号，而且相位误差不超过0.01°，完全符合容性设备介质损耗在线监测精度要求。而且穿心式结构可以在不改变原有接线方式基础上实现对监测信号的获取，因此安装方式灵活、可靠。

其中第一放大电路3及第二放大电路10采用可编程增益仪表放大器PGA204，特点是精度高、数字控制可编程增益。由程序自动控制信号放大倍数，具有控制灵活、线性度高、稳定可靠等优点。模拟输入端内部输入保护电路能够承受±40V电压，采用激光校正，以获得极低的失调电压和漂移，以及高共模抑制比。工作电源电压可低至±4.5V，静态电流5mA，额定温度-40～+85℃。可将传感器采集到的模拟信号放大到1V到10V范围，满足A/D采样精度要求。

其中第一滤波电路4及第二滤波电路11主要是对信号中混杂的噪声进行去除。本发明选用有源滤波芯片UAF42作为滤波电路主要器件。该芯片主要特点是可以根据外围电路电阻和电容的选取设计成相应的高通、低通、带通及带阻滤波器。因此具有设计方便、滤波效果良好等优点。

其中第一压频转化电路5及第二压频转化电路12主要是将采集来的模拟正弦信号转换成方波信号，进而完成对模拟信号频率的测量。系统采用双极性电压比较器LM139作为压频转化电路主要器件。该输出电压是两输入端电压的比较结果，当输入电压大于零电位时输出高电平，反之输出低电平。因为该芯片是低功耗低失调电压比较器，采用双电源供电。因此具有工作稳定，转换精度高等特点。

其中第一光耦隔离电路6及第二光耦隔离电路13主要作用是对FPGA处理单元17和压频转化电路之间的隔离保护。模块选用6N137芯片作为光电隔离的主要器件。6N137光耦合器是一款单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，具有很高的输入输出隔离功能。用在电路中可以有效的保证信号的单通道运行，避免电路之间的相互影响。

其中第一测频逻辑模块7及第二测频逻辑模块14主要实现对采集信号频率的测量，经过第一压频转化电路5及第二压频转化电路12，信号由正弦信号变成方波信号。将此方波信号通过D触发器，实现倍频。然后通过系统时钟信号以及微处理器的使能信号，对信号频率进行计数，计数值通过微处理器NiosII进行计算继而转换成相应的频率。系统使用的是20M的晶振，即其全局时钟clk周期为1/40us，若信号输入的是标准工频50Hz，此时寄存器的计数输出为1/50s÷1/20us=400000。因此根据计数多少就可以计算出相应信号的频率。

其中第一采样逻辑模块8及第二采样逻辑模块15，其主要作用是FPGA处理单元17根据第一测频逻辑模块7及第二测频逻辑模块14测得信号频率，在拟定采样点的基础上，计算出信号的采样率，进而完成对信号的A/D采样。

其中第一A/D采样电路9及第二A/D采样电路16采用TI公司的ADS8505作为模数转换芯片。ADS8505是16位A/D转换器，采用单5V电源供电，采样速率为250kSPS，并行16位的数据输出，适合于8位和16位的数据总线，输入信号范围可以达到±10V；输入的模拟信号通过与比较器逐次比较来输出相应数字信号。其外围电路设计简单，整体功耗大约在70mW左右。

其中FPGA处理单元17选择Altera公司生产的Cyclone系列芯片EP1C6Q240I7作为监测终端主控制芯片。该芯片具有时钟频率高、内部延时小，外围电路控制逻辑都是由硬件完成，具有处理速度快、控制效率高等特点。可以很好地利用Nios II软核嵌入式系统实现系统外围电路软、硬件电路开发设计。尤其对A/D采样速率控制上有其他芯片无法比拟的优势。可以很好的实现对信号的采集和数字化处理。

其中定时断电模块18选用CD4060BE芯片作为电路主要芯片。主要是考虑到第一放大电路3及第二放大电路10、第一滤波电路4及第二滤波电路11、第一压频转化电路5及第二压频转化电路12、FPGA处理单元17及DSP处理单元22等在实际工作中，很可能出现程序跑飞但不足以启动看门狗复位情况下继续按照之前运行参数工作，这样就使系统监测产生误差，因此系统通过设计定时断电复位电路对监测终端电源进行定时断电，从而保证设备的安全稳定的工作，在系统断电3分钟后监测终端硬件主板的自动供电，继而对控制系统进行上电初始化。

其中环境参数模块19主要作用是对监测设备运行过程中的温度和湿度信息进行监测。系统选用瑞士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。因此可以很好的对容性设备现场环境运行参数进行实时监测，在对设备故障诊断中提供可靠依据。

其中GPS授时模块20采用设计中选择了摩托罗拉（Motorola）M12+Timing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，其内部采用Motorola的时间RAIM算法，确保了GPS测量的有效性和可靠性。在GPS的时间基准上当采样间隔到来时，1PPS信号的上升沿将同步触发采样逻辑模块并根据采样率在高电平的时间内完成一样个周期的A/D高速采样。

其中FPGA复位电路21主要是软件看门狗复位模块，考虑到FPGA处理单元17在出现异常或者硬件看门狗非正常工作时，FPGA系统不能及时重启，针对此现象，系统设计软件看门狗复位模块21。DSP处理器单元22定时向FPGA处理单元17发送握手信号，如果返回信号正常，则系统继续运行；若返回的信息出现异常时，DSP处理器单元22就会向FPGA单元发出复位信号，保证设备稳定运行。

其中DSP处理单元22采用美国TI公司的DSP芯片TMS320F28335，该芯片是控制领域的一款技术先进、功能强大的DSP芯片。相对于以往芯片具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高、数据以及程序存储量大等优点，运行时最高频率可达到150MHz。其快速数字信号处理能力可很好的实现对采集电压信号和电流信号数据进行512点的FFT运算。

其中SRAM模块23主要作用是存储DSP系统运行过程中的中间数据，系统采用IS61LV51216芯片，此款芯片是一个8M容量，结构为512K*16位字长的高速率SRAM，具有速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。

其中EEPRAM模块24主要作用是在DSP处理单元22上电后对系统参数进行配置，系统采用32k的AT24V32芯片。具有低功耗、掉电不丢失等特点，有效的确保电路的稳定运行。

其中通信模块25主要作用是完成FPGA处理单元17和DSP处理单元22之间的数据和指令的通信。系统采用RS232串口电路，RS232接口采用单端非差分电路，支持点对点数据通信，线路共用接地线，无需握手连接变可以直接进行通信，具有电路设计简单等特点。

其中DSP复位电路26主要作用是在DSP处理单元22受外界干扰等因素影响、程序跑飞致使设备无法正常工作时对系统进行复位处理。系统采用CAT1832V-GT3芯片作为看门狗电路主控芯片。此外通过配置按键单元还可以人为的对系统进行复位操作。

本发明中，采用电场传感器对监测设备现场母线电压相位信息进行提取，有效的避免了传统监测过程中PT二次侧存在的角差问题，提高了系统监测精度。监测终端采用FPGA+DSP的技术，充分利用FPGA采集精度高及DSP的快速计算能力的特点，在对信号进行采集同时现场进行数字化处理，并计算得到反映设备绝缘运行情况的介质损耗等参数信息。采用GPS同步授时技术完成对电压信号和电流信号的同步采样。

该监测装置在山东济宁110Kv变电站进行了挂网试验运行，对站内3个间隔的电流互感器绝缘性能进行现场监测试验。监测主机下发采集指令给DSP处理单元，DSP处理单元通过通信模块将采集指令传给FPGA处理单元，FPGA处理单元根据GPS授时模块对电场传感器和电流互感器采集来的信号进行同步采集，最终将采集模拟信号经A/D转换后得到电压信号和电流信号的离散序列上传DSP处理单元，DSP处理单元对电压信号和电流信号的离散序列进行快速傅里叶变换，得到母线电压信号和监测设备的相位信息。计算出相应的介损值。设备运行期间介质损耗监测值在0.21%到0.92%之间变化，与其停电检修时介损范围0.19%到0.85%非常接近，验证了此监测装置的有效性，监测精度完全符合要求。

Claims (6)

1.基于电场传感器的容性设备介损监测装置，其特征在于，包括通过通信模块（25）相连接的DSP处理单元（22）及FPGA处理单元（17），DSP处理单元（22）上还连接有SRAM模块（23）、EEPRAM模块（24）及DSP复位电路（26），FPGA处理单元（17）上还连接有定时断电模块（18）、环境参数模块（19）、GPS授时模块（20）及FPGA复位电路（21），所述的DSP处理单元（22）还与FPGA复位电路（21）相连接；

所述的FPGA处理单元（17）上连接有两路采集电路，一路为电压采集电路，包括相连接的电场传感器（1）及第一放大电路（3），第一放大电路（3）的输出端一方面通过第一A/D采样电路（9）与FPGA处理单元（17）中的第一采样逻辑模块（8）连接，另一方面依次通过第一滤波电路（4）、第一压频转化电路（5）、第一光耦隔离电路（6）与FPGA处理单元（17）中的第一测频逻辑模块（7）连接；另一路为电流采集电路，包括相连接的穿心电流传感器（2）及第二放大电路（10），第二放大电路（10）的输出端一方面通过第二A/D采样电路（16）与FPGA处理单元（17）中的第二采样逻辑模块（15）连接，另一方面依次通过第二滤波电路（11）、第二压频转化电路（12）、第二光耦隔离电路（13）与FPGA处理单元（17）中的第二测频逻辑模块（14）连接。

2.根据权利要求1所述的基于电场传感器的容性设备介损监测装置，其特征在于，所述的电场传感器（1），包括取样棒（28），取样棒（28）的一端设置有传感器探头（27），取样棒（28）的另一端设置有绝缘管（30），取样棒（28）的外部包裹有传输介质（29）。

3.基于电场传感器的容性设备介损监测方法，其特征在于，采用基于电场传感器的容性设备介损监测装置，其结构为：

包括通过通信模块（25）相连接的DSP处理单元（22）及FPGA处理单元（17），DSP处理单元（22）上还连接有SRAM模块（23）、EEPRAM模块（24）及DSP复位电路（26），FPGA处理单元（17）上还连接有定时断电模块（18）、环境参数模块（19）、GPS授时模块（20）及FPGA复位电路（21），所述的DSP处理单元（22）还与FPGA复位电路（21）相连接；

所述的FPGA处理单元（17）上连接有两路采集电路，一路为电压采集电路，包括相连接的电场传感器（1）及第一放大电路（3），第一放大电路（3）的输出端一方面通过第一A/D采样电路（9）与FPGA处理单元（17）中的第一采样逻辑模块（8）连接，另一方面依次通过第一滤波电路（4）、第一压频转化电路（5）、第一光耦隔离电路（6）与FPGA处理单元（17）中的第一测频逻辑模块（7）连接；另一路为电流采集电路，包括相连接的穿心电流传感器（2）及第二放大电路（10），第二放大电路（10）的输出端一方面通过第二A/D采样电路（16）与FPGA处理单元（17）中的第二采样逻辑模块（15）连接，另一方面依次通过第二滤波电路（11）、第二压频转化电路（12）、第二光耦隔离电路（13）与FPGA处理单元（17）中的第二测频逻辑模块（14）连接；

所述的电场传感器（1），包括取样棒（28），取样棒（28）的一端设置有传感器探头（27），取样棒（28）的另一端设置有绝缘管（30），取样棒（28）的外部包裹有传输介质（29）；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：监测主机下发采集指令给DSP处理单元（22），DSP处理单元（22）通过通信模块（25）将采集指令传给FPGA处理单元（17）；

步骤2：FPGA处理单元（17）根据GPS授时模块（20）对电场传感器（1）和穿心电流传感器（2）采集来的信号进行同步采集，最终将采集到的模拟信号经A/D转换后得到电压信号和电流信号的离散序列，将得到的离散序列上传到DSP处理单元（22）；

步骤3：DSP处理单元（22）对电压信号和电流信号的离散序列进行快速傅里叶变换，并计算出反映容性设备绝缘性能的介质损耗因数的数值，最后把得到的数值上传给间隔层设备。

4.根据权利要求3所述的基于电场传感器的容性设备介损监测方法，其特征在于，所述的步骤2中的FPGA处理单元（17）根据GPS授时模块（20）对电场传感器（1）和穿心电流传感器（2）采集来的信号进行同步采集，具体按照以下步骤实施：

电压信号的采集处理：采集的电压信号经过第一放大电路（3）放大到适合第一A/D采样电路（9）的电压范围，信号经过放大电路后分成两路：一路经过第一滤波电路（4）对信号进行去噪处理，然后经过第一压频转化电路（5）对信号进行方波化处理，经过第一光耦隔离电路（6）后，将调理后的信号送给第一测频逻辑模块（7）对信号进行频率的测量，另一路信号直接传给第一A/D采样电路（9），第一采样逻辑模块（8）通过测得的频率实现对第一A/D采样电路（9）采样点数及采样率进行控制；

电流信号的采集处理：采集的电流信号经过第二放大电路（10）放大到适合第二A/D采样电路（16）的电压范围，信号经过放大电路后分成两路：一路经过第二滤波电路（11）对信号进行去噪处理，然后经过第二压频转化电路（12）对信号进行方波化处理，经过第二光耦隔离电路（13）后，将调理后的信号送给第二测频逻辑模块（14）对信号进行频率的测量；另一路信号直接传给第二A/D采样电路（16），第二采样逻辑模块（15）通过测得的频率实现对第二A/D采样电路（16）采样点数及采样率进行控制。

5.根据权利要求4所述的基于电场传感器的容性设备介损监测方法，其特征在于，所述的采样率按照以下公式计算：f_s＝f_N/512，其中f_N为第一测频逻辑模块（7）及第二测频逻辑模块（14）计数得到的频率值。

6.根据权利要求3所述的基于电场传感器的容性设备介损监测方法，其特征在于，所述的步骤3中的DSP处理单元（22）对电压信号和电流信号的离散序列进行快速傅里叶变换，并计算反映容性设备绝缘性能的介质损耗因数的数值，具体按照以下步骤实施：采集模拟信号经A/D转换后得到电压信号离散序列为x(n)，0≤n≤N-1，N为采样点数，K为谐波的次数，对电压x(n)序列进行离散傅里叶变换处理：

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N}+j\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N}),$

因此可知信号的实部和虚部分别为：

电压信号的实部为： $X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\πkn}}{N},$

虚部为： $X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\sin \frac{-2\mathrm{\πkn}}{N},$

因此可以计算出电压信号的相位信息α：

同理可以计算得出监测容性设备末屏泄漏电流相位信息β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)},$

最后根据容性设备介质损耗的计算公式计算出相应的介质损耗因数tanδ：

$\tan \mathrm{\δ}=\tan [\mathrm{\π}/2-(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})]=\tan [\mathrm{\π}/2-\arctan \frac{X_{\mathrm{II}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{IR}}\left(k\right)}+\arctan \frac{X_{\mathrm{UI}}\left(k\right)}{X_{\mathrm{UR}}\left(k\right)}].$

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