CN106707007A - 变电设备绝缘在线监测系统的工作方法 - Google Patents

变电设备绝缘在线监测系统的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变电设备绝缘在线监测系统的工作方法，其包括：用于测量MOA或容性设备泄漏电流的电流测量装置；该电流测量装置包括：用于获取MOA或容性设备的泄漏电流信号的第一互感器，用于获取电网的电压信号的第二互感器，与该第一、第二互感器相连的同步ADC，与该同步ADC相连的CPU、与该CPU相连的通讯模块。该系统中，MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法包括：等间隔同步采样电网电压和MOA或容性设备的泄露电流信号的W个采样数据；获取电网电压的m1次谐波幅值和初相角；获取泄露电流的m2次谐波幅值和初相角；应用谐波叠加原理计算阻性泄露电流的有效值；计算电网电压和泄露电流的初相角；按照投影法获取泄露电流在电网电压上的投影角；计算阻性泄露电流。

Description

变电设备绝缘在线监测系统的工作方法
技术领域
本发明涉及一种变电设备绝缘在线监测系统及其工作方法。
背景技术
目前，我国变电站电气设备的试验工作，主要仍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。根据试验的结果来判断设备的运行状态，从而确定其是否可以继续投入运行。长期以来坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用，但随着电力系统大容量化、高电压化和结构复杂化，随着工农业生产的发展，对电力系统的安全可靠性指标的要求也越来越高。这种传统的试验与诊断方法已显得越不适应，主要表现在试验时需要停电，试验周期长。造成少送电量及经济生活带来一定的影响，这就难以及时诊断故障缺陷。随着高压设备状态检修工作的全面展开，建立一套实时监测变电设备运行状态的系统，为变电设备状态评估、风险分析、故障诊断、检修策略决策提供技术支撑是十分必要的。
金属氧化物避雷器（简称MOA）因其优越的过电压保护特性在电力系统中得到广泛应用，但MOA电阻片老化以及经受热和冲击破坏会引起故障，严重可能会导致其爆炸，避雷器击穿还会导致变电站母线短路，影响系统安全运行，因此必须对运行中的MOA进行严格有效的检测和定期预防性试验。在氧化锌避雷器的检测和试验中，交流运行电压下的泄漏电流测量是一个重要的项目，泄漏电流中的阻性电流基波成分的大小能较准确反映氧化锌避雷器受潮、阀片的老化和内部绝缘受损等缺陷。因此，对阻性泄漏电流基波等参量进行准确测量就可以较为准确地对MOA性能进行判别。
MOA阻性电流测试装置应用谐波分析技术对运行中的MOA的阻性泄漏电流等参量进行检测，进而判断MOA的性能。所述测试装置一般由MOA泄露电流传感器、电网电压传感器、信号调理电路、数据采集电路、CPU和相应的分析软件组成。MOA泄露电流传感器一般采用电流互感器，串设在MOA的下端的接地线中，获取MOA的泄露电流；电网电压传感器一般采用电压互感器，安装在PT设备附近获取电网的电压信号；信号调理电路将传感器送来的电压、电流信号变换为适合采集电路采样的电压信号；由数据采集电路将调理后的信号进行采样，再由分析软件来完成对谐波的分析与检测，进而获取MOA阻性泄露电流。现有技术获取MOA阻性泄露电流的精度较低，这影响了对MOA性能判别的准确性和可靠性。
所谓同频周期信号指的是两个周期信号的频率相同；所谓周期信号的初相角，是指：对于一周期信号，（其中：为整数，T为周期），初相角，式中：t0为离原点最近的过零点；所谓相位差是指：两个同频周期信号初相角之差。
相位差测量在电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域有着重要的意义。常用的相位差测量方法有过零法、相关分析法和波形转换法等多种。
过零法包括过零时间法和过零电压比较法等。
过零时间法是检测周期信号过零点的时间差，该方法需要精确确定过零点时间和高精度计时装置，但常规的确定过零点的方法往往存在较大误差。
过零电压比较法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差然后通过正弦关系来计算相位差，在有谐波情况下，使用过零点法测量得到的相位角和电压幅值是各次谐波矢量叠加波形的相位角和电压幅值，并不符合正弦特性。
相关分析法是使用两同频率正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差成正比的原理得到相位差的。但由于过零时间的确定较为困难，且空间干扰在有固定干扰源的情况下也并非完全不相关，故测量精度无法保证。
波形转换法是将周期信号转换成三角波、锯齿波、方波等其他波形后来测量其相位差，这类方法是过零检测法的变形，具有类似的测量弊端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变电设备绝缘在线监测系统及其工作方法，以通过获得高精度的相位差测量结果，得到高精度的MOA或容性设备的阻性泄漏电流，进而提高对MOA或容性设备性能判别的准确性和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种变电设备绝缘在线监测系统，其包括：嵌入式处理器，与该嵌入式处理器相连的触摸屏、网络通讯接口、多个串口和继电器；所述的串口连接有用于测量MOA或容性设备泄漏电流的电流测量装置；该电流测量装置包括：用于获取MOA或容性设备的泄漏电流信号的第一互感器，用于获取电网的电压信号的第二互感器，与该第一、第二互感器相连的同步ADC，与该同步ADC相连的CPU、与该CPU相连的通讯模块；所述CPU通过所述串口与嵌入式处理器相连；所述继电器用于控制所述电流测量装置的电源。
两个电流传感器把被测电流信号变换为电压信号，然后由数字化测量系统对信号进行整周期采样（ADC）及改进式准同步DFT处理，获得这两个信号的基波向量及其相位夹角。如果不考虑电压互感器（PT）的相位失真问题，则可方便地计算出电容型设备Cx的介质损耗Tanδ值及避雷器设备MOA的阻性电流的基波分量峰值IRP。与以往的相位过零比较法相比，该方法的最大优点是不需要复杂的模拟信号处理电路，长期工作的稳定性得到保证，且能有效抑制谐波干扰影响。实测表明，即使被测电流信号中的谐波信号含量与基波含量相同，也不会对介质损耗及阻性电流结果造成影响。
上述变电设备绝缘在线监测系统的工作方法，其包括：MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法，该测量方法包括：
（a）等间隔同步采样电网电压和所述MOA或容性设备的泄露电流信号的W个采样数据；
（b）对上述W个采样数据采用谐波分析法获取电网电压的m1次谐波幅值Vk1和初相角φVk1，k1=1,…,m1；同时，获取所述泄露电流的m2次谐波幅值Ik2和初相角φIk2 ，k2=1,…,m2；所述m1、m2分别不小于所述电网电压和泄露电流信号离散频谱的最高谐波次数；
（c）应用谐波叠加原理计算所述泄露电流的有效值I；
（d）计算电网电压和所述泄露电流的初相角φV和φI；
（e）按照投影法获取泄露电流在电网电压上的投影角φ=φI-φV；
（f）计算所述MOA或容性设备的阻性泄露电流IR=Icos(φ) 。
所述的等间隔同步采样是分别对电网电压和所述泄露电流信号在一个周期内同时采样N点，即采样频率为f s =Nf，且N≥64，f为电网电压的频率。
作为一种优选，所述步骤（d）根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角：
， 其中，φk为谐波相角，Ak为谐波幅值，为整数；计算所述初相角φV和φI时，m的取值分别是所述m1、m2。
作为另一种优选的方案，所述步骤（d）采用如下步骤：
（1）、取φ=φ1；
（2）、代入计算；
（3）、代入计算；
（4）、用计算获得的和代入计算新的φ；
（5）、重复步骤（2）、（3）、（4）直至φ收敛或者满足精度要求。
优选地，所述m1、m2次谐波的次数由被测周期信号的最高谐波次数和所要求的分析精度而作相应选择，但不应小于被测周期信号离散频谱的最高谐波次数。
W由周期内采样点数N和所选择的谐波分析方法决定，如采用离散傅里叶变化（DFT）法或快速傅里叶变化（FFT）法时，W=nN（n为采样的周期数）；准同步谐波分析法由积分方法决定，常用的积分方法有复化梯形积分方法W=nN、复化矩形积分方法W=n(N-1)、复化辛普森积分方法W=n(N-1)/2等。本发明的相位差测量方法的测量精度由周期内采样点数N和所选择的谐波分析方法决定，运算过程不会带来测量误差，可以获得高精度的测量结果。
相对于现有技术，本发明的积极效果在于：
（1）本发明的MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法，主要用于改进和提高MOA或容性设备的阻性泄露电流的测量质量，获取高精度的阻性泄露电流，进而提高对MOA或容性设备性能判别的准确性和可靠性。本发明的相位差测量方法的测量精度由周期内采样点数N和所选择的谐波分析方法决定，运算过程不会带来测量误差，可以获得高精度的测量结果。
（2）本发明的变电设备绝缘在线监测系统是一套针对35kV以上电压等级的变电高压电气设备，实施状态监测及诊断的完整的解决方案，适应于监测运行中电力变压器套管、电抗器、互感器、耦合电容器的末屏电流及介质损耗和电容量、避雷器的泄漏电流、阻性电流及动作计数和动作时间等参数的监测并以总线通讯方式把监测数据以数字形式传送到集控采集单元。本监测系统可独立自成系统也可和智能变电站监测系统一体化设计，通过以太网把监测数据传送至一体化信息平台，可把若干个变电站监控系统的监测数据汇集到上层的数据管理诊断系统，实现对多座变电站内的高压设备绝缘在线监测系统进行集中监测监控管理。用户利用局域网可随时获取监测数据结果。
（3）本发明的MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法为全数字的测量过程，在测量过程中只需要根据采样频率fs对两个被测同频周期信号进行同步采样，然后按照谐波分析方法和初相角方程进行运算，就可以获得两个初相角φ1和φ2，最后计算它们的相位差φ’。测量过程中不需要添加其它的硬件电路，全数字实现。
附图说明
图1为本发明的变电设备绝缘在线监测系统的结构框图；
图2为本发明的测量MOA或容性设备泄漏电流的电流测量装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本实施例的变电设备绝缘在线监测系统包括：嵌入式处理器（ARM11），与该嵌入式处理器相连的触摸屏（优选A56TFT电阻式触摸液晶屏）、网络通讯接口（包括：以太网、光纤接口）、键盘和多个串口和继电器。
所述的串口连接有用于测量MOA或容性设备泄漏电流的电流测量装置；该电流测量装置包括：用于获取MOA或容性设备的泄漏电流信号的第一互感器，用于获取电网的电压信号的第二互感器，与该第一、第二互感器相连的同步ADC，与该同步ADC相连的CPU（优选STM32系列ARM处理器）、与该CPU相连的通讯模块；该通讯模块包括RS-485和CAN总线通讯模块；各项参数可通过RS-485或CAN总线使用ModBus RTU协议远传。
所述CPU通过所述串口与嵌入式处理器相连；所述继电器用于控制所述电流测量装置的电源。
上述MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法包括：
（a）等间隔同步采样电网电压和所述MOA或容性设备的泄露电流信号的W个采样数据：{f(i),i=0,1,…,W-1}和{f2(i),i=0,1,…,W-1}。W由周期内采样点数N和所选择的谐波分析方法决定，如采用离散傅里叶变化（DFT）法或快速傅里叶变化（FFT）法时，W=nN（n为采样的周期数）；准同步谐波分析法由积分方法决定，常用的积分方法有复化梯形积分方法W=nN、复化矩形积分方法W=n(N-1)、复化辛普森积分方法W=n(N-1)/2等。
（b）对上述W个采样数据采用谐波分析法获取电网电压的m1次谐波幅值{ Vk1,k1=1,…,m1}和初相角{φVk1,k=1,…,m1}；同时，获取所述泄露电流的m2次谐波幅值{Ik2,k2=1,…,m2}和初相角{φIk2，k2=1,…,m2}；所述m1、m2分别不小于所述电网电压和泄露电流信号离散频谱的最高谐波次数，也可由被测周期信号的最高谐波次数和所要求的分析精度而作相应选择；
（c）应用谐波叠加原理计算所述泄露电流的有效值I；
（d）计算电网电压和所述泄露电流的初相角φV和φI；
（e）按照投影法获取泄露电流在电网电压上的投影角φ=φI-φV；
（f）计算所述MOA或容性设备的阻性泄露电流IR=Icos(φ) 。
所述的等间隔同步采样是分别对电网电压和所述泄露电流信号在一个周期内同时采样N点，即采样频率为f s =Nf，且N≥64，f为电网电压的频率。
作为一种优选，所述步骤（d）根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角：
， 其中，φk为谐波相角，Ak为谐波幅值，为整数；计算所述初相角φV和φI时，m的取值分别是所述m1、m2。
作为另一种优选的方案，所述步骤（d）采用如下步骤：
（1）、取φ=φ1；
（2）、代入计算；
（3）、代入计算；
（4）、用计算获得的和代入计算新的φ；
（5）、重复步骤（2）、（3）、（4）直至φ收敛或者满足精度要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种变电设备绝缘在线监测系统的工作方法，该系统包括：嵌入式处理器，与该嵌入式处理器相连的触摸屏、网络通讯接口、多个串口和继电器；
所述的串口连接有用于测量MOA或容性设备泄漏电流的电流测量装置；
该电流测量装置包括：用于获取MOA或容性设备的泄漏电流信号的第一互感器，用于获取电网的电压信号的第二互感器，与该第一、第二互感器相连的同步ADC，与该同步ADC相连的CPU、与该CPU相连的通讯模块；
所述CPU通过所述串口与嵌入式处理器相连；
所述继电器用于控制所述电流测量装置的电源；
其特征在于，
所述的工作方法，包括：MOA或容性设备的阻性泄漏电流的测量方法，该测量方法包括：
（a）等间隔同步采样电网电压和所述MOA或容性设备的泄露电流信号的W个采样数据；
（b）对上述W个采样数据采用谐波分析方法获取电网电压的m1次谐波幅值Vk1和初相角φVk1，k1=1,…,m1；同时，获取所述泄露电流的m2次谐波幅值Ik2和初相角φIk2 ，k2=1,…,m2；所述m1、m2分别不小于所述电网电压和泄露电流信号离散频谱的最高谐波次数；
（c）应用谐波叠加原理计算所述泄露电流的有效值I；
（d）计算电网电压和所述泄露电流的初相角φV和φI；
（e）按照投影法获取泄露电流在电网电压上的投影角φ=φI-φV；
（f）计算所述MOA或容性设备的阻性泄露电流IR=Icos(φ) ；
所述步骤（d）根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角：
， 其中，φk为谐波相角，Ak为谐波幅值，为整数；计算所述初相角φV和φI时，m的取值分别是所述m1、m2；
所述的谐波分析方法为快速傅里叶变化法，W=nN，n为采样的周期数。
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