CN110470963A - 一种基于dsp的高压容性设备绝缘性能在线监测装置 - Google Patents

一种基于dsp的高压容性设备绝缘性能在线监测装置 Download PDF

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李�杰
王应芬
谭武光
杨志华
沈映
张元龙
徐芸
李家保
熊斌
王磊
隋永浩
马学林
王榭崟
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    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/14Circuits therefor, e.g. for generating test voltages, sensing circuits

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,包括信号获取模块、信号调理模块、信号采样模块、信号处理模块、数据通信与传输模块和人机交互模块;利用信号获取模块容性设备接地电流和母线电压信号后传输至信号调理模块,经过信号放大、滤波、跟随隔离等预处理后进入信号采样模块,采样后的数字信号由信号处理模块作快速傅里叶变换,再通过数据通信与传输模块发送至人机交互模块和后台中控室主机,通过人机交互模块实现数据和变化曲线的现场显示,后台中控室主机能实现数据存储、数据管理和报警触发等功能。本发明不仅有效避免了硬件测量带来的精度不高的问题,而且可以实现对多个设备绝缘信息及时、准确的获取,易于推广应用。

Description

一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置
技术领域
本发明属于在线监测设备技术领域,涉及一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,具体涉及一种用于采集容性设备地电流信号、母线电压信号,通过嵌入式处理器对信号作快速傅里叶变换在线实时得到设备介损角、介损值、泄漏电流、阻性电流值的设备绝缘性能在线监测装置。
背景技术
电能是人类生产生活、社会发展最重要的能源,随着社会的发展与进步,人类对电能的需求量日益增长,同时对电力系统的可靠性要求也越来越高。
高压容性设备是变电站内必不可少的输变电设备,占到变电站总设备数量的40%-50%,常见的容性设备有电压互感器、电流互感器、高压套管、耦合电容器、电力电容器组等。
高压容性设备作为电力网络重要的基本设备,其安全可靠地工作是保障电力系统稳定运行的基础,其绝缘性能的好坏关系到变电站能否安全运行。然而在电网运行过程中,电气设备可能会因为环境腐蚀、外力破坏等原因导致设备绝缘老化和遭到破坏,使设备存在绝缘缺陷和不正常运行,引发电力系统绝缘事故的发生。因此,在高压容性设备运行过程中实时、准确的监测其绝缘性能是十分重要和必要的。
早期的高压容性设备绝缘性能的检测与维修主要经历了设备长期运行一次性实验检测与维修、定期离线实验检测与维修和半在线带电检测与维修。
长期运行一次性实验检测与维修是指设备一旦投入使用便放弃对其绝缘性能的检测,直到设备使用寿命终结或者设备发生事故后再对其检测绝缘性能与维修;在早期绝缘性能检测技术发展不成熟,运行规程不完善,电网规模和容量相对不大时使用这种方法,要求一次性投入的设备有很强的绝缘性能,并对设备运行环境作合理的绝缘环境保护,但是对于大型的电气设备,采用这种监测方法一旦在寿命周期内发生事故将会造成巨大的损失。
离线定期实验检测与维修是指对待检测设备进行定期的停电检修。但是这种实验和检修是一种定期的、离线的检测方法,首先,定期的检测方法时效性极差,不能及时获得设备的绝缘信息,很难预防设备不正常运行和电网绝缘事故的发生;其次,实验性的检测方法精测不高,由于实验电压远低于运行电压,用实验检测的方法不能准确反映设备的绝缘状态,很难发现设备内部存在的隐患;再次,对于某些不希望其停止工作的重要的电力设备,很难实现短周期地对其性能的停电检测;最后,为了实现对所有容性设备绝缘性能的检测,使用这种方法将会投入大量人力成本和时间成本在内的计划成本。
半在线带电检测与维修是指在不停电情况下,通过仪表辅助和人工测量来获得电气设备的绝缘参数,一般方法是在泄漏电流端接入采样电阻获得信号,进而计算出设备的绝缘参数。这种半在线带电检测与维修的方法比前面两种传统的测试方法实现了不停电检测,由于电气设备工作在运行电压下,因此检测结果更能真实反映设备绝缘状态,而且检测方法不受检测的周期性限制,具有较强的灵活性。然而,尽管实现了不停电检测设备的绝缘信息,还是无法满足绝缘信息的实时性要求;另外,由于设备的泄露电流十分小,仅在毫安级,测量仪表的精度对检测结果的准确性有较大的影响。
因此如何克服现有技术的不足是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:克服目前变电站定期、离线的设备绝缘检测方法带来的时效性差的问题,克服设备绝缘信息获得不及时的问题,克服由于实验电压远低于运行电压而造成的实验性检测方法精测不高的问题,克服设备绝缘检测需要停电的问题,克服实验方法检测设备绝缘造成的大量人力成本和时间成本在内的计划成本投入的问题,提供一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,该装置综合了传感器技术、信号处理技术、数据通信技术等技术,不仅有效避免了硬件测量带来的精度不高的问题,而且可以实现对多个设备绝缘信息及时、同时、准确的获取,易于推广应用。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,包括信号获取模块、信号调理模块、信号采样模块、信号处理模块、数据通信与传输模块和人机交互模块;
信号获取模块包括电流互感器和电压互感器;
电流互感器用于测量容性设备接地电流;
电压互感器用于获取加压于容性设备两端的电压信号;
电流互感器、电压互感器分别与信号调理模块相连,将采集到的信号传输到信号调理模块进行预处理,处理后的信号传输至信号采样模块;
信号调理模块、信号采样模块、信号处理模块、信号通信与传输模块和人机交互显示与管理模块顺序连接;
信号采样模块用于信号ADC采样,实现模拟信号到数字信号的转换,之后将转换后的信号传输至信号处理模块;
信号处理模块用于信号处理计算,通过对信号的快速傅里叶变换计算得到两输入信号的相角差;
数据通信与传输模块用于将信号处理模块的计算前后的内容传输至人机交互模块;
人机交互模块用于数据显示与管理。
进一步,优选的是,信号获取模块、信号调理模块均有两个,两个信号获取模块分别与两个信号调理模块相连,得到两组信号输送至信号采样模块。
进一步,优选的是,信号采样模块设有两路模拟信号输入通道。
进一步,优选的是,信号处理模块对两路数字信号的快速傅里叶变换,得到两路信号的相角差、介损角和介损值,同时得到设备的泄露电流、阻性电流。
进一步,优选的是,信号处理模块采用数字信号处理器。
进一步,优选的是,数据通信与传输模块还与后台中控室主机相连,将信号处理模块的计算前后的内容传输至后台中控室主机。
进一步,优选的是,人机交互模块还用于数据的分析与存储,能实现信号波形回放、FFT变换和越限报警。
本发明主要利用信号获取模块容性设备接地电流和母线电压信号后传输至信号调理模块,经过信号放大、滤波、跟随隔离等预处理后进入信号采样模块,采样后的数字信号由信号处理模块作快速傅里叶变换,再通过数据通信与传输模块发送至人机交互模块和后台中控室主机,通过人机交互模块实现数据和变化曲线的现场显示与管理等,后台中控室主机能实现数据存储、数据管理和报警触发等功能。
本发明方法不仅有效避免了硬件测量带来的精度不高的问题,而且可以实现对多个设备绝缘信息及时、同时、准确的获取。
本发明基于DSP的高压容性设备绝缘性能的在线监测装置,实现对容性设备绝缘性能的实时监测。具有以下意义。
(1)、绝缘性能在线监测装置可以及时、同时获得多个设备的绝缘信息,对设备安全运行状态监测和状态维修具有理论依据和指导意义。
(2)、绝缘性能在线监测装置具有基本的现场测量、现场计算、高速通信、多参数监视、多界面人机交互等功能,不论对分布式还是对集中式绝缘性能在线系统的设计,都有很好的扩展性和开发性。
(3)、绝缘性能在线监测装置有多种通信方式可选性、多种人机交互方式,方便移植与升级,是无人值守变电站必不可少的设备绝缘信息监测装置,是智能电网的基本组件之一。
本发明与现有技术相比,其有益效果为:
(1)本发明测量容性设备的接地电流、测量母线电压信号的工作过程为全数字的在线测量过程,接线简单,避免人工检测容性设备接地电流造成的检测困难,检测精度低,周期性差,步骤繁多,操作复杂,实现困难等问题。
(2)本发明具有信号调理模块,实现信号的滤波、放大、隔离与跟随,提高装置的抗干扰能力。
(3)本发明信号采样模块具有两路ADC交流采样功能,对两个被测同频周期信号进行实时同步交流采样,实现模拟信号到数字信号的转换。
(4)本发明的信号采样模块具有端口可扩展功能,根据实际需求实现1路、2路及多路的ADC交流采样。
(5)本发明的在线监测装置也可作为设备信息采集装置,实现不同设备的绝缘信息采集,可采集到的信息包括设备泄露电流、阻性电流、介损角、介损值等。
(6)本发明适用于所有容性设备的绝缘信号采集,包括电容式互感器、耦合电容器组、避雷器的泄漏电流等。
(7)本发明设有现场的HMI人机交互功能,实现数据实时显示、管理与分析模块,当数据在复杂电磁环境中传输出现传输不稳定甚至传输错误的情况,或者后台中控室主机出现故障时,不影响对测量结果的获取与备份,同时实现波形回放、数据存储、越限报警、频谱分析等功能。
附图说明
图1为本发明基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置的结构示意图;
图2为本发明基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置工作过程示意图;
图3为本发明信号获取模块电流互感器原理示意图;
图4为本发明信号获取模块结构接线图;
图5为本发明信号调理模块过程示意图;
图6为本发明信号滤波电路设计示意图;
图7为本发明信号滤波电路仿真示意图;
图8为本发明信号跟随电路设计示意图;
图9为本发明HMI人机交互电路接线示意图;
图10为本发明实验接线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者,均为可以通过购买获得的常规产品。
如图1和图2所示,一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,包括信号获取模块100、信号调理模块200、信号采样模块300、信号处理模块400、数据通信与传输模块500和人机交互模块600;
信号获取模块100包括电流互感器101和电压互感器102;
电流互感器101用于测量容性设备接地电流;
电压互感器102用于获取加压于容性设备两端的电压信号;
电流互感器101、电压互感器102分别与信号调理模块200相连,将采集到的信号传输到信号调理模块200进行预处理,处理后的信号传输至信号采样模块300;
信号调理模块200、信号采样模块300、信号处理模块400、信号通信与传输模块500和人机交互显示与管理模块600顺序连接;
信号采样模块300用于信号ADC采样,实现模拟信号到数字信号的转换,之后将转换后的信号传输至信号处理模块400;
信号处理模块400用于信号处理计算,通过对信号的快速傅里叶变换计算得到两输入信号的相角差;
数据通信与传输模块500用于将信号处理模块400的计算前后的内容传输至人机交互模块600;
人机交互模块600用于数据显示与管理。
优选,信号获取模块100、信号调理模块200均有两个,两个信号获取模块100分别与两个信号调理模块200相连,得到两组信号输送至信号采样模块300。
信号采样模块300设有两路模拟信号输入通道。
信号处理模块400对两路数字信号的快速傅里叶变换,得到两路信号的相角差、介损角和介损值,得到设备的泄露电流、阻性电流等值。
信号处理模块400采用数字信号处理器。
数据通信与传输模块500还与后台中控室主机700相连,将信号处理模块400的计算前后的内容传输至后台中控室主机700。
后台中控室主机700可以对于数据的分析与存储,能实现信号波形回放、FFT变换和越限报警。
人机交互模块600还用于数据的分析与存储,能实现信号波形回放、FFT变换和越限报警。优选,人机交互模块600设在现场。
电流互感器101采用开合式的一次穿芯的电流互感器,其原理示意图如图3所示,待测原边信号1穿过互感器的聚磁环2,产生交变磁场3穿过霍尔元件4,在副边产生输出微信号,此信号放大器5变成输出的信号6,再传到下一级。
进一步地,如图4所示,装置在采集设备接地信号时应当不改变原设备工作状态,结构上选取穿心式电流互感器101作为将电流信号获取装置,监测时测量方式为穿孔结构,将圆形、钳形或开口形传感器磁芯嵌套在待测设备接地引线8上;电压传感器3作为将电压信号获取装置。
如图5所示,所述的信号调理模块200包括滤波电路、比例运算电路、电压跟随电路三部分,对输入信号作采样前端处理后送入信号采样模块300作ADC采样。
信号调理模块200中的滤波电路如图6,设计压控电压源二阶有源低通滤波电路,通带截止频率=100Hz,等效品质因数Q=0.707,设计过程如下:
(1)选择截止频率,保证50Hz基频不失真通过。通过查表1,本文选择电容,所以采用104瓷片电容。相关计算如下:
表1
(2)选择品质因素。为了实现滤波电路有较为平滑的幅频特性,根据压控电压源二阶低通滤波电路的幅频特性曲线,选择所以:
即电路的增益放大倍数为倍。
(3)计算反馈电阻。根据运放的输入电阻的对称性,计算得:
(4)绘制电路图。根据计算得参数在Multisim软件绘制电路如图6,这里采用运放为LM324N,LM324高增益的特性可用于不同的电压等级。假设输入信号是幅值为2V,频率为50Hz的基波与幅值为0.5V,频率为450Hz的谐波叠加信号,基于Multisim虚拟工具箱分析输入输出信号,对信号进行输入输出波形,幅频特性,信号频谱分析等。
(5)如图7所示,从虚拟示波器XSC可以看出,输入450Hz信号时,输出信号明显被衰减;当输入信号为50Hz和450Hz的叠加信号时候,经过滤波电路后的输出信号滤除了450Hz的高频谐波,说明设计合理。
图8为信号跟随设计电路,跟随电路是将同相比例运算电路中的输出电压全部反馈到反向输入端而实现电压跟随的目的。在电路中引入电压串联负反馈且反馈系数为1,这样输出电压等于输入电压。电压跟随器具有比源极输出器和射极输出器更好的跟随特性,电压跟随电路可以防止电压窜入系统导致系统损坏,起到隔离,保护采集模块的作用。
进一步地,由于被测信号为50Hz的工频电信号,根据采样定理,采样频率最好是信号最高频率的3-5倍。所述的信号采样模块300采用TI公司生产的DSP片内集成ADC模数转换器,该ADC模数转换器具有12位模数转换,转换精度高,具有2个采样保持器S/H-A和S/H-B,可以实现两个信号的同步采样;可以按不同需求可以灵活配置为同时采样或者顺序采样;模拟采样的输入电压信号范围为0-3V,如果输入信号为负电压或者高于3V的电压会损坏ADC模数转换器,为此在采样前端需要对模拟信号作调理;具有高频采样功能,ADC转换时钟频率最高可配置为25MHz,采样带宽12.5MHz;具有16个模拟转换输入通道和16个结果寄存器,实现采样模拟输入通道的扩展功能;采样触发方式灵活,具有包括软件触发、PWM触发、中断触发等多个触发源。
所述的信号处理模块400采用TI公司生产的专用高性能数字信号处理器DSP芯片,具体型号为TMS320F28335,是一款32位浮点型DSP,方便开发浮点运算,与同主频的定点F2812相比,浮点运算速度是其5-8倍。而且F28335在FLASH、SRAM存储、GPIO模块、电气控制、SCI通信、I2C通信、CAN通信,中断模块、直接存储器访问DMA模块等方面都表现出更高的性能优势,在变电站容性设备绝缘性能在线测量系统装置中具有更高的运算速度和精度,可以实现比F2812更复杂的功能设计。
所述的数据通信与传输模块500采用RS232通信实现,RS232方式的串口通信就属于全双工的SCI串行通信方式,实现数据的双向传输,可以同时接收和发送数据,这种传输方式除了电源线与地线外,需要TX、RX两根数据线;本发明使用工业中应用最广的9线RS232来做串行通讯的接口,用MAX3232作为电平转换芯片,实现数据从现场到后台中控室的通信与传输。
如图9,所述的人机交互模块600采用HMI人机交互屏实现,HMI即人机接口,也叫人机界面,是下位机系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介,它将下位机系统内部对的信息转换为人们习惯接受的形式。本发明使用HMI串口屏实现人机交互的开发,HMI串口屏是一种封装好的具有HMI底层功能的,可以通过串口USART-RS232实现与下位机交互的人机交互界面设备,HMI串口屏具有四根连接线,分别为5V电源线、GND线,TX和RX数据线,HMI串口屏与DSP采用交叉的连接方式进行通信。
本发明是一种用于高压容性设备绝缘性能在线监测装置,基于专用嵌入式数字信号处理器DSP芯片为主CPU的的构架设计,通过采集设备接地电流信号、母线电压信号,对信号作现场快速傅里叶变换得到设备泄露电流、阻性电流、介损角、介损值等绝缘参数信息,具有双通道输入,采样率高,实时在线监测的特点。变电站使用工作接线如图10所示,容性设备工作在母线电压下,在线监测装置信号获取模块的穿芯式电流互感器接在容性设备接地线上获取接地电,电压互感器获取母线的电压信号,电流信号、电压信号经过计算后得到设备绝缘信息参数,再经过数据通信与传输模块将计算结果传输到人机交互模块和后台中控室主机,实现对绝缘参数数据的管理与分析,及时诊断设备绝缘与运行情况。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,包括信号获取模块(100)、信号调理模块(200)、信号采样模块(300)、信号处理模块(400)、数据通信与传输模块(500)和人机交互模块(600);
信号获取模块(100)包括电流互感器(101)和电压互感器(102);
电流互感器(101)用于测量容性设备接地电流;
电压互感器(102)用于获取加压于容性设备两端的电压信号;
电流互感器(101)、电压互感器(102)分别与信号调理模块(200)相连,将采集到的信号传输到信号调理模块(200)进行预处理,处理后的信号传输至信号采样模块(300);
信号调理模块(200)、信号采样模块(300)、信号处理模块(400)、信号通信与传输模块(500)和人机交互显示与管理模块(600)顺序连接;
信号采样模块(300)用于信号ADC采样,实现模拟信号到数字信号的转换,之后将转换后的信号传输至信号处理模块(400);
信号处理模块(400)用于信号处理计算,通过对信号的快速傅里叶变换计算得到两输入信号的相角差;
数据通信与传输模块(500)用于将信号处理模块(400)的计算前后的内容传输至人机交互模块(600);
人机交互模块(600)用于数据显示与管理。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,信号获取模块(100)、信号调理模块(200)均有两个,两个信号获取模块(100)分别与两个信号调理模块(200)相连,得到两组信号输送至信号采样模块(300)。
3.根据权利要求1或2所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,信号采样模块(300)设有两路模拟信号输入通道。
4.根据权利要求3所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,信号处理模块(400)对两路数字信号的快速傅里叶变换,得到两路信号的相角差、介损角和介损值,同时获得设备的泄露电流和阻性电流。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,信号处理模块(400)采用数字信号处理器。
6.根据权利要求1所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,数据通信与传输模块(500)还与后台中控室主机(700)相连,用于将信号处理模块(400)的计算前后的内容传输至后台中控室主机(700)。
7.根据权利要求1所述的基于DSP的高压容性设备绝缘性能在线监测装置,其特征在于,人机交互模块(600)还用于数据的分析与存储,能实现信号波形回放、FFT变换和越限报警。
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