CN201047863Y - 基于gps时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
Description
基于GPS时钟倌号的高压容性设备绝缘在线监測系统技术领域本实用新型涉及高压电气设备绝缘在线监测领域，特别涉及一种基于 GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统。背景技术电力系统的电容型电流互感器、电容型套管、电容式电压互感器、耦 合电容、避雷器等高压电气设备在长期的运行中受强电场、机械力、化学 腐蚀和环境等因素的影响，其绝缘性能将逐渐老化，从而导致设备故障， 威胁电力系统的安全运行。介质损耗因素等能够反映上述设备的绝缘性 能，通过监测容性设备的末屏电流与对应系统电压的相位差，从而得到介 质损耗因素，可以判断该设备的绝缘状况。申请号为03129228.3的中国发 明专利申请中提出了基于参考相位法的高压电气设备绝缘参数的在线监 测方法，其方法解决了传统绝缘在线监测的诸多问题，为了监测电容型设 备的介质损耗因素和等值电容量，引入了参考相和参考相位的方法，即是 全站均以AC220V工作电源为参考相，各监测单元内均设有用于采集参考 相信号的传感器；这种方法在实际应用中，因为AC220V统一从变电站主 控室引入各就地监测单元，导致现场施工的拓扑结构复杂而较难施工；还 因为用作参考的AC220V电源带的就地监测单元越多，负载越大，会导致 AC220V产生一定的相移，而该相移只要达到一定的范围，则会较大的影 响测量电容型设备介质损耗因素的精度。此夕卜，在申请号为200510022748.2 的中国发明专利申请中提出了一种电容型设备介质损耗在线监测系统，主 要包括测试仪、中心计算机和电流采样电路；所述测试仪通过GPRS无线 网络、GPRS服务器、Internet网络与中心计算机互连通信，接收中心计算 机的采集命令并对采集信号进行滤波、量化、存储和转发；各测试仪接收 卫星的GPS时钟信号；实现异地同步采集；中心计算机用于控制测试仪采 集测试，并对发回的采集数据进行计算、存储和分析；所述电流采样电路 分别与电容型设备和测试仪连接，是测试仪的采样信号引入电路。这种系 统采用了以GPS时钟为基准进行同步釆样的方法，而且釆用了移动通信的 GPRS无线服务进行无线网络通信，能实现异地同步采集的同时，可以解 决测试仪与中心计算机之间的无线通信问题；但仍存在明显的缺点：由于 该方法没有监测被测容性设备上所施加的电压信号，所以不能监测所测设 备的真实介质损耗因素，而只能监测其绝缘参数的相对变化趋势；由于监 测值只是设备的相对介质损耗，所以只能对变电站内同类型、同批次的设 备进行相对介质损耗的横向比较，以判断其中有无设备出现故障，而不能 对变电站内的所有不同类型，不同批次的容性设备进行同步监测，且因每 次监测的绝缘参数值不确定，所以不能对某一特定容性设备的绝缘状态进 行纵向比较；再者，由于该方法只属于便携式测量系统，只在测量时才临 时搭建于现场，而不是永久性安装在变电站现场，所以该系统不能连续监 测变电站内容性设备的绝缘水平，从而及早发现容性设备的绝缘隐患，因 此，该技术难以满足高压电气设备绝缘在线监测的要求。实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可以较 好地满足高压电气设备绝缘在线监测的要求，原理简单，操作方便，易于 施工及管理,作用安全可靠的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线 监测系统。本系统适用于电容型设备介质损耗因素和氧化锌避雷器泄漏电 流的在线监测。本实用新型的目的通过下述技术方案实现： 一种基于GPS时钟信号的 高压容性设备绝缘在线监测系统，包括就地监测单元和站端控制主机，所 述就地监测单元包括CPU、无线通信模块、GPS时钟接收模块，CPU与 无线通信模块、GPS时钟接收模块相连接，就地监测单元的无线通信模块 与站端控制主机通过无线网络相连接，其特征在于：所述就地监测单元包 括采集高压容性设备末屏电流的就地监测电流单元及采集施加在该设备 上的电压，即PT 二次侧电压的就地监测电压单元，两者同时安装在同一 段母线上；所述无线通信模块为2.4GHz无线网络模块。所述就地监测电流单元及就地监测电压单元都包括有精密单匝式穿 心传感器，容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器 后，再引出接入接地点；PT 二次侧电压通过串入电阻转换成电流信号， 单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点。所述精密单匝式穿心传感器与高压容性设备无直接连接，安全可靠；传感器设置高 导磁率玻镆合金铁芯、内置放大器深度负反馈补偿电路以及对传感器设置 有三层屏蔽外层，这样可有效地降低相位的绝对误差和温度变化引起的相 位漂移，相位测量误差在2分以内。所述就地监测电流单元的数量可为1个或1个以上的多个；但就地监 测电压单元可仅为1个；即在同时监测现场被测电容型设备的末屏电流和PT 二次侧的电压信号的基础上，就可真实地监测高压电容性设备的等值 电容和介质损耗因素。所述就地监测单元包括OPA2277UA运算放大器和高精密、低温漂系 数的电阻电容等器件构成的射极跟随、有源滤波和程控放大等模拟电路， 对要采集的模拟信号进行调理，以保证信号的真实，避免出现相移。所述就地监测单元的CPU为DSP数字信号处理器，采用TI公司的 TMS320F206芯片，晶振为倍频20MHz。所述GPS时钟接收模块采用GTS-5型高精度GPS同步时钟，用于精 确获取卫星提供的时间。所述2.4GHz无线网络模块的微处理器采用8位ATmegal28L，工作 于16MHz时性能高达16MIPS (只需两个时钟周期的硬件乘法器）；射频 收发器釆用Chipcon公司CC2420器件，该器件是首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，符合工业监控系统的无线传输要求。一种由上述系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线 监测方法，主要为站端控制主机通过无线网络向各就地监测单元下发异地 同步采集命令；各就地监测单元通过GPS时钟接收模块接收GPS时钟信 号，获得统一的时钟；各就地监测单元接收到站端控制主机的采集命令后， 在预约的某一时刻进行采样，实现各就地监测单元的异地同步采样；其特 征在于：所述站端控制主机通过2.4GHz无线网络广播同步采集指令，再 依次轮流征询各就地监测单元获得带时钟信号或序列号的末屏电流信号 及PT二次侧电压信号后，通过对比各个上传的信息，确保是同一时间的 采样信号后，计算出高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因 素。所述就地监测单元将容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单 元内的传感器后，再引出接入接地点；PT 二次侧电压通过串入电阻转换 成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地
点；末屏电流和PT二次侧电压等模拟信号，经过传感器转换、射极跟随、 有源滤波和程控放大等电路的信号调理处理后，进入A/D转换电路，随后 就地监测单元（TMS320F206单片机）进行采样并对信号进行数字信号处 理。在模拟量的信号调理电路各环节，保证模拟信号的真实，避免出现相 移。所述站端控制主机还可将计算出的高压电容型设备的等值电容、末屏 电流和介质损耗因素与预试数据、连续监测的历史数据进行比对计算，若 误差超出设定的告警值，所述站端控制主机发出若干告警信息，并在统计 学的基础上形成初步的检修策略供运行人员参考。本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1) 本实用新型监测了高压电容性设备的末屏电流，同时监测了施 加在该设备上的电压，即PT二次侧电压信号（算法上可以修正其固有相 移），避免了二次电压信号的远距离传输，因而可以真实地监测高压电容 性设备的等值电容和介质损耗因素，能够连续监测某一设备的绝缘水平， 且能对所测设备的绝缘状态进行纵向比较。因此，本实用新型技术可以较 好地满足高压电气设备绝缘在线监测的要求。(2) 本实用新型采用2.4GHz无线网络技术，实现各就地监测单元间 和站端控制主机间的互连通讯，2.4GHz无线网络属于全球开放式频段， 其穿透障碍物的能力较好，不受变电站电磁场干扰，且采用无线路由技术， 很好的解决了就地监测单元和站端控制层主机间的通讯问题，避免了在变 电站现场敷设大量的通讯载体，极大的减少了施工和维护量。所采用 2.4GHz无线网络采用多点对多点，无线路由技术，克服了 GPRS无线网 络点对点，且需要有偿申请的限制。(3) 本实用新型的就地监测单元就近安装在被测设备的支持构件上， 不需改变原有的接线方式和现状，并把被测的微小信号就地数字化，通过 无线网络通讯实现了就地监测单元与站端控制层的相对独立，便于现场的 就地监测单元的扩充和维护，安装、使用非常方便。(4) 本实用新型采用基于GPS时钟信号为参考，实现异地同步采集; 本方法能保证采集被测设备末屏电流的同时采集其对应PT 二次侧的系统 电压，能真实的测量出两信号间的相位差，从而得到被测容性设备的等值 电容、末屏电流和介质损耗因素。(5) 本实用新型中提出的在线监测技术，通过连续不间断的监测运
行中设备的各绝缘参数并存入站端控制主机数据库，站端控制主机运用统 计学等类专家系统，对监测数据进行横向、纵向比对分析，可对被测电容 型设备各绝缘参数的变化趋势作出判断，预测绝缘状况的变化趋势，从而 形成初步的检修策略供运行人员参考，因而智能化程度较高。(6)本实用新型设计为永久性安装在变电站现场的作用方式，所以 可以连续监测变电站内容性设备的绝缘水平，及时准确地发现容性设备的 绝缘隐患，无需人工干预，真正实现高压电气设备绝缘的不间断在线监测。附图说明图1是本实用新型系统的结构原理示意图。图2是本实用新型系统中就地监测单元的电路原理框图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用 新型的实施方式不限于此。 实施例图1示出了本实用新型的具体结构及原理，由图1可见，本基于GPS 时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统包括就地监测单元、站端控制 主机，所述就地监测单元包括采集高压容性设备末屏电流的就地监测电流 单元FMU-C及釆集施加在该设备上的电压，即PT 二次侧电压信号的就地 监测电压单元FMU-U，在一段母线上可以安装多台FMU-C单元，而只需 装l台FMU-U单元，就地监测单元的输入为现场被测电容型设备的末屏 电流和PT二次侧的电压信号。所述就地监测单元包括CPU、无线通信模 块、GPS时钟接收模块，CPU与无线通信模块、GPS时钟接收模块相连接， 就地监测单元的无线通信模块与站端控制主机通过无线网络相连接，所述 无线通信模块为2.4GHz无线网络模块，其微处理器采用8位ATmegal28L， 工作于16MHz时性能高达16 MIPS (只需两个时钟周期的硬件乘法器）； 射频收发器采用CC2420,符合IEEE 802.15.4的2.4GHz工业监控系统的 无线传输要求。所述就地监测单元的CPU为DSP数字处理器，采用TI 公司的TMS320F206芯片，晶振为倍频20MHz。所述就地监测单元的信 号采集端设置有精密单匝式穿心传感器，容性设备的末屏电流单匝穿过就 地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点；PT 二次侧电压，通
过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点。末屏电流和PT二次侧电压等模拟信号，经过传感器 转换、射极跟随、有源滤波和程控放大等电路的信号调理后，进入A/D转 换电路，随后TMS320F206单片机进行采样并对信号进行数字信号处理。 所述精密单匝式穿心传感器与高压容性设备无直接连接，安全可靠；传感 器采用高导磁率玻镆合金铁芯、内置放大器深度负反馈补偿电路和良好的 三层屏蔽设计，有效地降低了相位的绝对误差和温度变化引起的相位漂 移，相位测量误差在2分以内。所述GPS时钟接收模块采用GTS-5型高 精度GPS同步时钟，用于获取卫星提供的时间；GPS (Global Position System)系统是美国研制的导航、授时和定位系统，同步秒脉冲精度《lus。 因运行中的电容型设备的tanS (S为介质损耗角）大多在0.001〜0.02范 围；电力系统工频信号的周期是20ms， GPS秒脉冲精度小于O.lus的时间 误差相当于A 5=0.0000314弧度的采样误差，不会对测量精度造成大的 影响。所述就地监测单元还包括A/D芯片模块、RAM模块、人机界面模 块，A/D芯片模块、RAM模块及人机界面模块分别与DSP数字处理器相 连接；所述A/D芯片采用并行的AD976CN，芯片速度100kHz,分辨率 16位，采样速率12.8k,能满足采样精度的要求，A/D芯片的输入端与模 拟信号调理输出端相连，其输出端与DSP数字处理器相连接；所述DSP 数字处理器与A/D、 RAM、 GPS接收模块、人机界面模块以及2.4GHz无 线网络模块相连，就地监测单元上电，DSP进行初始化后，循环査询通过 2.4GHz无线网络下发的采集命令，同时实时监听GPS模块的时钟信号； DSP还负责在预约时刻启动采样流程，采样一个工频的模拟信号后，分析 计算并储存在RAM中，随后再等待轮询命令把采集到的信息带时钟信号 上传给站端控制主机。一种由上述系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线 监测方法，主要为站端控制主机通过2.4GHz无线网络向各就地监测单元 下发异地同步采集命令，命令下达到各就地监测单元后由各就地监测单元 分解广播命令流，得到下一次采集的预约时间；各就地监测单元通过GPS 时钟接收模块接收GPS时钟信号，获得统一的时钟；当GPS时钟和预约 时间一致时，就地监测单元立刻启动自身的采样流程采样一个工频周期的 实时信号，进行数字信号处理和储存后，再通过2.4GHz无线网络，按依 次轮流征询方式上传带地址、时钟信号或序列号的采样信号给站端控制主 机;站端控制主机收到釆样信号等数据后基于相同的GPS时钟作参考进行 分析计算，得出相应高压容性设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素 并将数据存入数据库作历史分析用。所述就地监测单元采样后对信号进行 数字信号处理具体是对模拟信号进行调理，模拟信号经过跟随、程控处理， 处理的目的是要保证信号的真实，避免出现相移。所述站端控制主机还可 将计算出的高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素等数据 存入数据库作历史分析用；可用于与预试数据、连续监测的历史数据进行 比对计算，若误差超出设定的告警值，所述站端控制主机发出若干告警信 息，并在统计学的基础上形成初步的检修策略供运行人员参考。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式 并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原 理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本实用新型的保护范围之内。
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