王　劍

(長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北荊州　434023)

0　引言

提高電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性是保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，而運(yùn)行設(shè)備的可靠性在很大程度上決定于設(shè)備絕緣性能的高低。在電力電子設(shè)備中，電容性設(shè)備占有舉足輕重的地位。電容性設(shè)備是指全部或部分絕緣采用電容式結(jié)構(gòu)的設(shè)備，包括電容式電流互感器、電容式電壓互感器、電容型套管、耦合電容器等，其數(shù)量約占發(fā)電廠、變電站設(shè)備臺數(shù)的 40%～50%，占有舉足輕重的地位，是容易發(fā)生事故且停電預(yù)防性試驗(yàn)工作量大的設(shè)備[1]。介質(zhì)損耗角、泄漏電流和絕緣介質(zhì)電容Cx是衡量絕緣程度的3個特征量。且介質(zhì)損耗角正切值tanδ僅取決于材料的特性而與材料的尺寸和形狀無關(guān)，測量tanδ能夠反映設(shè)備一系列的絕緣缺陷，如絕緣受潮、劣質(zhì)變化及氣隙放電等。因此把tan δ作為設(shè)備整體絕緣狀況的首要評估參數(shù)。

目前，國內(nèi)外tanδ在線監(jiān)測系統(tǒng)按照硬件結(jié)構(gòu)可劃分為集中式和分布式結(jié)構(gòu)兩種。集中式監(jiān)測系統(tǒng)集中采集不同模擬量，由系統(tǒng)主機(jī)直接存儲和處理分析，具有監(jiān)測信息量豐富、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。而該系統(tǒng)需要大量電纜支持現(xiàn)場傳感器，并且信號傳輸失真度較高、維修困難、擴(kuò)展性差，因此逐漸被強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場A/D轉(zhuǎn)換、處理和分析的分布式監(jiān)測系統(tǒng)所取代[2]。在此前提下，文中提出了一種針對電容性設(shè)備tanδ的在線監(jiān)測設(shè)計(jì)方案。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，文中提出的設(shè)備介質(zhì)損耗角tanδ的監(jiān)測系統(tǒng)采用了分層式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要包括3個層次：現(xiàn)場層、診斷監(jiān)測層和遠(yuǎn)程服務(wù)層。

圖1　設(shè)備介質(zhì)損耗角tanδ的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場層使用CAN總線將若干個中段采集處理模塊掛接使用，采用DSP芯片TMS320F2812作為終端采集處理節(jié)點(diǎn)的控制核心，將由底層電壓、電流互感器，溫濕度傳感器及斷路器等設(shè)備采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)置處理電路的濾波、放大等處理后送至TMS320F2812中，由DSP負(fù)責(zé)針對設(shè)備絕緣性能評估首要參數(shù)介質(zhì)損耗角tanδ采用multiple sampling算法進(jìn)行實(shí)時處理，DSP將數(shù)據(jù)實(shí)時處理后可根據(jù)需要選擇存儲、實(shí)時顯示和通過CAN總線向上位診斷監(jiān)測層工作組計(jì)算機(jī)上傳等多種處理方法，這種強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場實(shí)時處理數(shù)據(jù)的方法可有效解決集中式檢測中長途傳輸模擬數(shù)據(jù)量產(chǎn)生失真的問題。同時，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，考慮到CAN總線的掛接節(jié)點(diǎn)收驅(qū)動能力限制的特點(diǎn)，現(xiàn)場層一般采用掛接小于10個節(jié)點(diǎn)的CAN總線進(jìn)行通信。

診斷監(jiān)測層主要以一定數(shù)量的計(jì)算機(jī)以工作組的模式組成，該層能對現(xiàn)場層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示、一般分析、閾值判斷報警等常規(guī)操作，并可以使用數(shù)據(jù)庫診斷、專家系統(tǒng)等手段進(jìn)一步處理和分析設(shè)備絕緣參數(shù)的變化，同時該深層次處理結(jié)果能夠數(shù)據(jù)庫記錄等方式存儲于服務(wù)器端，亦能采用曲線描述、報表輸出、文本詳解等形式與管理者實(shí)施交互。遠(yuǎn)程服務(wù)層則是建立web 服務(wù)器的方式與監(jiān)測層服務(wù)器產(chǎn)生套接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布功能。同時，用戶亦能通過該服務(wù)器查詢相關(guān)信息。

2　設(shè)備絕緣性能評估首要參數(shù)(介質(zhì)損耗角tanδ的測量算法及仿真

介質(zhì)損耗角、泄漏電流和絕緣介質(zhì)電容Cx是衡量絕緣程度的三個特征量。且介質(zhì)損耗角正切值tanδ僅取決于材料的特性而與材料的尺寸和形狀無關(guān)，因此把tanδ作為設(shè)備整體絕緣狀況的首要評估參數(shù)。文中采用自適應(yīng)multiple sampling算法測量求取相位差φ[3]，由于δ=π/2-φ，因此tanδ亦可相應(yīng)求取。

如式(1)和式(2)所示，基準(zhǔn)信號和被測信號為

sr(t)=Arsin(ωt)

(1)

s(t)=Asin(ωt+φ)

(2)

式中：ω=2πf=2π/T；f為基準(zhǔn)信號和被測信號的頻率；T為基準(zhǔn)信號和被測信號的周期。

假設(shè)fs是采樣頻率，以此頻率對被測信號進(jìn)行采樣，可得到一離散序列s′(t)，下面對該序列展開分析。為了提高測量精度，把每周期采樣的點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展為K，K=4N(N為正整數(shù)，N>1)，在每1/4個周期內(nèi)對被測信號取采樣點(diǎn)P1～PN的N個采樣點(diǎn)，即multiple sampling[3]。如圖2所示，在第一個T/4內(nèi)：

P11=Acosφ

(3)

P12=Acos[φ+2π/(4N)]=Acos[φ+π/(2N)]

(4)

…

圖2　multiple sampling

依此類推，

P1j=Acos{φ+[2π/(4N)](j-1)]}=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)}

(5)

同理，在第二個至第四個T/4內(nèi)分別有：

P2j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+π/2]}=-Asin{φ+[π/(2N)](j-1)}

(6)

P3j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+π}=-Acos{φ+[π/(2N)](j-1)}.

(7)

P4j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+3π/2}=Asin{φ+[π/(2N)](j-1)}.

(8)

由式(5)至式(8)可知：

φ=atan2(-P2j，P1j)-[π/(2N)](j-1)

(9)

φ=atan2(P4j，-P3j)-[π/(2N)](j-1)

(10)

對式(9)，式(10)求數(shù)學(xué)均值，有

(11)

設(shè)被測信號s(t)受二次諧波干擾和典型加性白噪聲影響，有

s(t)=sin(2πf0t+φ1)+Axie·sin(2πf1t+φ2)+Anoise·randn

(12)

每次仿真計(jì)算均取10 000次數(shù)學(xué)平均結(jié)果。如表1所示仿真結(jié)果。

在增加諧波干擾的情況下，采用濾波器對被測信號進(jìn)行濾波處理，在考慮群延遲的情況下，選擇hamming窗進(jìn)行濾波，高次諧波被濾波器有效過濾，濾波后調(diào)用算法，計(jì)算得到結(jié)果符合預(yù)期指標(biāo)。由于被測信號和參考信號環(huán)境相同，濾波條件也相同，所以不會帶來相位偏移等影響。因而運(yùn)用該算法對信號的相位進(jìn)行測量的主要誤差是來自噪聲干擾和量化誤差。在提高A/D采樣分辨率和增加有效每周期采樣點(diǎn)數(shù)的前提下，相位誤差(介質(zhì)損耗角誤差)近于0．003°，量化誤差和噪聲干擾可以被有效降低，從而測量出準(zhǔn)確的絕緣性能首要參數(shù)tanδ．

3　基于DSP的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

文中采用mod法獲得N值[4]。

N=mod[frefernce/(4f)]

(13)

圖3　終端節(jié)點(diǎn)框圖

如圖3所示，處理單元采用數(shù)字信號處理器DSP芯片TMS320F2812作為終端節(jié)點(diǎn)控制核心。參考信號經(jīng)過放大和低通濾波處理后整形成方波信號，由DSP單元測頻模塊以查詢方式定時測量信號頻率，并由N值計(jì)算模塊計(jì)算N值。該值由鎖相倍頻模塊接收并帶入處理后產(chǎn)生同相4Nf頻率信號，并由此信號提供數(shù)據(jù)采集模塊的采樣、轉(zhuǎn)換時間間隔。被測信號經(jīng)放大濾波后由數(shù)據(jù)采集單元傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，調(diào)用multiple sampling算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，將目標(biāo)值處理計(jì)算得出tanδ存儲后傳輸至CAN驅(qū)動器SN65HVD232進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時收發(fā)或者輸出至液晶顯示模塊實(shí)時顯示[4]。DSP芯片TMS320F2812功能強(qiáng)大，片內(nèi)資源豐富，具有高達(dá)150 MHz的32位DSP內(nèi)核處理器，該DSP芯片具有高達(dá)10種動態(tài)改變頻率倍數(shù)的鎖相環(huán)，完全勝任參考信號的頻率捕捉及鎖相任務(wù)，具有良好的同步采樣功能。

4　聚類算法分析

采用聚類算法實(shí)現(xiàn)對tanδ的有效值評估。該聚類算法強(qiáng)調(diào)相同相似或相關(guān)聯(lián)因素的影響。主要從兩方面入手：

(1)tanδ在絕緣性能評估中的影響因子。tanδ是設(shè)備絕緣性能評估最重要參數(shù)。tanδ越大，說明介質(zhì)工作時損耗大、易發(fā)熱和易老化。然而針對體積較小的集中性缺陷，tanδ的影響因子會被較大程度降低。溫度、濕度對于泄漏電流和介質(zhì)電容等影響比例會上升。因此，針對不同設(shè)備不同環(huán)境必須建立關(guān)聯(lián)影響數(shù)據(jù)庫。根據(jù)設(shè)備歷年預(yù)設(shè)性試驗(yàn)所獲得閾值，該數(shù)據(jù)庫建立tanδ、溫濕度等環(huán)境因素對絕緣性能評估影響因子權(quán)重分配表。從而綜合全面的評估設(shè)備絕緣性能。目前應(yīng)用較成功的是粗糙集理論(rough set theory)，該理論在數(shù)據(jù)簡化，數(shù)據(jù)相關(guān)性等方面有較好運(yùn)用。

(2)基于tanδ的虛警漏警判斷。同樣，對tanδ是否超出警戒閾值的判斷也應(yīng)該綜合分析。測量的tanδ值不能簡單與預(yù)設(shè)值比較，首先應(yīng)把設(shè)備測量出的tanδ值和該設(shè)備歷年tanδ值進(jìn)行比較，然后對同樣溫濕度及其他運(yùn)行環(huán)境的同一區(qū)域內(nèi)設(shè)備的tanδ值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)超出上述tanδ值較明顯，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理過程中。

5　軟件總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測試

圖4　系統(tǒng)軟件總體框圖

圖4是系統(tǒng)軟件總體框圖。監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和查詢。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的軟件部分可分為：現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、監(jiān)測診斷管理系統(tǒng)和信息查詢系統(tǒng)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與計(jì)算，并將結(jié)果通過CAN總線協(xié)議發(fā)送至監(jiān)測&診斷數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫前臺實(shí)時顯示。監(jiān)測診斷管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫建設(shè)和故障診斷程序設(shè)計(jì)兩部分。數(shù)據(jù)庫采用前后臺設(shè)計(jì)方法，前臺選擇VC6．0語言設(shè)計(jì)，采用mySQL技術(shù)建立后臺數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包括今日數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫兩部分。信息查詢系統(tǒng)主要完成WEB信息發(fā)布的功能，采用B/S模式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。登陸后即可進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測主界面。啟動采樣后，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別存入今日數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，同時分析測量結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)由異常數(shù)據(jù)，將會選擇報警。DSP數(shù)據(jù)采集有定時中斷與主動查詢兩種方式，因絕緣狀況變化緩慢，通常為定時方式，操作管理員也可主動查詢采樣。

文中研究的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，在江漢平原某區(qū)域110 kV 主變套管進(jìn)行在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)為母線電壓、末屏接地電流、等效電容值、介質(zhì)損耗角、溫度和濕度。

6　結(jié)束語

文中提出了一種針對電容性設(shè)備介質(zhì)損耗角tanδ監(jiān)測的設(shè)計(jì)方案，該方案從相位分析出發(fā)，強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)時域分析的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場CAN總線掛接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在線分布式測量系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該方案具有較高的測量精度。

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