基于瞬時(shí)功率變換的介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于瞬時(shí)功率變換的介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0介質(zhì)損耗的測(cè)量固體環(huán)網(wǎng)盤采用固體絕緣材料作為主絕緣材料的環(huán)網(wǎng)盤。真空弧形室內(nèi)及其導(dǎo)電連接、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、主線器和支線器等主要電氣電路以統(tǒng)一或組合為基礎(chǔ)，并以固體絕緣材料為基。它可以重復(fù)使用，因?yàn)樗梢悦芊庑阅苋?。模塊表面覆蓋著具有特定功能的模塊，可以重新焊接或擴(kuò)展。固體環(huán)網(wǎng)柜是當(dāng)前主流環(huán)網(wǎng)柜的升級(jí)換代產(chǎn)品,據(jù)統(tǒng)計(jì),僅2012年固體環(huán)網(wǎng)柜當(dāng)年的投入運(yùn)行數(shù)量就達(dá)到4.5萬面,預(yù)計(jì)到2016年,年新投入運(yùn)行的固體環(huán)網(wǎng)柜數(shù)量將達(dá)到13.5萬面。對(duì)固體環(huán)網(wǎng)柜現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行研究發(fā)現(xiàn),絕緣事故是固體環(huán)網(wǎng)柜最主要的故障原因,介質(zhì)損耗值是電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一,可以反映出一系列絕緣缺陷,如絕緣受潮、油或浸漬劑臟污或劣化變質(zhì)、絕緣中有氣隙放電等。介質(zhì)損耗的精確測(cè)量和數(shù)字化測(cè)量也受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,目前對(duì)于介質(zhì)損耗的測(cè)量方法主要分為2類:一類為硬件方法,以過零點(diǎn)檢測(cè)方法為代表;另一類為軟件方法,以諧波法為代表?；谟布椒ㄖ饕羞^零點(diǎn)電壓比較法、數(shù)字化過零點(diǎn)比較法、雙極性過零點(diǎn)比較法、注入信號(hào)法等,硬件法測(cè)量中濾波器的性能對(duì)精度至關(guān)重要,由于在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,使得硬件方法的精確度難以保證,抗干擾能力較差?，F(xiàn)階段主流的方法采用軟件方法,主要有快速Fourier變換(fastFouriertransform,FFT)算法、加窗插值函數(shù)法、諧波法等。西安交通大學(xué)梁昌洪教授及其合作者提出了卷積窗加權(quán)算法,針對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)采樣不同步引起的頻譜泄漏造成的誤差,提出采用卷積窗函數(shù)來克服頻譜泄漏帶來的誤差。湖南大學(xué)滕召勝教授及其合作者提出了基于三角自卷積窗頻譜相位差校正的介損角測(cè)量算法,有效地減少了頻譜泄漏對(duì)介損角測(cè)量的影響。華北電力大學(xué)徐志鈕等人提出采用獨(dú)立分量分析(independentcomponentalgorithm,ICA)處理電流信號(hào)然后通過數(shù)字化算法計(jì)算介損值。湖南大學(xué)高云鵬等人提出采用Kaiser窗頻譜校正介質(zhì)損耗因數(shù),利用Kaiser窗雙譜線差值FFT方法及多項(xiàng)式擬合求出實(shí)用的插值修正公式,從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗值的測(cè)量。同時(shí),基于Hanning窗、Blackman-Harris窗和卷積窗插值FFT介損角測(cè)量算法等相繼被提出,加窗插值FFT介損角測(cè)量算法利用經(jīng)典窗函數(shù)的頻譜特性減少頻譜泄漏,并采用插值處理或相位差修正的方法降低欄柵效應(yīng)的影響,在減小誤差方面取得了一定的效果[20,21,22,23,24,25,26]。值得注意的是,電氣設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜,使得現(xiàn)有的數(shù)字化算法都面臨著電壓諧波干擾、電網(wǎng)頻率波動(dòng)影響、復(fù)雜噪聲影響、非同步采樣及非整周期采樣引起的頻譜泄漏和欄柵效應(yīng)等綜合因素的影響,使得介質(zhì)損耗測(cè)量的精確度不高,而介質(zhì)損耗數(shù)字化測(cè)量涉及到信號(hào)的采樣、干擾的抑制、數(shù)字化算法等方面,需要各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合才能完成介質(zhì)損耗值的高精度監(jiān)測(cè)?；诖?本文就目前介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)存在的問題,從以下2個(gè)方面解決精確度低的問題:①通過Butterworth濾波器的設(shè)計(jì),采用2路濾波通道相對(duì)比較法,通過對(duì)其相頻和幅頻特性的分析表明該方法對(duì)于信號(hào)噪聲干擾濾除效果好,波形的相位誤差很小,滿足介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)高精度要求;②提出瞬時(shí)功率變換法瞬時(shí)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解,提取阻性分量和容性分量,實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗值的測(cè)量,從而有效避免頻譜泄漏和欄柵效應(yīng)的影響,使得信號(hào)采樣不受同步采樣和整周期采樣條件的約束,監(jiān)測(cè)精確度高。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有良好的監(jiān)測(cè)精確度,為固體環(huán)網(wǎng)柜介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)提供參考。1交流電流的調(diào)節(jié)圖1為典型的固體環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)示意圖,絕緣套筒為固體環(huán)網(wǎng)柜的主絕緣,環(huán)網(wǎng)柜控制著電力線路的開斷,電力線路從進(jìn)線端接入,由出線端輸出,中間經(jīng)導(dǎo)電銅排和真空斷路器連接,真空斷路器起著分?jǐn)嚯娐返淖饔?上端為機(jī)械式操動(dòng)機(jī)構(gòu),通過操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制真空斷路器的分?jǐn)酄顟B(tài),操動(dòng)機(jī)構(gòu)為手動(dòng)式和自動(dòng)式,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),通過控制器來根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行要求實(shí)現(xiàn)合閘、分閘線圈的接通與分?jǐn)?控制真空斷路器的分?jǐn)?從而控制電力線路的分?jǐn)唷＝^緣介質(zhì)在外加交流電壓U的作用下,由于介質(zhì)中有損耗,所以電流I包括有功分量Ir和無功分量Ic,S為視在功率,Q為無功功率,δ為介質(zhì)損耗角,φ為電壓和電流的夾角,其等效電路及向量圖如圖2所示。圖3為絕緣介質(zhì)的等值電路和向量圖。由圖3可得,介質(zhì)損耗的計(jì)算式如下:對(duì)于串聯(lián)支路,CS、RS分別為串聯(lián)支路的等效電容和電阻,介質(zhì)損耗值為基波阻性有功電壓分量Ur和基波容性電壓分量Uc的比值,即對(duì)于并聯(lián)支路,CP、RP分別為并聯(lián)支路的等效電容和電阻,介質(zhì)損耗值為基波阻性有功電流分量Ir和基波容性電流分量Ic的比值,即通過式(1)和式(2)可以得出,只要求出電壓或者電流的基波有功和無功分量,即可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗值的計(jì)算。2基波電流和電流的分解任意選擇一個(gè)時(shí)刻t作為時(shí)間起點(diǎn),單相絕緣套筒的電壓u和電流i可用通式表示:式中:Ukm和Ikm分別為電壓和電流基波(次數(shù)k=1)或諧波(諧波次數(shù)k≥2)的幅值,θku和θki分別為電壓和電流對(duì)應(yīng)的初相角。通過瞬時(shí)功率變換原理,對(duì)電壓和電流分別求導(dǎo)并除以瞬態(tài)頻率ω,得到:由電壓和電流分別與上述導(dǎo)數(shù)組成向量,然后左乘上一個(gè)變換矩陣Cpq得到電壓和電流在α和β軸的瞬時(shí)分量,分別為up、uq、ip、iq,即:式中:u、u′、i、i′為up、uq、ip、iq經(jīng)過變換矩陣變換后的量,將上式分解為直流分量和交流分量,對(duì)直流分量進(jìn)行Cpq的逆變換,就可以得到電壓和電流的基波分量:對(duì)式(10)和式(11)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行分解,得到基波電流的阻性有功分量i1p和容性無功分量i1q如下:介質(zhì)損耗值的計(jì)算公式為式中max(·)表示最大值。瞬時(shí)分解算法的流程圖如圖4所示。通過上述推導(dǎo),可以得到:將瞬時(shí)基波電流信號(hào)分解為阻性與容性分量后,利用正弦周期信號(hào)有效值與最大值之間的固定比例關(guān)系,便可搜取電流分量最大值來計(jì)算tanδ。本文算法的優(yōu)點(diǎn)在于:①該算法可以選擇任何時(shí)刻作為計(jì)算的時(shí)間起點(diǎn),使得信號(hào)采樣不受同步采樣和整周期采樣條件的約束,有效克服了頻譜泄漏和欄柵效應(yīng)的影響,使得該算法具有較高的精度;②硬件電路無需鎖相環(huán)固定電網(wǎng)頻率,無須采樣硬件必須滿足同步采樣條件,且無論負(fù)載是否非線性,均可將信號(hào)準(zhǔn)確地分解為基波瞬時(shí)有功和無功分量,大大降低了硬件的設(shè)計(jì)難度和成本。3濾波電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的影響3.1模擬濾波器的建立電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,介質(zhì)損耗角很小,信號(hào)調(diào)理電路濾波電路的好壞將直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性,干擾問題一直是影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素,所以模擬濾波器的合理設(shè)計(jì)在電力系統(tǒng)復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中對(duì)于微弱信號(hào)的監(jiān)測(cè)具有十分重要的作用。模擬濾波器有很多種,如Chebyshev濾波器、Bessel濾波器、Butterworth濾波器、橢圓濾波器等。Butterworth濾波器的通帶最平坦,過渡帶比較窄,且在其通帶內(nèi)相移成線性。所以針對(duì)介質(zhì)損耗角測(cè)量的特殊要求,濾波器設(shè)計(jì)采用Butterworth濾波器。圖5所示為2階、4階、8階Butterworth低通濾波器的幅頻特性,可見階數(shù)n越高,其幅頻特性越好,低頻檢測(cè)信號(hào)保真度也越高。圖6為100Hz信號(hào)通過8階低通濾波器輸出后,被截止的信號(hào)波形圖。3.2單路同網(wǎng)2路濾波器的相位特性8階Butterworth低通濾波器的相位特性,是介質(zhì)損耗監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)之一,介質(zhì)損耗角本身數(shù)值很小,如果低通濾波器沒有良好的相位特性,會(huì)直接將較大誤差帶進(jìn)介質(zhì)損耗角,會(huì)使模擬濾波器完全失效并影響系統(tǒng)誤差,所以要重點(diǎn)考察濾波器的相位特性。圖7為信號(hào)通過8階Butterworth濾波器,輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形圖,從圖中可知8階Butterworth濾波器的相位特性。由圖7可得,對(duì)于單路的8階Butterworth濾波器,信號(hào)通過濾波器之后,將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位差,如圖7右下角所示,通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比、計(jì)算得到,8階Butterworth濾波器在50Hz頻率下,相位差穩(wěn)定在0.01°左右,雖然角度很小,但是對(duì)于介質(zhì)損耗角測(cè)量來說,這個(gè)角度誤差是不能接受的。所以在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中,考慮到通過2路濾波器的一致性來減小誤差。圖8為同一信號(hào)通過2路濾波器濾波之后的波形圖。同一信號(hào)通過2路濾波器濾波之后,2路信號(hào)的相位差較單路信號(hào)產(chǎn)生的相角差將大大減小,經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算對(duì)比可得,2路信號(hào)的相角差基本可以控制到0.0001°,完全滿足介質(zhì)損耗角測(cè)量誤差的要求。所以通過2路信號(hào)濾波電路,可以大大減少單路濾波電路的誤差,因?yàn)閷?duì)于同一濾波電路,標(biāo)配采用的元器件產(chǎn)生的角差基本相同,那么采用2路信號(hào)濾波器可將單路濾波電路的角差大大減少,這樣設(shè)計(jì)即可滿足信號(hào)濾波的要求。4硬件電路設(shè)計(jì)及結(jié)果驗(yàn)證4.1數(shù)據(jù)采集單元絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求很高,所以本文就在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的信號(hào)采集路數(shù)多、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn),研制了數(shù)據(jù)采集單元。該單元最大采樣路數(shù)為16路,單路信號(hào)最大采樣頻率可以達(dá)到200kHz,16路同時(shí)采樣時(shí)設(shè)置采樣頻率為每路50kHz,采用DSP+CPLD+FIF0+A/D采樣芯片的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)硬件原理框圖如圖9所示。數(shù)據(jù)采集的電路板圖如圖10所示。4.2介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)和表征通過硬件電路的設(shè)計(jì),將采集到的信號(hào)傳到上位機(jī)中,其波形圖如圖11所示。在上位機(jī)中,通過第2章的瞬時(shí)功率變換法,將圖11中的末屏電流信號(hào)瞬時(shí)分解為基波阻性電流信號(hào)和基波容性電流分量。圖12為基波阻性電流分量波形圖,圖13為基波容性電流分量圖,通過式(14),利用正弦周期信號(hào)有效值與最大值之間的固定比例關(guān)系,通過搜取電流分量最大值來計(jì)算tanδ。通過對(duì)運(yùn)行時(shí)間不同的絕緣套筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得到本文所采用的介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)方法和采用Schering電橋測(cè)量的介損值對(duì)比誤差見表1。通過表1可得,采用瞬時(shí)功率變換法在實(shí)際線路介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)中,具有很高的計(jì)算精確度,其相對(duì)誤差可以控制在3%以內(nèi),誤差主要來源為數(shù)據(jù)采集過程中的硬件誤差以及空間干擾等因素,相對(duì)誤差控制在3%以內(nèi),對(duì)于在線監(jiān)測(cè)來說,完全滿足固體環(huán)網(wǎng)柜絕緣套筒介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)精度要求。5網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和硬件對(duì)比1)針對(duì)固體環(huán)網(wǎng)柜絕緣套筒介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè),提出了一種基于瞬時(shí)功率變換法在線監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗的方法,使得信號(hào)采樣不受同步采樣和整周期采樣條件的約束,有效克服了頻譜泄漏和欄柵效應(yīng)的影響,使得該算法