【正文】 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) [ 論 文 ] 題 目 ： 電容器介質(zhì)損耗測(cè)量技術(shù)研究 Title The technology research of measurement in Capacitor dielectric loss 院 系 ： 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè) ： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名 ： 指導(dǎo)教師 ： 20xx 年 5 月 24 日I 開題報(bào)告 一 背景 電力系統(tǒng)高壓電力設(shè)備 ,若按照 絕緣結(jié)構(gòu)來 進(jìn)行 分類 ,電容型設(shè)備占很大部分 ,還包括電流傳感器、套管、耦合電容器、電容式電壓互感器等 ,其中 容性設(shè)備在變電站中占 40% ~50%,他們的安全運(yùn)行 情況將直接影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 ,隨著電壓等級(jí)和設(shè)備容量的增大 ,設(shè)備故障的檢修時(shí)間越來越長(zhǎng) ,費(fèi)用也越來越高 ,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)供電的可靠性 [16]。 對(duì)電氣設(shè)備定期進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn) ,雖然可以發(fā)現(xiàn)許多絕緣缺陷 ,但 仍然 存在著試驗(yàn)時(shí)需要停電、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)方法的有效性不夠等問題 ,在現(xiàn)場(chǎng)仍出現(xiàn)了預(yù)防性試驗(yàn)不久就發(fā)生絕緣故障的情況?；?運(yùn)行 情況時(shí)的電力電容器設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè) 法 具有不需要停電、有效性高 、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 等優(yōu)點(diǎn)。由于絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) tanδ 對(duì)反映電力設(shè)備早期的缺陷比較靈敏有效 ,電力行業(yè)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《 DL/T 5951996 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)不同種類的電力設(shè)備規(guī)定了 tanδ最大容許值 的 標(biāo)準(zhǔn) ,對(duì)介質(zhì)損耗的監(jiān)測(cè)是電力設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)的主要方法， 雖然可根據(jù) tanδ測(cè)量結(jié)果來分析判斷絕緣狀態(tài) ,但由于在正常時(shí) tanδ值比較小 ,其數(shù)量級(jí)一般為 10－ 3,對(duì)測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性有很高的要求 ,并且由于在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)受各種因素的影響 ,所測(cè)到的 tanδ 值總會(huì)有一定的誤差 ,如果不能處理好這些問題 ,將不能很好地實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣的在線監(jiān)測(cè) [15]。 隨著電力系統(tǒng)向超高壓、大容量的方向發(fā)展，由電氣設(shè)備故障引發(fā)的電力系統(tǒng)事故所造成的危害也越發(fā)嚴(yán)重，因此開展對(duì)電容型設(shè)備這種重要的輸變電設(shè)備的絕緣在 線監(jiān)測(cè)與故障診斷任務(wù)對(duì)于全面實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義； 而介質(zhì)損耗因數(shù) 角 tanδ 是反映 電容型設(shè)備絕緣條件 的重要參數(shù)， 可以 通過對(duì) tanδ 的測(cè)量來 及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備中的劣化變質(zhì)、絕緣受潮 及局部缺陷等問題，從而保 證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗 的在線監(jiān)測(cè)具有重要的意義。 二 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 對(duì)介損測(cè)量方法的研究 ,一直是一個(gè)熱點(diǎn) ,常見的測(cè)量方法主要通過硬件和軟件兩種途徑實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)這兩大類介損檢測(cè)方法的原理和性能以及不足進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。 “硬件方法”也稱為直接測(cè)量法 ,主要有過零比較法和基于電橋平衡原理的介損測(cè)量方法等。 過零比較法 過零比較法是根據(jù)電壓、電流信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差或電壓、電流歸一化后過零點(diǎn)II 附近兩信號(hào)幅值差獲得信號(hào)的相角差 ,該算法原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn) ,但是精確度較低 ,容易受諧波、噪聲、頻率波動(dòng)和電壓變化等的影響 ,多用于介損測(cè)量?jī)x [1]。雙極性過零比較法通過對(duì)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零時(shí)電壓與電流信號(hào)的時(shí)間差求平均 ,分析了影響過零比較法的關(guān)鍵因素 ,指出即便含有很少的 3 次諧波 ,對(duì)介損的測(cè)量影響仍很大 ,最后通過仿真證明了兩次求平均可減少直流和 3 次諧波導(dǎo)致的誤差 ,同時(shí)對(duì)過零點(diǎn)相位法和根據(jù)歸一化后信號(hào)過零點(diǎn)附近幅值差獲得的兩信號(hào)相位差的算法進(jìn)行了比較 ,得到了一些結(jié)論 [2]。 2. 軟件方法 軟件方法”也稱為信號(hào)重建法 , 它是將放大、處理后的傳感器信號(hào)離散采樣 ,經(jīng)高速 A/D 變換成為數(shù) 字量 ,然后通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理后獲得測(cè)量結(jié)果。主要以諧波分析法為代表 ,他根據(jù) i、 u 的采樣數(shù)據(jù)重建正弦信號(hào) ,再由波形參數(shù)求得φ ,如傅里葉分析法、高階正弦擬合法和相關(guān)系數(shù)法等。這些算法必須滿足一個(gè)假設(shè) :即必須為同步采樣 ,即采樣頻率為信號(hào)基波頻率的整數(shù)倍 ,然而 ,由于頻率波動(dòng)等因素使得同步采樣很難滿足 ,于是很多學(xué)者對(duì)這些算法進(jìn)行了改進(jìn)。 傅里葉分析法 對(duì)一個(gè)具有各次諧波的周期信號(hào)通過對(duì)有限長(zhǎng)度的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換 ,求取其頻譜特性 ,對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換 ,可得到電流基波初相角 ????電壓 基波初相角 ????1,求取的介質(zhì)損耗角的公式為 δ = π2 ? (????1 ?????1)） 通過 FFT 變換計(jì)算 tanδ時(shí) ,由于需要對(duì)有限長(zhǎng)度的信號(hào)處理 ,相當(dāng)于對(duì)原始信號(hào)乘以一個(gè)矩形窗。這樣信號(hào)處理帶來了泄露和柵欄效應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)頻率漂移時(shí) ,即使在硬件上通過一定的頻率跟蹤措施 ,如鎖相環(huán)等 ,但仍不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣。由于存在非同步采樣 ,計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差 ,嚴(yán)重時(shí) ,無法滿足 tanδ的測(cè)量要求。 傅里葉分析法在介質(zhì)損耗測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛 ,但是在非同步采樣下 ,卻會(huì)產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。在含有 3 次諧波且頻率存在波動(dòng)的情況 下 ,對(duì)采用傅里葉算法計(jì)算出介損的誤差進(jìn)行了分析 ,表明介損測(cè)量誤差隨 3 次諧波的增加線性增加。很多學(xué)者對(duì)采樣加窗插值算法進(jìn)行了研究 ,加窗可以減輕頻譜的泄露 ,插值可以減輕柵欄效應(yīng) [3]。加窗插值算法有很多種 ,其中應(yīng)用最廣的是加 Hanning 窗插值諧波分析法 [4]和加 BlackmanHarris 窗插值諧波分析法 [5],前者的優(yōu)點(diǎn)是可以較大程度減輕頻譜泄露和柵欄效應(yīng) ,并且增加的計(jì)算量較小、編程實(shí)現(xiàn)比較容易 ,后者用 4項(xiàng)的 BlackmanHarris 窗 ,他的旁瓣衰減為 92db,諧波間的干擾可有效衰減掉 ,介損精確度得 到大幅度的提高 ,但該算法要求解 6~7 階的一元方程 ,計(jì)算和編程實(shí)現(xiàn)比較困難 [6]。通過仿真分析給出了這兩種算法在頻率波動(dòng)、諧波變化、直流分量變化、采樣頻率變化、 A/D 量化位數(shù)變化、采樣點(diǎn)數(shù)變化、介損角真實(shí)值變化、白噪聲及脈沖噪聲變化時(shí)介損誤差的變化情況 [7]。為了消除頻率波動(dòng)的影響 ,提出III 了修正理想采樣頻率的諧波分析法 ,該方法對(duì)采樣序列進(jìn)行修正 ,使得介損的測(cè)量精度得到了提高 [8]。還有一種采樣基波相位分離法 ,該方法原理也是基于傅里葉變化的 ,不同的是他根據(jù)獲得頻率僅計(jì)算基波分量 ,該方法根據(jù)獲得頻率進(jìn)行了整周期的積分 ,有效減少了非整周期采樣造成的誤差 ,計(jì)算所得介損具有很高的精確度 ,同時(shí)他具有對(duì)采樣時(shí)間長(zhǎng)度要求不高、原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)容易 ,比常規(guī)的傅里葉算法準(zhǔn)確 [9]。頻譜泄露對(duì)消算法格局相距 1/4 個(gè)周波的信號(hào)頻譜消除基波負(fù)頻分量和 3 次諧波存在的頻譜泄露 ,能很大程度減輕非同步導(dǎo)致的誤差計(jì)算 ,具有很好的應(yīng)用前景 [10]。通過仿真得知準(zhǔn)同步傅里葉算法計(jì)算所得介損誤差的絕對(duì)值小于 0. 0002%,能滿足177。 0. 1%的要求 ,同時(shí)將準(zhǔn)同步系數(shù)與正弦、余弦的乘積存入存儲(chǔ)器 ,減少了計(jì)算量 [11]。 高階正弦擬合法 文獻(xiàn) [11,12]介紹了高階正弦擬合法。該方法是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘高階擬合。即要求 : ?X = ∑ [??(????)? ??(??)]2???1??=0 的值最小。求解的該方程組是一個(gè)非線性方程組 ,計(jì)算量大 ,采用 Levenberg Marquardt 算法作為優(yōu)化算法計(jì)算最小二乘問題可以有效提高算法的精確度和速度。 相關(guān)函數(shù)法 相關(guān)函數(shù)法可以較好地解決 FFT 在非整周期采樣時(shí)的頻譜泄露問題 ,但是對(duì)前置的帶通濾波器有較高的要求； 用拋物插值積分公式構(gòu)造插值函數(shù) [13]計(jì)算相關(guān)函數(shù) ,仿真證明了該方法可以減少離散積分的誤差。 針對(duì)相關(guān)函數(shù)法在非整周期采樣時(shí)產(chǎn)生較大誤差的問題 ,提出根據(jù)同向過零獲得整周期信號(hào)、采樣線性插值修正積分區(qū)間的方法 ,減少了非周期采樣帶來的介損測(cè)量誤差 ； 正是上述本質(zhì)性的困難 ,造成現(xiàn)有數(shù)字化算法從理論上難以克服電壓諧波、電網(wǎng)頻率波動(dòng)、非同步采樣與非整周期采樣等因素的綜合影響 ,因此有待于研究基于其他原理的新型數(shù)字化算法 [14]。 三 研究路線 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)針對(duì)介損 tanδ 測(cè)量穩(wěn)定度不夠、精度不高等問題，研制了基于 DSP 的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于諧波分析法 存在的不足，提出了改進(jìn)型的諧波分析法計(jì)算介損 tanδ。利用 Hilbert 變換構(gòu)造解析變換以消除信號(hào)中的負(fù)頻率成分；設(shè)計(jì)加 Hanning 窗的 FIR 低通濾波器以濾除干擾信號(hào)；另外，采用加窗插值的全波傅立葉算法來修正頻率波動(dòng)給相角測(cè)量造成的誤差。 最終需要實(shí)現(xiàn)能高精度在線檢測(cè)出電容器介質(zhì)損耗 tanδ的檢測(cè)系統(tǒng) 研究路線和技術(shù)方案 設(shè)計(jì)以 TMS320F2812 型 DSP 為數(shù)據(jù)處理、邏輯控制核心的硬件電路，主要包括：微電流傳感器、電壓傳感器、前置處理電路、 AD7656 采樣電路、供電電IV 源等模塊。軟件方面，基于模塊化的程序開發(fā)思想，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、解析濾波、FIR 數(shù)字低通濾波、改進(jìn)型全波傅立葉算法等功能。最后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或者simulink 環(huán)境下建立設(shè)備模型驗(yàn)證所研制的系統(tǒng)能否對(duì)介損 tanδ 進(jìn)行有效、可靠地在線監(jiān)測(cè)。將傳統(tǒng)諧波分析法、基于 Hanning 窗插值的改進(jìn)型諧波分析法計(jì)算值與介損理論值相比較，分析兩種介損計(jì)算方法的性能，并對(duì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量得到的介損 tanδ 進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)在測(cè)量介損 tanδ 時(shí)具有較高的穩(wěn)定性和精確度。 tanδ 在線監(jiān)測(cè)方法的研究 分析傳統(tǒng)諧波分析法的原理及存在的不足，提出基于加窗插值的改進(jìn)型諧波分析方法去除由于頻率波動(dòng)所導(dǎo)致的測(cè)量誤差；同時(shí)，利用解析濾波消除信號(hào)初相角差異帶來的計(jì)算誤差。本設(shè)計(jì)選取的研究方案是采用基于 Hanning 窗插值的改進(jìn)型諧波分析法，通過大量閱讀文獻(xiàn)了解諧波分析法的基本原理。推導(dǎo)出介質(zhì)損耗角的計(jì)算公式，以及了解測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在測(cè)量過程中會(huì)遇到的情況。 實(shí)際運(yùn)行中的基波頻率不斷變動(dòng)將影響介損測(cè)量結(jié)果，針對(duì)初相角差異和諧波干擾兩個(gè)引起誤差的因數(shù)，分別采取 措施對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理：利用解析濾波算法消除信號(hào)初相角不同造成的計(jì)算誤差，設(shè)計(jì) FIR 數(shù)字低通濾波器以消除信號(hào)中諧波帶來的影響。 然后，提出基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法對(duì)波動(dòng)的系統(tǒng)頻率進(jìn)行修正，進(jìn)而得到修正后的介損角，并通過 Matlab 仿真驗(yàn)證了算法的性能。 內(nèi)容涉及解析濾波和數(shù)字低通濾波，以及帶窗函數(shù)的 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)。這一章內(nèi)容設(shè)計(jì)《信號(hào)與系統(tǒng)》學(xué)科，其中有不少內(nèi)容是課題上沒有學(xué)過的，但是可以通過自學(xué)教材了解這章內(nèi)容。在設(shè)計(jì)的過程中可能會(huì)用到 MATLAB 等相關(guān)軟件。均需要自學(xué)。 本節(jié)相關(guān)的電路的涉及到《模擬電子電路》以及《數(shù)字電自電路》學(xué)科，同時(shí)還有會(huì)用到 DSP 設(shè)計(jì)。由于我沒有學(xué)過 DSP，但是我能熟練掌握單片機(jī)，因此自學(xué) DSP 應(yīng)該不成問題。本章還涉及到了電流傳感器和電壓傳感器的選擇，這個(gè)可以根據(jù)工程實(shí)例作類似選擇解決。用到的 A/D 轉(zhuǎn)換器等芯片需要對(duì)它們的各個(gè)端口功能熟練掌握。在傳感器選擇之后需要分別對(duì)他們進(jìn)行誤差分析，相關(guān)內(nèi)容需查詢《檢測(cè)技術(shù)》學(xué)科文獻(xiàn)，后設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路。 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架的指導(dǎo)下，分別對(duì)系統(tǒng)的前置處理電路、 A/D 采樣電路、CAN 總 線通信模塊及電源模塊等硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出了電路圖。 V 然而要想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量介損值，并通過絕緣診斷策略準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備的絕緣狀態(tài)，除了 精密的硬件外，還需要能有效協(xié)調(diào)并控制硬件裝置工作的軟件程序。在程序的控制下，由微電流傳感器和電壓互感器測(cè)量到泄漏電流和現(xiàn)場(chǎng)電壓，通過一系列的數(shù)據(jù)預(yù)處理后經(jīng)過 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)? DSP 處理芯片，運(yùn)用之前介紹的基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法計(jì)算出 tanδ，最后經(jīng)通過數(shù)據(jù)處理和后續(xù)相關(guān)程序準(zhǔn)確判斷電容型設(shè)備的絕緣 狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件程序時(shí)，尤其要重視程序本身的高效、簡(jiǎn)潔及可擴(kuò)展性，才能使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的絕緣狀態(tài)。 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為系統(tǒng)控制 主程序、中斷服務(wù)子程序、數(shù)據(jù)分析及診斷子程序以及圖形界面等幾大模塊內(nèi)容。最后測(cè)量得到 tanδ。內(nèi)容設(shè)計(jì)到 DSP 的編程，可閱讀同類程序的設(shè)計(jì)編寫，使最后的程序滿足要求。本研究主要介紹電容型設(shè)備在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，首先說明了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)框架，考慮到程序模塊化設(shè)計(jì)的需要，然后分 別就系統(tǒng)控制主程序、服務(wù)中斷子程序以及數(shù)據(jù)分析及診斷子程序等模塊給出了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，并給出了各個(gè)子程序的流程圖。模塊化設(shè)計(jì)不但簡(jiǎn)化了代碼量，而且提高了程序的高效及可擴(kuò)展性。通過軟件的合理設(shè)計(jì)，使得絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分能在軟件的控制下進(jìn)行有效的介