【正文】 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。最后測(cè)量得到 tanδ。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)行有效的介損在線監(jiān)測(cè)。 四 工作進(jìn)度安排 第一階段： 3 月 13 日 ~3 月 31 日，完成 tanδ 在線監(jiān)測(cè)方法及信號(hào)處理技術(shù)的研究。 VI 包含絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及電流電壓傳感器的選擇，以及傳感器誤差分析和相關(guān)補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，另外還有相關(guān)電源電路以及相關(guān)通信電路的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。 第四階段： 5 月 13 日 ~5 月 20 日，完成結(jié)果驗(yàn)證。 第五階段： 5 月 21 日 ~deadline，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的一切后續(xù)任務(wù)，結(jié)題。的介損數(shù)字測(cè)量方法 [J].高電壓技術(shù) , 20xx,29(4): 35, 8. [6] 徐志鈕 ,律方成 ,趙麗娟 .基于加漢寧窗插值的諧波分析法用于介損角測(cè)量的分析 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化 , 20xx, 30(2): 8185. [7] 徐志鈕 ,律方成 ,李和明 .加布萊克曼 哈里斯窗插值諧波分析法用于介損角測(cè)量的仿真分析 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備 , 20xx,33(3):104108. [8] 王楠 ,律方成等 .基于修正理想采樣頻率的諧波分析法在介損在線測(cè)量中的應(yīng)用 [J].電測(cè)與儀表 ,20xx, 40(7): 1215. [9] 陳楷 ,胡志堅(jiān) ,王卉 ,等 .介損角的非同步采樣算法及其應(yīng)用 [J].電網(wǎng)技術(shù) , 20xx,28(18): 5861. 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VIII 摘要 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 是反映電力電容型設(shè)備絕緣狀況的重要參數(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。 因此準(zhǔn)確測(cè)量 電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)是 最 為 關(guān)鍵 的 問題。 本文對(duì)于諧波分析法 （快速 FFT 變換法） 存在的不足，提出了改進(jìn)型的諧波分析法計(jì)算介質(zhì)損耗 tanδ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)在測(cè)量介質(zhì)損耗 tanδ時(shí)具有較高的穩(wěn)定性和精確度。 附錄 ......................................................................... 35 附錄一 ..................................................................... 35 附錄二 ..................................................................... 41 參考文獻(xiàn) ..................................................................... 43 1 1. 緒論 . 選題背景及研究意義 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 [31]。 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。 . 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)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]。 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。為了消除頻率波動(dòng)的影響 ,提出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]。 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]。 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]。 . 介損 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。 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。利用 MATLAB 軟件中的 GUI 用戶可操作 GUI 界面設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用之前介紹的基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法，分為 hilbert 變換、加窗濾波、計(jì)算處理等各個(gè)模塊來編寫 matlab 代碼，來計(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)。利用傳統(tǒng)諧波分析法和改進(jìn)型全波傅立葉算法計(jì)算介損值，并與理論介損值相比較，進(jìn)行誤差分析，對(duì)比改進(jìn)法算法的性能。 測(cè)試絕緣 試品的性能時(shí)，通常在絕緣試品兩端 加上電極，使它構(gòu)成一個(gè)電容器。而是小于90176。 圖 21 純?nèi)菪噪妷弘娏飨蛄繄D 圖 22 有損耗的電壓電流向量圖 絕緣材料的介質(zhì)損耗可用等值電路來討論，等值電路可用 用 串聯(lián)形式 表示 ，如圖 23，等值電路 也 可用并聯(lián)形式 表示 ，如圖 24。 測(cè)量各種電氣設(shè)備絕緣的 tanδ值已成為絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，表7 21 列出來一些常用絕緣材料的 tanδ值 [17]。 U??(t) = U0 +∑ ??xk sin(2kπf0t+??uxk)∞??=1 (2? 6) I??(t) = I0 +∑ ??xk sin(2kπf0t+ ??ixk) (2? 7)∞??=1 式中： U0為電壓的直流分量； ??xk為電壓的各次諧波幅值； ??uxk為電壓的各次諧波相角。?(φi1 ?φu1)) (2?14) 因此，從傳感器、前置放大電路所得的電壓信號(hào) U??、電流信號(hào) I??，經(jīng)過離散數(shù)字化處理后，按式 (212)~(214)計(jì)算即可求得容性設(shè)備的介質(zhì)損耗角正切值。而 ??0、 ????分別表示為系統(tǒng)基波頻率和采樣頻率。為了減輕非同步采樣情況 時(shí)的 柵欄效應(yīng) 和頻譜泄漏 的影響，本文將提出 一種 FFT快速傅里葉 分析法。再利用式（ 214）可以計(jì)算出 tanδ。對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，就意味著首先要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，即在時(shí)域?qū)π盘?hào)設(shè)置窗函數(shù)，因?yàn)閷?duì)信號(hào)加時(shí)域窗等效于在頻域相卷積，這種截?cái)鄬?dǎo)致頻譜分析出現(xiàn)誤差，其效果是使得頻譜以實(shí)際頻率值為中心，以窗函數(shù)頻譜波形的形狀向兩側(cè)擴(kuò)散，產(chǎn)生“泄漏效應(yīng)” [21]。但是如果系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，采樣頻率沒有及時(shí)的相應(yīng)調(diào)整，那么就會(huì)出現(xiàn)采樣序列不是整數(shù)個(gè)周期的數(shù)值，從而在傅立葉計(jì)算中產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，得到的基波幅值和相位準(zhǔn)確度就受到了高次諧波的干擾，該誤差在電力系統(tǒng)中相對(duì)基波的能量來說比較小，對(duì)幅值的測(cè)量影響較小，但是在相位測(cè)量時(shí)，由于δ的本身的大小在 %~1%內(nèi)，上述的影響足以淹沒 δ 本身的值，從而嚴(yán)重影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果。 . 其他干擾因素 零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：電壓和電流信號(hào)的測(cè)量中難免要發(fā)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，這會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生直流分量。 白噪聲的影響：隨著信噪比的增加，介損角測(cè)量誤差逐漸下降。 . 信號(hào)預(yù)處理 在 節(jié)中提到的各類干擾影響中，很大的一部分干擾因素都可以利用信號(hào)預(yù)處理的方法將其予以消除。如果在對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換之前，只保留信號(hào)的正頻帶分量而將負(fù)頻帶分量濾除，則初相角不同造成的計(jì)算誤差將會(huì)被消除。 相角誤差分析： 假設(shè)理想的工頻信號(hào)為 x(n)=Asin（ ???? +φ），根據(jù)式（ 218）、式（ 219）、式（ 220）可以獲得解析信號(hào)為： z(n) = A????(??????????2) 。依據(jù) Hilbert 變換的特性，若信號(hào) x(n)通過希爾伯特（ Hilbert）變換后得到x?(n)， Hilbert 變換的單位抽樣響應(yīng)為 h(n)，則其解析信號(hào)可如下式表示： z(n) = x(n)+ jx?(n) (2?18) h(n)= 12??∫ ??(??????)?????????????????= 12??∫ ??????????????0???? 12??∫ ????????????????0 (2?19) x?(n)= h(n)? x(n) (2?20) 計(jì)算上式的積分，可得： h(n) = 1 ?(?1)?????? = {0 ??為奇數(shù)2??π ??為偶數(shù) (2?21) 設(shè) 實(shí) 信號(hào) x(n),解析信號(hào) z(n)的頻譜分別為 X(ω)和 Z(ω)，則 Z(ω)= {??(??) ?? = 02??(??) ?? 00 ?? 0 (2?22) 對(duì)離散時(shí)間信號(hào) x ( n )進(jìn)行快速傅立葉變換（ FFT），得到信號(hào)的解析信號(hào)和希爾伯特變換，具體步驟如下： （ 1）利用 FFT 將實(shí)信號(hào) x(n)轉(zhuǎn)換成 k = 0,1,...,N1,其中后半部分的值代表負(fù)頻率成分。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)，從而提高介質(zhì)損耗測(cè)量精度。 系統(tǒng)誤差的影響：由于基于 FFT 快速傅里葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)必須是 2 的整數(shù)次方（本例取 210=1024），故不可能是 整 周期采樣，雖然隨后采用的是加 Hanning窗濾波采樣，但是仍然會(huì)使得最后的計(jì)算值隨著采樣時(shí)間相角的變化而呈現(xiàn)一個(gè)周期波動(dòng)性質(zhì)，這是由于算法的選擇而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。 A/D 量化位數(shù)的影響：由于硬件采用的 AD 轉(zhuǎn)換器的最低分辨率限制，對(duì)實(shí)際測(cè)量的電壓電流，均有最小分辨率的限制，該值受 AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)影響，如果 AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)太低 ，則勢(shì)必對(duì)測(cè)量結(jié)果造成細(xì)微的不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤差。 為了減少快速傅立葉變換過程中的頻譜泄漏 , 可以改用其他 類型的 窗函數(shù)對(duì)10 信號(hào)進(jìn) 行截?cái)?,相關(guān)性能將在第 節(jié)中作進(jìn)一步闡述。這就好像在百頁(yè)窗內(nèi)觀察窗外的景色，看到的是百葉窗窗縫內(nèi) 的部分景色，而無法看到被百葉