【正文】 ，基于模塊化的程序開發(fā)思想，實現(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。 tanδ 在線監(jiān)測方法的研究 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所導(dǎo)致的測量誤差；同時，利用解析濾波消除信號初相角差異帶來的計算誤差。 然后，提出基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法對波動的系統(tǒng)頻率進(jìn)行修正，進(jìn)而得到修正后的介損角，并通過 Matlab 仿真驗證了算法的性能。均需要自學(xué)。用到的 A/D 轉(zhuǎn)換器等芯片需要對它們的各個端口功能熟練掌握。在程序的控制下，由微電流傳感器和電壓互感器測量到泄漏電流和現(xiàn)場電壓，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，運用之前介紹的基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法計算出 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)。內(nèi)容設(shè)計到 DSP 的編程，可閱讀同類程序的設(shè)計編寫，使最后的程序滿足要求。 在完成設(shè)計后，可以對實物進(jìn)行仿真分析，或者用 simulink 等相關(guān)軟件進(jìn)行模擬分析，驗證檢測得到的 tanδ與理論值是否接近，來驗證本設(shè)計所提出的方法是不是能滿足工程要求，實現(xiàn)電容器絕緣介質(zhì)的在線檢測。 內(nèi)容包含傳統(tǒng)諧波分析法的基本原理，解析濾波，數(shù)字濾波器的設(shè)計以及相關(guān) matlab 仿真，同時還有基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法的技術(shù)研究。 第三階段： 4 月 22 日 ~5 月 12 日，完成檢測系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計。 在完成總體設(shè)計后，需要分別利用傳統(tǒng)全波傅立葉算法和改進(jìn)型全波傅立葉算法計算介損值，并與理論介損值相比較，進(jìn)行誤差分析，對比兩種算法的性能。 完成畢業(yè)設(shè)計報告以及畢業(yè)設(shè)計答辯，分析本設(shè)計相關(guān)不足之處，提出后續(xù)改進(jìn)意見。 在電力電容器中， tanδ 是一個很小的值， δ 為 ～ 。基于傳統(tǒng) 的 快速 FFT 傅里葉變換 法 由于 抗干擾能力強(qiáng) 、 硬件環(huán)節(jié)少 ，目前 已成為 電力電容器 計算 介質(zhì)損耗角的主要方法。 對于實際采集的電壓電流離散采樣信號， 首先 利用希爾伯特 (Hilbert）變換構(gòu)造解析變換信號以消除信號中的負(fù)頻率部 分；設(shè)計加漢寧窗（ Hanning）窗的 FIR 低通濾波器以濾除諧波干擾信號；然后 ，采用加窗插值法的全波傅立葉算法來修正頻率波動給相角測量造成的誤差。 關(guān)鍵詞： 電容型設(shè)備 絕緣在線監(jiān)測 介質(zhì)損耗因數(shù) 改進(jìn)型諧波分析法 IX Abstract Along with the development of ultrahigh voltage and large capacity in power system, the power system accident caused by electrical equipment fault causes more and more serious loss. Capacitive equipment is important to power transmission and transformation unit, so the online insulation monitoring and fault diagnosis is of great practical for realization of state maintenance. To high voltage capacitive equipment, the dielectric loss factor tan delta is a significant parameter which can reflect the insulating condition. By measuring tan delta, the insulation moistened, deterioration and local defects can be found to ensure the safe operation of power system, therefore, the online insulation monitoring of tan delta is especially important. In the electric power capacitor, tan delta is a small value, which varies from to rad. The absolute value of error is ~ rad, which makes the actual measurement value is easy to be inundated by error. Therefore, accurate measurement of the dielectric loss factor of power capacitor is the key problem. Based on the traditional fast Fourier transform (FFT), the harmonic analysis method with less hardware link, strong antiinterference ability, has bee the main method to pute the electric power capacitor dielectric loss Angle. But in the use of the harmonic analysis method to calculate the dielectric loss Angle, as a result of continuous power frequency periodic signal of truncation and nonsynchronous sampling, will produce frequency spectrum leakage and fence effect, thus affecting measurement precision. Therefore, power grid voltage and current signals needs to be synchronous sampled. For deficiencies of harmonic analysis, this paper puts forward an improved harmonic analysis, which can calculate the tan delta of dielectric loss. For actual acquisition of discrete sampling voltage and current signals, using the Hilbert transform of signals to eliminate the negative frequency ponents。 對電氣設(shè)備定期進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗 ,雖然可以發(fā)現(xiàn)許多絕緣缺陷 ,但 仍然 存在著試驗時需要停電、試驗周期長、試驗方法的有效性不夠等問題 ,在現(xiàn)場仍出現(xiàn)了預(yù)防性試驗不久就發(fā)生絕緣故障的情況。 . 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀 針對 介質(zhì)損耗損 角的 測量方法的研究 ,一直是一個熱點 問題 ,最為 常見的測量方法主要通過硬件和軟件兩種途徑實現(xiàn) 的 。雙極性過零比較法通過對信號在一個周期內(nèi)兩次過零時電壓與電流信號的時間差求平均 ,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 ,對介損的測量影響仍很大 ,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 對過零點相位法和根據(jù)歸一化后信號過零點附近幅值差獲得的兩信號相位差的算法進(jìn)行了比較 ,得到了一些結(jié)論 [2]。很多學(xué)者對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]。還有一種 采樣基波相位分離法 ,該方法原理也是基于傅里3 葉變化的 ,不同的是他根據(jù)獲得頻率僅計算基波分量 ,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 ,計算所得介損具有很高的精確度 ,同時他具有對采樣時間長度要求不高、原理簡單、計算量小、實現(xiàn)容易 ,比常規(guī)的傅里葉算法準(zhǔn)確 [9]。 . 高階正弦擬合法 高階正弦擬合法， 該方法是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘高階擬合 ， 即要求 : ?X = ∑(x(ti)? x(i))2N?1i=0 （ 1? 2） 式子（ 12） 的值最小。 . 本文的主要工作 本設(shè)計針對介損 tanδ 測量精度不高 、穩(wěn)定度不夠 等問題，研制了基于單片機(jī)的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。本設(shè)計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。 . 檢測系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計 在監(jiān)測系統(tǒng)整體框架的指導(dǎo)下，分別對系統(tǒng)的前置處理電路、傳感器補(bǔ)償電路、 A/D 采樣電路、通信模塊及電源模塊等硬件進(jìn)行設(shè)計并給出了電路圖。模塊化設(shè)計不但簡化了代碼量，而且提高了程序的高效及可擴(kuò)展性。然后，選取多組不同的電阻電容值（理論介損值范圍 ~ 之內(nèi)），將多種模型參數(shù)的介損值進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析算法的優(yōu)越性，從而驗證本文研制的基于改進(jìn)型全波傅立葉算法的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。如果在交流電壓下流過電容器的電流超前電壓 90176。如圖 22，則那不足部分 (的即所謂介質(zhì)損耗角，它的單位以弧度表示 )。 6 圖 23 電力電容器串聯(lián)等效電路 圖 24 電力電容器并聯(lián)等效電路 當(dāng)用串聯(lián)電路時： tanδ串 = ????????= ????????/??????= ?????????? (2?1) 其中 CN 與 RN 分別為電介質(zhì)理想的無損耗等效電容和等效串聯(lián)電阻，流過的電壓分別為 UC 和 UR，總電壓 U=UC+UR 當(dāng)用并聯(lián)電路是： tanδ并 = ????????= ??/????????????= 1/?????????? (2? 2) 其中 CM 與 RM 分別為電介質(zhì)理想的無損耗等效電容和等效并聯(lián)電阻，流過的電流分別為 IC 和 IR，總電流 I=IC+IR 兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系 : R?? = R?? (1+ 1tanδ2) (2?3) C?? = C?? (1 + 1tanδ2) (2?4) 在 tanδ 較小時， tanδ 串 和 tanδ 并 的值相差極小，所以有時為了計算方便用 tanδ 串 的形式比較多。 表 21 一些常用絕緣材料的 tanδ值 電介質(zhì)類型 tanδ /% 電介質(zhì)類型 tanδ /% 變壓器油 ～ 聚乙烯 ～ 蓖麻油 1～ 3 交聯(lián)聚乙烯 ～ 電工陶瓷 2～ 5 聚苯乙烯 ～ 油浸電纜紙 ～ 8 聚四氟乙烯 瀝青與母帶 ～ 1 聚氯乙烯 5～ 10 在絕緣性預(yù)防性試驗中， tanδ 值是一個基本的測試項目。 I0為電流的直流分量； ??xk為電流的各次諧波幅值； ??ixk為電流的各次諧波相角。由于計算得到的基波參數(shù)采用傅里葉變換的原理，幾乎不受高次諧波的干擾，況且該方法主要以軟件處理為主，能夠極大地減小硬件電路誤差所造成的影響。在不滿足式（ 215）的條件下，會產(chǎn)生頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)，影響介損值測量的精度，導(dǎo)致監(jiān)測值無效?？赏ㄟ^對信號采取預(yù)處理的方法，抑制由系統(tǒng)頻率波動而引起的諧波干擾及初相角差異等影響。 . 實際電網(wǎng)中的干擾因素 . 諧波的影響 實際的電網(wǎng)電壓中，諧波的含量一般不超過 30%。 快速傅立葉變換得到的頻譜是離散譜，是信號的頻譜與一個窗函數(shù)的頻譜做卷積后，按歸一化頻率分辨率等間隔頻域采樣的結(jié)果，它只給出頻譜在離散點 :w=2kπ /N（ 0≤ k≤ N1）上的值，而無法反映這些點之間的頻譜內(nèi)容， 即使在其它點上有重要的峰值也會被忽略。由于現(xiàn)場環(huán)境中電網(wǎng)頻率基本上在 和 之間波動，仿真的畸變率設(shè)為 5%，致使無法使信號整周期采樣，勢必會影響測量的準(zhǔn)確性，因此系統(tǒng)頻率波動是影響在線監(jiān)測介損tanδ 精確度的重要因素。直流分量占基波分量的比值變化時，計算所得介損角也會產(chǎn)生誤差，影響測量精度。而在信噪比較低的情況下，介損角測量的誤差足以掩蓋真實值，所以在白噪聲干擾較嚴(yán)重時應(yīng)使用各種消噪措施抑制信號中的白噪聲，以免給介損角測量帶來嚴(yán)重影響。信號的預(yù)處理分為 Hilbert 變換與 FIR 數(shù)字濾波兩步。 11 希爾伯特（ Hilbert）變換是重要的信號處理與分析工具，可以利用 Hilbert 變換構(gòu)造電壓及電 流信號的解析信號，由于解析信號的頻譜中不包含負(fù)頻率成分，如式（ 222）所示，即信號通過 Hilbert 變換后可以消除正負(fù)頻帶之間的相互干擾