【正文】 11 希爾伯特（ Hilbert）變換是重要的信號(hào)處理與分析工具，可以利用 Hilbert 變換構(gòu)造電壓及電 流信號(hào)的解析信號(hào)，由于解析信號(hào)的頻譜中不包含負(fù)頻率成分，如式（ 222）所示，即信號(hào)通過(guò) Hilbert 變換后可以消除正負(fù)頻帶之間的相互干擾。而在信噪比較低的情況下，介損角測(cè)量的誤差足以掩蓋真實(shí)值，所以在白噪聲干擾較嚴(yán)重時(shí)應(yīng)使用各種消噪措施抑制信號(hào)中的白噪聲，以免給介損角測(cè)量帶來(lái)嚴(yán)重影響。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中電網(wǎng)頻率基本上在 和 之間波動(dòng)，仿真的畸變率設(shè)為 5%，致使無(wú)法使信號(hào)整周期采樣，勢(shì)必會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此系統(tǒng)頻率波動(dòng)是影響在線監(jiān)測(cè)介損tanδ 精確度的重要因素。 . 實(shí)際電網(wǎng)中的干擾因素 . 諧波的影響 實(shí)際的電網(wǎng)電壓中，諧波的含量一般不超過(guò) 30%。在不滿足式（ 215）的條件下，會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)，影響介損值測(cè)量的精度，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值無(wú)效。 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。 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(shí)： tanδ串 = ????????= ????????/??????= ?????????? (2?1) 其中 CN 與 RN 分別為電介質(zhì)理想的無(wú)損耗等效電容和等效串聯(lián)電阻，流過(guò)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(wú)損耗等效電容和等效并聯(lián)電阻，流過(guò)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(shí)， tanδ 串 和 tanδ 并 的值相差極小，所以有時(shí)為了計(jì)算方便用 tanδ 串 的形式比較多。如果在交流電壓下流過(guò)電容器的電流超前電壓 90176。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。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(guò)大量閱讀文獻(xiàn)了解諧波分析法的基本原理。 . 高階正弦擬合法 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 = ∑(x(ti)? x(i))2N?1i=0 （ 1? 2） 式子（ 12） 的值最小。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]。 . 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 針對(duì) 介質(zhì)損耗損 角的 測(cè)量方法的研究 ,一直是一個(gè)熱點(diǎn) 問(wèn)題 ,最為 常見(jiàn)的測(cè)量方法主要通過(guò)硬件和軟件兩種途徑實(shí)現(xiàn) 的 。 關(guān)鍵詞： 電容型設(shè)備 絕緣在線監(jiān)測(cè) 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?；趥鹘y(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(jì)算 介質(zhì)損耗角的主要方法。 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告以及畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，分析本設(shè)計(jì)相關(guān)不足之處，提出后續(xù)改進(jìn)意見(jiàn)。 第三階段： 4 月 22 日 ~5 月 12 日，完成檢測(cè)系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)。 在完成設(shè)計(jì)后，可以對(duì)實(shí)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(yàn)證檢測(cè)得到的 tanδ與理論值是否接近，來(lái)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)所提出的方法是不是能滿足工程要求，實(shí)現(xiàn)電容器絕緣介質(zhì)的在線檢測(cè)。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(guò)一系列的數(shù)據(jù)預(yù)處理后經(jīng)過(guò) 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(guò)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)。均需要自學(xué)。 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(lái)的計(jì)算誤差。 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(wèn)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)。通過(guò)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。 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)。雙極性過(guò)零比較法通過(guò)對(duì)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)兩次過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)零點(diǎn)相位法和根據(jù)歸一化后信號(hào)過(guò)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]。 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(wèn)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。下面對(duì)這兩大類(lèi)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。這樣信號(hào)處理帶來(lái)了泄露和柵欄效應(yīng)。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]。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(wèn)題可以有效提高算法的精確度和速度。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)。 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)。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。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(shuō)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。并對(duì)兩種方法進(jìn)行仿真比較。然后，選取多組不同的電阻電容值。誤差的絕對(duì)值為 ～ rad。最后，在Matlab/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)介質(zhì)損耗 tanδ進(jìn)行有效、可靠地在線監(jiān)測(cè)。基于 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)。 . 傅里葉分析法 對(duì)一個(gè) 含有各次諧波的有限長(zhǎng)度周期信號(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)的 FFT 變換結(jié)果進(jìn)行分析 ,可得到電流基波初相角φ i電壓基波初相角φ u1,求取的介質(zhì)損耗角的公式為： δ = π/2? (????1 ? ????1) （ 1? 1） 通過(guò) 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(lái)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(guò)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(wú)法滿足 tanδ的測(cè)量要求 [28]。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]。對(duì)于 快速 FFT 諧波分析法存在的不足，提出了改進(jìn)型的 快速 FFT 諧波分析法計(jì)算介損 tanδ。 . 檢測(cè)系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì) 然而要想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量介損值，并通過(guò)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。 5 2. 介損 tanδ 在線監(jiān)測(cè)方法的研究 . 電力電容器中的介質(zhì)損耗 tanδ 介質(zhì)損耗主要是由極性電介質(zhì)中 的偶極子極化和復(fù)合電介質(zhì)