【正文】 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。 如果電容器 在 加上交流電壓后，其流過的電流不是 正好 超前 90176。 因為 P 值與試驗 電壓、試品大小等因素有關(guān)，不同試品間難以比較； 而介質(zhì)損耗角正切 tanδ是僅取決于材料的特性、與材料尺寸無關(guān)的物理量，用它來描述電介質(zhì)的損耗特性非常方便，于是就改用介質(zhì)損耗角正切 tanδ作為表征解釋損耗程度的物理量； 其值越大，說明這種材料的介質(zhì)損耗越大 [17]。所以，介質(zhì)損耗角正切 : tanδ = tan (90176。在線測量結(jié)果 也 會受到頻率泄漏和柵欄效應(yīng)的嚴(yán)重影響。 . 頻譜泄漏和柵欄效應(yīng) 所謂頻譜泄漏 是指某一頻率的信號能量擴(kuò)散到相鄰頻率點(diǎn)的現(xiàn)象。 改善柵欄效應(yīng)的一種辦法是在 x1(n)后面增補(bǔ)若干零值點(diǎn)，例如增補(bǔ) N2N1個零點(diǎn) ，將序列人為地改為 N2 點(diǎn)，由于 x1(n)的有效數(shù)據(jù)為 N1 個，所以 x(??jw)并沒有變化，增補(bǔ)零的效果實際上相當(dāng)于改變了采樣點(diǎn)的位置，使各采樣點(diǎn)之間的間隔更小，這樣 FFT 計算的頻譜峰值對應(yīng)的頻率就更加靠近信號的峰值頻率，從而提高了頻率檢測的精度 [21]?？刹捎迷龃蟛蓸狱c(diǎn)數(shù)來抑制其波動幅度使誤差到可以接受的范圍內(nèi)，同時，也可以將連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)計算而來的介質(zhì)損耗角值，最后求取平均值，來消除系統(tǒng)誤差。 （ 2）根據(jù) X ( k )構(gòu)造信號 x ( n )的解析信號： Z(k) ={ ??(??) ??= 0 2??(??) ?? = 1,2,…,??2 ?10 ??= ??2 ,…,N (2?23) （ 3） 通過對解析信號的頻譜 Z ( k )進(jìn)行傅立葉反變換（ IFFT）得到實信號 x ( n )的解析信號 z ( n )。 . Hilbert 變換 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測量到的電壓、電流信號都是實信號，其頻譜分為正、負(fù)兩個頻帶，這兩個頻帶受系統(tǒng)頻率的波動會發(fā)生改變，造成電壓、電流信號之間的相位差計算隨初相角的改變而不同，從而給監(jiān)測結(jié)果帶來誤差。但是合理的選擇高位數(shù)的 AD 轉(zhuǎn)換器，可使得這種誤差降到最低。 當(dāng)傅立葉變換序列是工頻整 數(shù)倍的樣本序列時，頻譜分析得到的基波幅值和相位可以真實地反應(yīng)電網(wǎng)中的頻率和幅值。 ` 故 ??i1與 ??u1分別為對電流、電壓有限采樣序列進(jìn)行 1024 點(diǎn) FFT 變換后的第9 9 個頻率點(diǎn)出的相角值。 ??0???? = N/L 或??????0 =NL (2?15) 上式中， N、 L 分別表示為采樣點(diǎn)數(shù)和周期數(shù)， ??0、 ????分別表示為信號基波周期和采樣周期。 . 諧波分析法測量 tanδ的基本原理 滿足狄里赫利條件的電力系統(tǒng)電壓 Ux、電流 Ix數(shù)據(jù) 可按 照 傅里葉級數(shù)分解為直流分量和各次諧波分量之和。由圖 22 可以看出，由于電介質(zhì)中存在極化損耗和電導(dǎo)損耗，流過電介質(zhì)的總電流 I 不再是純粹的電容電流，而是包含有功分量和無功分量。而在交流電壓作用下，既有極化損耗又有電導(dǎo)損耗，就需要引入介質(zhì)損耗這一概念及相關(guān)新的物理量來描述電介質(zhì)的損耗特性 [17]。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)? 電腦中。利用 Hilbert 變換構(gòu)造解析變換以消除信號中的負(fù)頻率成分；設(shè)計加 Hanning 窗的 FIR 低通濾波器以濾除干擾信號； 同時，采用加窗插值的修正算法 來修正頻率波動給相角測量造成的誤差。 通過仿真 得知 準(zhǔn)同步傅里葉算法計算所得介損誤差的絕對值小于 0. 0002%,能滿足177。 傅里葉分析法在介質(zhì)損耗 測量中應(yīng)用最為廣泛 ,但是 在非同步采樣下 ,卻 會產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。由于絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) tanδ 對反映電力設(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)防性試驗規(guī)程》對不同種類的電力設(shè)備規(guī)定了 tanδ最大容許值 的 標(biāo)準(zhǔn) ,對介質(zhì)損耗 的監(jiān)測是電力設(shè)備絕緣監(jiān)測的主要方法， 雖然可根據(jù) tanδ測量結(jié)果來分析判斷絕緣狀態(tài) ,但由于在正常時 tanδ值比較小 ,其數(shù)量級一般為 10－ 3,對測量的精確性和穩(wěn)定性有很高的要求 ,并且由于在運(yùn)行現(xiàn)場受各種因素的影響 ,所測到的 tanδ 值總會有一定的誤差 ,如果不能處理好這些問題 ,將不能很好地實現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣的在線監(jiān)測 [28]。將模型模擬得到的波形數(shù)據(jù)利用本文提出的研究方法進(jìn)行計算與并與介質(zhì)損耗理論值相比較，并對實際模型得到的測量數(shù)據(jù)計算得到的介質(zhì)損耗 tanδ進(jìn)行在線監(jiān)測。實際測量 時 計算結(jié)果很容易因誤差而 被 湮沒。將多種模型參數(shù)的介損值進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析了兩種算法的區(qū)別和優(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。 第二階段： 4 月 1 日 ~4 月 21 日，完成檢測系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計。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。 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、 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)計并給出了電路圖。這一章內(nèi)容設(shè)計《信號與系統(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。將傳統(tǒng)諧波分析法、基于 Hanning 窗插值的改進(jìn)型諧波分析法計算值與介損理論值相比較，分析兩種介損計算方法的性能，并對不同實驗?zāi)Ｐ蜏y量得到的介損 tanδ 進(jìn)行在線監(jiān)測。 相關(guān)函數(shù)法 相關(guān)函數(shù)法可以較好地解決 FFT 在非整周期采樣時的頻譜泄露問題 ,但是對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。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]。當(dāng)電網(wǎng)頻率漂移時 ,即使在硬件上通過一定的頻率跟蹤措施 ,如鎖相環(huán)等 ,但仍不能實現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣。 “硬件方法”也稱為直接測量法 ,主要有過零比較法和基于電橋平衡原理的介損測量方法等。 畢 業(yè) 設(shè) 計 [ 論 文 ] 題 目 ： 電容器介質(zhì)損耗測量技術(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) ： 電氣工程及其自動化 姓 名 ： 指導(dǎo)教師 ： 20xx 年 5 月 24 日I 開題報告 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 ,隨著電壓等級和設(shè)備容量的增大 ,設(shè)備故障的檢修時間越來越長 ,費(fèi)用也越來越高 ,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)供電的可靠性 [16]。 過零比較法 過零比較法是根據(jù)電壓、電流信號過零點(diǎn)的時間差或電壓、電流歸一化后過零點(diǎn)II 附近兩信號幅值差獲得信號的相角差 ,該算法原理簡單、容易實現(xiàn) ,但是精確度較低 ,容易受諧波、噪聲、頻率波動和電壓變化等的影響 ,多用于介損測量儀 [1]。由于存在非同步采樣 ,計算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差 ,嚴(yán)重時 ,無法滿足 tanδ的測量要求。頻譜泄露對消算法格局相距 1/4 個周波的信號頻譜消除基波負(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)致的誤差計算 ,具有很好的應(yīng)用前景 [10]。 針對相關(guān)函數(shù)法在非整周期采樣時產(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、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、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]。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)在測量介損 tanδ 時具有較高的穩(wěn)定性和精確度。在設(shè)計的過程中可能會用到 MATLAB 等相關(guān)軟件。 V 然而要想實現(xiàn)準(zhǔn)確測量介損值，并通過絕緣診斷策略準(zhǔn)確地評估設(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。通過軟件的合理設(shè)計，使得絕緣在線監(jiān)測系統(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。 VI 包含絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，另外還有相關(guān)電源電路以及相關(guān)通信電路的簡單設(shè)計。 第五階段： 5 月 21 日 ~deadline，完成畢業(yè)設(shè)計的一切后續(xù)任務(wù)，結(jié)題。 因此準(zhǔn)確測量 電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)是 最 為 關(guān)鍵 的 問題。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)在測量介質(zhì)損耗 tanδ時具有較高的穩(wěn)定性和精確度。 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)測與故障診斷任務(wù)對于全面實現(xiàn)狀態(tài)檢修具有十分重要的現(xiàn)實意義； 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 tanδ 的測量來 及時發(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，因此實現(xiàn)介質(zhì)損耗 的在線監(jiān)測具有重要的意義。 在含有 3 次諧波且頻率存在波動的情況下 ,對采用傅里葉算法計算出介損的誤差進(jìn)行了分析 ,表明介損測量誤差隨 3 次諧波的增加線性增加。 0. 1%的要求 ,同時將準(zhǔn)同步系數(shù)與正弦、余弦的乘積存入存儲器 ,減少了計算量 [11]。 . 介損 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。利用 MATLAB 軟件中的 GUI 用戶可操作 GUI 界面設(shè)計軟件，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、計算處理等各個模塊來編寫 matlab 代碼，來計算出 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)。 測試絕緣 試品的性能時，通常在絕緣試品兩端 加上電極，使它構(gòu)成一個電容器。 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。 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。而 ??0、 ????分別表示為系統(tǒng)基波頻率和采樣頻率。再利用式（ 214）可以計算出 tanδ。但是如果系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，采樣頻率沒有及時的相應(yīng)調(diào)整，那么就會出現(xiàn)采樣序列不是整數(shù)個周期的數(shù)值，從而在傅立葉計算中產(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)中相對基波的能量來說比較小，對幅值的測量影響較小，但是在相位測量時，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)測結(jié)果。 白噪聲的影響：隨著信噪比的增加，介損角測量誤差逐漸下降。如果在對信號進(jìn)行離散傅立葉變換之前，只保留信號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算誤差將會被消除。依據(jù) Hilbert 變換的特性，若信號 x(n)通過希爾