【正文】 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質(zhì)損耗角 測量方法等 ； “軟件方法”也稱為信號重建法 , 它是將放大、處理后的傳感器信號離散采樣 ,經(jīng)高速 A/D 變換成為數(shù)字量 ,然后通過數(shù)字信號處理技術(shù)處理后獲得測量結(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 ,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 法必須滿足一個假設(shè) :即必須2 為同步采樣 ,即采樣頻率為信號基波頻率的整數(shù)倍 ,然而 ,由于頻率波動等因素使得同步采樣很難滿足 ,于是很多學(xué)者對這些算法進行了改進 [32]。因此，需要 對 電網(wǎng)電壓以及電流信號 進行 同步采集 。分開編譯程序代碼，最后進行總體編寫，校驗，讓整個系統(tǒng)滿足相關(guān)功能。 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以采用模塊化設(shè)計，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。推導(dǎo)出介質(zhì)損耗角的計算公式，以及了解測量方法的優(yōu)缺點，以及在測量過程中會遇到的情況。 高階正弦擬合法 文獻 [11,12]介紹了高階正弦擬合法。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 ,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。 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)的安全運行，因此實現(xiàn)介質(zhì)損耗 的在線監(jiān)測具有重要的意義。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) ,并且增加的計算量較小、編程實現(xiàn)比較容易 ,后者用 4項的 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 ,計算和編程實現(xiàn)比較困難 [6]。 最終需要實現(xiàn)能高精度在線檢測出電容器介質(zhì)損耗 tanδ的檢測系統(tǒng) 研究路線和技術(shù)方案 設(shè)計以 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。本章還涉及到了電流傳感器和電壓傳感器的選擇，這個可以根據(jù)工程實例作類似選擇解決。 四 工作進度安排 第一階段： 3 月 13 日 ~3 月 31 日，完成 tanδ 在線監(jiān)測方法及信號處理技術(shù)的研究。的介損數(shù)字測量方法 [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量的分析 [J].電力系統(tǒng)自動化 , 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量的仿真分析 [J].電力自動化設(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量中的應(yīng)用 [J].電測與儀表 ,20xx, 40(7): 1215. [9] 陳楷 ,胡志堅 ,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. [10] 張介秋 ,梁昌洪 ,韓峰巖 ,等 .介質(zhì)損耗因數(shù)測量的頻譜泄漏對消算法 [J].高電壓技術(shù) , 20xx, 30(10): 2326. [11] 李和明 ,徐志鈕 ,律方成 .兩種高精度介損角算法的比較和分析 [J].電測與儀表 ,20xx,44(51):14～ 16,55. [12] 王微樂 ,李福琪 .測量介質(zhì)損耗角的高階正弦擬合算法 [J].清華大學(xué)學(xué)報 :自然科學(xué)版 ,20xx,41(9):5～ 8. [13] 王楠 ,律方成等 .相關(guān)函數(shù)法計算容性設(shè)備介質(zhì)損失角正切 [J].華北電力大學(xué)學(xué)報 ,20xx,28(3): 2225. [14] 左志強 ,徐陽 ,等 .計算電容型設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)的相關(guān)函數(shù)法的改進 [J].電網(wǎng)技術(shù) , 20xx, 28(18): 5357. [15] 孫春雷 ,陳照強 .電力設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測技術(shù)綜述 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報 ,20xx,27:9798. VII [16] 王瑞闖 ,肖仕武 . 容性設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測方法的研究及幾點建議 [J]. 電力電容器與無功補償 ,20xx,30(4):4549. 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 是反映電力電容型設(shè)備絕緣狀況的重要參數(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)的安全運行，因此實現(xiàn)介質(zhì)損耗的在線監(jiān)測具有重要的意義。 附錄 ......................................................................... 35 附錄一 ..................................................................... 35 附錄二 ..................................................................... 41 參考文獻 ..................................................................... 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%,他們的安全運行 情況將 直接影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行 ,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 ,費用也越來越高 ,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)供電的可靠性 [31]。為了消除頻率波動的影響 ,提出了修正理想采樣頻率的諧波分析法 ,該方法對采樣序列進行修正 ,使得介損的測量精度得到了提高 [8]。 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)頻率進行修正，進而得到修正后的介損角，并通過 Matlab 仿真驗證了算法的性能。而是小于90176。?(φi1 ?φu1)) (2?14) 因此，從傳感器、前置放大電路所得的電壓信號 U??、電流信號 I??，經(jīng)過離散數(shù)字化處理后，按式 (212)~(214)計算即可求得容性設(shè)備的介質(zhì)損耗角正切值。對被測信號進行快速傅立葉變換，就意味著首先要對時域信號進行截斷，即在時域?qū)π盘栐O(shè)置窗函數(shù)，因為對信號加時域窗等效于在頻域相卷積，這種截斷將導(dǎo)致頻譜分析出現(xiàn)誤差，其效果是使得頻譜以實際頻率值為中心，以窗函數(shù)頻譜波形的形狀向兩側(cè)擴散，產(chǎn)生“泄漏效應(yīng)” [21]。 . 信號預(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預(yù)處理的方法將其予以消除。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，從而提高介質(zhì)損耗測量精度。這就好像在百頁窗內(nèi)觀察窗外的景色，看到的是百葉窗窗縫內(nèi) 的部分景色，而無法看到被百葉窗遮擋住的部分，這就是“柵欄現(xiàn)象”； 對于矩形窗截取的序列，由于每個譜線附近的頻譜與矩形窗函數(shù)的頻譜相同，矩形窗函數(shù)主瓣占據(jù)的帶寬為 ，對應(yīng)的模擬頻率大小為 Fs/N（也就是我們通常說的信號的頻譜分辨率）； 當(dāng)兩個譜線之間的間隔小于 Fs/N 時，兩個矩形窗的主瓣開始混疊，原來的兩個譜線所對應(yīng)的兩個峰值消失，出現(xiàn)一個新的頻譜峰值，即兩個譜線被看成一個新的譜線 [21]。 因為實際的電壓電流均為有限長的采樣序列，只有實現(xiàn)整周期采樣時，如式（ 215）所示，上述的諧波分析法公式才能夠嚴(yán)格成立。電容器損耗與其損耗角正切值 tanδ成正比。 . 檢測系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計 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。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]?；?運行 情況時 的電力 電容器設(shè)備絕緣在線監(jiān)測 法 具有不需要停電、有效性高 、實時監(jiān)測 等優(yōu)點。誤差的絕對值為 ～ rad。并對兩種方法進行仿真比較。在傳感器選擇之后需要分別對他們進行誤差分析，相關(guān)內(nèi)容需查詢《檢測技術(shù)》學(xué)科文獻，后設(shè)計補償電路。最后，在實驗室環(huán)境或者simulink 環(huán)境下建立設(shè)備模型驗證所研制的系統(tǒng)能否對介損 tanδ 進行有效、可靠地在線監(jiān)測。為了消除頻率波動的影響 ,提出III 了修正理想采樣頻率的諧波分析法 ,該方法對采樣序列進行修正 ,使得介損的測量精度得到了提高 [8]。下面對這兩大類介損檢測方法的原理和性能以及不足進行較為詳細的分析。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行了比較 ,得到了一些結(jié)論 [2]。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。 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。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)。 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?；趥鹘y(tǒng) 的 快速 FFT 傅里葉變換 法 由于 抗干擾能力強 、 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。 . 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 。 . 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。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展性。 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。在不滿足式（ 215）的條件下，會產(chǎn)生頻譜泄漏及柵欄效