【正文】 得同步采樣很難滿足 ,于是很多學(xué)者對這些算法進(jìn)行了改進(jìn)。 2. 軟件方法 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。 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(shí)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(shí)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]。下面對這兩大類介損檢測方法的原理和性能以及不足進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。 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(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 tanδ 的測量來 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)測具有重要的意義?；?運(yùn)行 情況時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測 等優(yōu)點(diǎn)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) [ 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(bào)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(shí)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]。 對電氣設(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、試驗(yàn)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(yàn)不久就發(fā)生絕緣故障的情況。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(yàn)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(shí) 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(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣的在線監(jiān)測 [15]。 二 國內(nèi)外現(xiàn)狀 對介損測量方法的研究 ,一直是一個(gè)熱點(diǎn) ,常見的測量方法主要通過硬件和軟件兩種途徑實(shí)現(xiàn)。 “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。雙極性過零比較法通過對信號在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零時(shí)電壓與電流信號的時(shí)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(shí)對過零點(diǎn)相位法和根據(jù)歸一化后信號過零點(diǎn)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]。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。 傅里葉分析法 對一個(gè)具有各次諧波的周期信號通過對有限長度的數(shù)字信號進(jìn)行 FFT 變換 ,求取其頻譜特性 ,對電流信號和電壓信號進(jìn)行 FFT 變換 ,可得到電流基波初相角 ????電壓 基波初相角 ????1,求取的介質(zhì)損耗角的公式為 δ = π2 ? (????1 ?????1)） 通過 FFT 變換計(jì)算 tanδ時(shí) ,由于需要對有限長度的信號處理 ,相當(dāng)于對原始信號乘以一個(gè)矩形窗。當(dāng)電網(wǎng)頻率漂移時(shí) ,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(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣。 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)。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]。通過仿真分析給出了這兩種算法在頻率波動、諧波變化、直流分量變化、采樣頻率變化、 A/D 量化位數(shù)變化、采樣點(diǎn)數(shù)變化、介損角真實(shí)值變化、白噪聲及脈沖噪聲變化時(shí)介損誤差的變化情況 [7]。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(jì)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(jì)算所得介損具有很高的精確度 ,同時(shí)他具有對采樣時(shí)間長度要求不高、原理簡單、計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)容易 ,比常規(guī)的傅里葉算法準(zhǔn)確 [9]。通過仿真得知準(zhǔn)同步傅里葉算法計(jì)算所得介損誤差的絕對值小于 0. 0002%,能滿足177。 高階正弦擬合法 文獻(xiàn) [11,12]介紹了高階正弦擬合法。即要求 : ?X = ∑ [??(????)? ??(??)]2???1??=0 的值最小。 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(shí)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(jì)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。 三 研究路線 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)針對介損 tanδ 測量穩(wěn)定度不夠、精度不高等問題，研制了基于 DSP 的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。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(jì)加 Hanning 窗的 FIR 低通濾波器以濾除干擾信號；另外，采用加窗插值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。軟件方面，基于模塊化的程序開發(fā)思想，實(shí)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。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(jì)算值與介損理論值相比較，分析兩種介損計(jì)算方法的性能，并對不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y量得到的介損 tanδ 進(jìn)行在線監(jiān)測。 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(shí)，利用解析濾波消除信號初相角差異帶來的計(jì)算誤差。推導(dǎo)出介質(zhì)損耗角的計(jì)算公式，以及了解測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在測量過程中會遇到的情況。 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(yàn)證了算法的性能。這一章內(nèi)容設(shè)計(jì)《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。均需要自學(xué)。由于我沒有學(xué)過 DSP，但是我能熟練掌握單片機(jī)，因此自學(xué) DSP 應(yīng)該不成問題。用到的 A/D 轉(zhuǎn)換器等芯片需要對它們的各個(gè)端口功能熟練掌握。 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(jì)并給出了電路圖。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(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)。 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以采用模塊化設(shè)計(jì)，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。內(nèi)容設(shè)計(jì)到 DSP 的編程，可閱讀同類程序的設(shè)計(jì)編寫，使最后的程序滿足要求。模塊化設(shè)計(jì)不但簡化了代碼量，而且提高了程序的高效及可擴(kuò)展性。 在完成設(shè)計(jì)后，可以對實(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)證檢測得到的 tanδ與理論值是否接近，來驗(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。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)一步分析了兩種算法的區(qū)別和優(yōu)越性，從而驗(yàn)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。 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(jì)以及相關(guān) matlab 仿真，同時(shí)還有基于 Hanning 窗插值的全波傅立葉算法的技術(shù)研究。 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(jì)。 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(jì)。分開編譯程序代碼，最后進(jìn)行總體編寫，校驗(yàn)，讓整個(gè)系統(tǒng)滿足相關(guān)功能。 在完成總體設(shè)計(jì)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(jì)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。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(yàn)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。 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。 48 在電力電容器中， tanδ 是一個(gè)很小的值， δ 為 ～ 。實(shí)際測量 時(shí) 計(jì)算結(jié)果很容易因誤差而 被 湮沒。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(jì)算 介質(zhì)損耗角的主要方法。因此，需要 對 電網(wǎng)電壓以及電流信號 進(jìn)行 同步采集 。 對于實(shí)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(jì)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。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(jì)算與并與介質(zhì)損耗理論值相比較，并對實(shí)際模型得到的測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的介質(zhì)損耗 tanδ進(jìn)行在線監(jiān)測。 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 mak