專利名稱：高壓電力容性設備絕緣在線監(jiān)測的高精度信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高壓電力容性設備的絕緣在線監(jiān)測，屬于高壓電力設備狀態(tài)檢修和在 線監(jiān)測領域和智能電網(wǎng)的設備全壽命周期監(jiān)控管理領域。
背景技術：
電力行業(yè)是能源行業(yè)的主體，超高壓、特高壓輸電能夠?qū)崿F(xiàn)更遠距離和更高效率 的能量傳輸，高壓絕緣技術是其中的關鍵技術。特高壓、超高壓電網(wǎng)的絕大多數(shù)故障表現(xiàn)為 絕緣遭受破壞。除輸電線以外的高壓電力設備都集中放置在變電站內(nèi)，包括主變壓器、高壓 斷路器、電流互感器(CT)、電容式電壓互感器(CPT)、套管、耦合電容器、避雷器等，其中絕 大多數(shù)設備是容性設備。實現(xiàn)高壓容性設備的狀態(tài)監(jiān)測能夠預防由于容性設備絕緣導致的 電網(wǎng)故障。當今，電網(wǎng)和電力系統(tǒng)正在建設智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的一個關鍵內(nèi)容就是電力設 備的全壽命周期管理，即依托于高壓電力設備的狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)預防性控制和狀態(tài)檢修。實 時的絕緣監(jiān)測及診斷技術是狀態(tài)檢修的基礎，對高壓電力設備進行在線監(jiān)測，及時預測并 診斷故障，對確保電力設備的正常運行、提高電網(wǎng)的可靠性以及對設備和運行人員的安全 都具有重要的意義。高壓電力設備絕緣狀況的監(jiān)測目前通?；趯ζ浣橘|(zhì)損耗因數(shù)tan δ、介質(zhì)泄漏 電流Ip和電容量C的監(jiān)測。介質(zhì)損耗的測試原理可以簡述為將被測對象的電流信號和電 壓信號傳送到測量裝置，然后將兩個信號的相位進行比較，從而得到設備的介損值?，F(xiàn)有的 容性設備絕緣監(jiān)測技術難以實用。容性設備的泄漏電流為IOmA級，屬于微小信號。而容性 設備都是高壓設備，現(xiàn)場有大量高壓閃絡和放電，電磁干擾非常嚴重，采樣信號中含有大量 干擾信號；監(jiān)測容性設備絕緣需要該設備的泄漏電流信號和設備電壓信號，后者的傳感器 (電壓互感器)位置與該容性設備距離很遠，如果將容性設備的泄漏電流信號經(jīng)電纜接線 傳遞到電子設備間再測量微小的泄漏電流，將進一步進入大量誤差和干擾信號，使得該方 案很難實用，測量結(jié)果缺乏可信度。因此，采用新型微小信號測量技術，實現(xiàn)不同位置信號的關聯(lián)采集和處理是解決 高壓容性設備絕緣監(jiān)測的關鍵。本專利提出一種采用IIRG無限沖擊響應濾波器組的高精度、抗干擾的絕緣監(jiān)測 信號處理方法和算法，通過分布式就地采集微小信號改善信號的傳感能力，通過Zigbee無 線通信實現(xiàn)泄漏電流和電壓的異地同步采樣，通過信號處理和IIRG濾波算法獲得更好的 抗干擾效果，能夠解決高壓容性設備泄漏電流相量的準確測量問題，在相量相位和幅值方 面都得獲得較高的分辨率和穩(wěn)定性。該算法要求有特殊的數(shù)據(jù)采集和通信方式，能夠作為 關鍵技術融入智能電網(wǎng)高壓容性設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在智能電網(wǎng)的設備全壽命周期管理中，針對高壓電力容性設備實現(xiàn)絕 緣在線監(jiān)測技術，公開了一種具有高精度、對電磁干擾免疫特征的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)計算方法。該方案基于分布式異地信號采集，利用不同的泄漏電流采集單元和母線電壓采集單 元分別實現(xiàn)高壓容性設備的泄漏電流和母線電壓采樣，通過采集單元的時鐘同步實現(xiàn)不同 采集單元的同步采樣，定時對高壓容性設備的離散泄漏電流和母線電壓做整周波的離散采 樣，通過信號延拓獲得與模態(tài)濾波器組時間常數(shù)相適應的信號輸入序列，針對高壓電力設 備的干擾特征，設置由點通濾波器、低通濾波器、高通濾波器和點阻濾波器組成的無限沖擊 響應濾波器組(IIRG)，通過IIRG獲得50Hz工頻信號的濾波輸出，通過電力相量算法，獲得 高壓容性設備泄漏電流和母線電壓的相量相位差，進而獲得高精度的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)。 該方法采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡作為分布式測量單元之間的通信方式，配置母線電壓 節(jié)點為Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點、泄漏電流節(jié)點和主站節(jié)點為Zigbee路由節(jié)點。本發(fā)明適用于電力系統(tǒng)(電網(wǎng)和發(fā)電廠)和冶金、化工、鐵路等工業(yè)行業(yè)的各種電 壓等級變電站的高壓容性電力設備的絕緣監(jiān)測，可以實現(xiàn)智能電網(wǎng)的高壓容性設備狀態(tài)監(jiān) 測、安全預警和全壽命周期管理功能。實現(xiàn)高壓電力容性設備絕緣在線監(jiān)測的高精度信號處理方案的具體步驟和技術 要點如下1)采用分布式就地測量單元分別實現(xiàn)對高壓容性設備泄漏電流和對應的母線電 壓的就地測量。其中母線電壓測量單元安放在控制室內(nèi)或?qū)ｉT的電子設備間，直接測量母 線電壓互感器(PT)的二次側(cè)輸出信號。分布式泄漏電流測量單元安裝在容性設備附近的 現(xiàn)場，采用穿心式小電流傳感器測量容性設備的末屏接地線的電流。傳感器鐵芯采用屏蔽 并將屏蔽層接地、傳感器的信號輸出線采用屏蔽且盡可能短地連接到泄漏電流測量單元。 各分布式測量單元可以實現(xiàn)單相電流、電壓的測量，也可以實現(xiàn)三相電流、電壓的測量。在 電子設備間中設置容性設備在線監(jiān)測的主站，兼做該系統(tǒng)的工程師站。2)分布式泄漏電流測量單元與分布式母線電壓測量單元采用Zigbee無線傳感器 網(wǎng)絡通信。容性設備在線監(jiān)測系統(tǒng)的各節(jié)點可按不同電壓等級分為不同的Zigbee網(wǎng)絡， 以220kV應用為例，配置220kV的各容性設備的泄漏電流測量單元為路由節(jié)點，具有中繼功 能，配置220kV母線電壓測量單元為Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點是該Zigbee網(wǎng)絡的主 節(jié)點，配置容性設備在線監(jiān)測主站為Zigbee路由節(jié)點。各類Zigbee節(jié)點之間的通信內(nèi)容 包括協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播母線電壓信息；各電流測量單元節(jié)點(路由節(jié)點)向主站節(jié)點(路由 節(jié)點)傳輸該容性設備介質(zhì)損耗因數(shù)的計算結(jié)果。3)分布式電壓測量單元和分布式泄漏電流測量單元基于時鐘同步實現(xiàn)同步采樣。 時鐘同步采用無線方式，可以選擇使用微型天線的GPS對時，或無線以太網(wǎng)的IEC1588對時 等。分布式泄漏電流測量單元和分布式母線電壓測量單元經(jīng)時鐘同步，按周期Tl定時啟動 信號采樣，采樣一個周波OOms)數(shù)據(jù)，記為S(0)、S(1)、…、S(N-I)；其中Tl取值可以從幾 個ms到幾十秒，例如取值1秒，以絕對時間的年月日時分和整秒啟動采樣。采樣率不小于 1.6kHz。完成該周波采樣后終止采樣中斷，等下一個Tl時刻到來時再次打開采樣中斷。4)在分布式泄漏電流測量單元和母線電壓測量單元中分別準確的計算相量，包括 相量實部和虛部，包含相量相位和幅值信息。計算采用相同的算法和處理過程，細節(jié)步驟如 下4. 1)將本次采樣的一個周波數(shù)據(jù){S(0)、Sa)、…、S(N-I)}做預處理，通過周期 延拓獲得較長的數(shù)據(jù)區(qū)，以克服IIRG濾波器組的時滯特性。延拓的周期數(shù)量M與IIRG濾波器組的時間滯后常數(shù)Tdelay相關，M彡Tdelay/20ms+2。采樣信號延拓解決周期性采樣分析 與無限沖擊響應濾波器組的配合關系。4. 2)構(gòu)建針對50Hz工頻電網(wǎng)的IIRG濾波器組。濾波器組采用多個無限沖擊響應 濾波器級聯(lián)組成，包括40Hz高通IIR、60Hz低通IIR、50Hz點通UR和可選擇配置的點阻濾 波IIR。其中點阻濾波考慮高壓電力容性設備附近可能存在采用IGBT的大型電力電子設 備，例如STACOM、SVG等電力設備。這些設備可能導致某些特定頻率的諧波，在容性設備在 線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試期間，可通過分析母線電壓在40Hz 60Hz內(nèi)是否存在嚴重的分數(shù)次諧波， 確定是否在IIRG濾波器組中配置點阻IIR濾波器用于專門濾波有影響的分數(shù)次諧波。濾 波器級聯(lián)數(shù)量和采樣率決定了 IIRG濾波器組的時間滯后常數(shù)。4. 3)將IIRG濾波器組的濾波輸出應用傅立葉相量算法，計算出相量實部虛部。由 母線電壓測量單元(Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點)向其所屬的Zigbee網(wǎng)絡廣播該節(jié)點本次計算的 電壓相量實部虛部，通信中同時傳輸時標信號。各泄漏電流測量單元(Zigbee路由節(jié)點) 利用計算得到的泄漏電流相量和接收到的母線電壓相量計算獲得該容性設備的絕緣介損。5)各分布式泄漏電流測量單元(Zigbee路由節(jié)點)通過Zigbee網(wǎng)絡將計算的絕 緣介損實時送給主站節(jié)點(Zigbee路由節(jié)點)。由主站實現(xiàn)各容性設備絕緣的趨勢分析和 安全預警。


圖1為高壓電力容性設備絕緣監(jiān)測的現(xiàn)場示意圖。示意了某個電壓等級的母線和 一組高壓電容器。母線電壓通過電壓互感器(PT)測量，分布式母線電壓測量單元采集電壓 互感器的二次側(cè)輸出，位于電子設備間。容性設備泄漏電流通過專門配置的小電流穿心互 感器測量，分布式泄漏電流測量單元放置在容性設備附近，以提高泄漏電流信號傳感的可靠性。圖2為信號處理流程示意圖。通過母線電壓測量單元和泄漏電流測量單元的嚴格 對時實現(xiàn)周期性信號分布采集，將一個周波采樣信號延拓獲得適應IIRG濾波器組的輸入 信號，利用經(jīng)IIRG濾波器組濾波輸出的具有準確相位信息的泄漏電流和母線電壓信號，經(jīng) 傅立葉相量算法計算獲得該容性設備的絕緣介損。圖3為容性設備絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點的分類示意圖。示意了 Zigbee協(xié)調(diào) 器節(jié)點和Zigbee路由節(jié)點的配置。Zigbee節(jié)點之間的通信步序按①、②標注。圖4為應用舉例算例1(正常狀態(tài))的信號曲線，左圖是泄漏電流和母線電壓的一 個周波采樣信號，右圖是經(jīng)IIRG濾波器組處理后的曲線，其中黑色曲線是電流、紅色曲線 是電壓。圖5為應用舉例算例2 (絕緣劣化狀態(tài))的信號曲線，左圖是泄漏電流和母線電壓 的一個周波采樣信號，右圖是經(jīng)IIRG濾波器組處理后的曲線，其中黑色曲線是電流、紅色 曲線是電壓。
具體實施例方式下面以容性設備絕緣劣化的動模試驗數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，對本發(fā)明做進一步詳細說 明。
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以2500Hz的采樣率實時采集容性設備的泄漏電流及其母線電壓，經(jīng)過IIRG濾波 器組(由60Hz低通IIR、40Hz高通UR和50Hz點通IIR構(gòu)成)。設置采集系統(tǒng)定時5秒 周期性啟動采樣和數(shù)據(jù)處理，具體啟動時刻為衛(wèi)星時鐘(GPQ的整分鐘零秒開始。表1為 IIRG濾波器組系數(shù)。表1 IIRG濾波器組系數(shù)
權利要求
1.一種用于高壓電力容性設備絕緣在線監(jiān)測的高精度信號處理方法，該方法針對容性 設備配置獨立的泄漏電流測量單元和母線電壓測量單元，兩個測量單元實現(xiàn)基于通信的信 號同步采樣，具體包括步驟1)分布式泄漏電流測量單元和分布式母線電壓測量單元經(jīng)時鐘同步，按周期Tl定時 啟動信號采樣，采樣一個周波OOms)數(shù)據(jù)，記為S(0)、S(1)、…、S(N-I)；其中Tl取值可以 從幾個ms到幾十秒，例如取值1秒；2)將一個周波的采樣值做周期延拓，獲得M個相同周波的數(shù)據(jù)，記為S(0)、S(1)、…、 S(N-I), ...、S((M-1) XN)、S((M-1) XN+1)、…、S((M-I) XN+N-1)；3)由IIRG濾波器組(主要由40Hz高通IIR、50Hz點通IIR和60Hz低通IIR級聯(lián)構(gòu) 成)對延拓后的M個周波采樣信號進行濾波處理，濾波后的信號即為理想的工頻泄漏電流 和母線電壓信號；4)利用相量的傅立葉算法分別計算經(jīng)UR濾波器組濾波的輸出信號，獲得基于本次采 樣時鐘的相量值，包括相量實部、虛部；5)利用分布式泄漏電流測量單元與母線電壓測量單元之間的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡 通信，將母線電壓相量的實部、虛部在時間Tl內(nèi)傳送到泄漏電流測量單元；6)泄漏電流測量單元利用本地計算的泄漏電流相量的實部、虛部和經(jīng)通信接收的母線 電壓相量的實部、虛部計算獲得該高壓容性設備的絕緣介損因數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的IIRG濾波器組配置方法，其特征為IIRG濾波器組由低通 IIR、高通UR和點通UR級聯(lián)構(gòu)成，對于50Hz電網(wǎng)而言，低通IIR的截止頻率為60Hz、高通 IIR的截止頻率為40Hz、點通IIR的中心頻率為50Hz。
3.根據(jù)權利要求1所述的采樣信號延拓預處理方法，該方法實現(xiàn)間歇性采樣與IIRG濾 波器組的配合，其特征為根據(jù)信號采樣率確定UR濾波器組的信號延時Tdelay,需要延拓的 周波數(shù)M根據(jù)Tdelay計算獲得，M彡Tdelay/20ms+2。
全文摘要
本發(fā)明涉及在智能電網(wǎng)的設備全壽命周期管理中，針對高壓電力容性設備實現(xiàn)絕緣在線監(jiān)測技術，公開了一種具有高精度、對電磁干擾免疫特征的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)信號處理及計算方法。該方案基于分布式異地同步信號采集，通過定時對高壓容性設備的泄漏電流和母線電壓做整周波的離散采樣，針對高壓電力設備的干擾特征，設置由點通濾波器、低通濾波器、高通濾波器和必要的點阻濾波器組成的無限沖擊響應濾波器組(IIRG)，通過信號延拓獲得與IIRG濾波器組時間常數(shù)相適應的輸入信號序列，通過IIRG獲得50Hz工頻信號的濾波輸出，通過相量算法，獲得高壓容性設備泄漏電流和母線電壓的相量相位差，進而獲得高精度的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)。
文檔編號G01R27/26GK102095938SQ20101011938
公開日2011年6月15日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權日2010年3月8日
發(fā)明者李娟 申請人:北京信息科技大學