电容性设备介质损耗角tanδ的监测技术研究

王　剑

(长江大学计算机科学学院，湖北荆州　434023)

0　引言

提高电力设备运行的可靠性是保证电力系统运行的关键，而运行设备的可靠性在很大程度上决定于设备绝缘性能的高低。在电力电子设备中，电容性设备占有举足轻重的地位。电容性设备是指全部或部分绝缘采用电容式结构的设备，包括电容式电流互感器、电容式电压互感器、电容型套管、耦合电容器等，其数量约占发电厂、变电站设备台数的 40%～50%，占有举足轻重的地位，是容易发生事故且停电预防性试验工作量大的设备[1]。介质损耗角、泄漏电流和绝缘介质电容Cx是衡量绝缘程度的3个特征量。且介质损耗角正切值tanδ仅取决于材料的特性而与材料的尺寸和形状无关，测量tanδ能够反映设备一系列的绝缘缺陷，如绝缘受潮、劣质变化及气隙放电等。因此把tan δ作为设备整体绝缘状况的首要评估参数。

目前，国内外tanδ在线监测系统按照硬件结构可划分为集中式和分布式结构两种。集中式监测系统集中采集不同模拟量，由系统主机直接存储和处理分析，具有监测信息量丰富、自动化程度高等优点。而该系统需要大量电缆支持现场传感器，并且信号传输失真度较高、维修困难、扩展性差，因此逐渐被强调现场A/D转换、处理和分析的分布式监测系统所取代[2]。在此前提下，文中提出了一种针对电容性设备tanδ的在线监测设计方案。

1　系统总体架构设计

如图1所示，文中提出的设备介质损耗角tanδ的监测系统采用了分层式结构。系统主要包括3个层次：现场层、诊断监测层和远程服务层。

图1　设备介质损耗角tanδ的监测系统结构图

现场层使用CAN总线将若干个中段采集处理模块挂接使用，采用DSP芯片TMS320F2812作为终端采集处理节点的控制核心，将由底层电压、电流互感器，温湿度传感器及断路器等设备采样的数据经预置处理电路的滤波、放大等处理后送至TMS320F2812中，由DSP负责针对设备绝缘性能评估首要参数介质损耗角tanδ采用multiple sampling算法进行实时处理，DSP将数据实时处理后可根据需要选择存储、实时显示和通过CAN总线向上位诊断监测层工作组计算机上传等多种处理方法，这种强调现场实时处理数据的方法可有效解决集中式检测中长途传输模拟数据量产生失真的问题。同时，为了保证数据传输的实时性，考虑到CAN总线的挂接节点收驱动能力限制的特点，现场层一般采用挂接小于10个节点的CAN总线进行通信。

诊断监测层主要以一定数量的计算机以工作组的模式组成，该层能对现场层上传的数据进行实时显示、一般分析、阈值判断报警等常规操作，并可以使用数据库诊断、专家系统等手段进一步处理和分析设备绝缘参数的变化，同时该深层次处理结果能够数据库记录等方式存储于服务器端，亦能采用曲线描述、报表输出、文本详解等形式与管理者实施交互。远程服务层则是建立web 服务器的方式与监测层服务器产生套接联系，实现信息发布功能。同时，用户亦能通过该服务器查询相关信息。

2　设备绝缘性能评估首要参数(介质损耗角tanδ的测量算法及仿真

介质损耗角、泄漏电流和绝缘介质电容Cx是衡量绝缘程度的三个特征量。且介质损耗角正切值tanδ仅取决于材料的特性而与材料的尺寸和形状无关，因此把tanδ作为设备整体绝缘状况的首要评估参数。文中采用自适应multiple sampling算法测量求取相位差φ[3]，由于δ=π/2-φ，因此tanδ亦可相应求取。

如式(1)和式(2)所示，基准信号和被测信号为

sr(t)=Arsin(ωt)

(1)

s(t)=Asin(ωt+φ)

(2)

式中：ω=2πf=2π/T；f为基准信号和被测信号的频率；T为基准信号和被测信号的周期。

假设fs是采样频率，以此频率对被测信号进行采样，可得到一离散序列s′(t)，下面对该序列展开分析。为了提高测量精度，把每周期采样的点数扩展为K，K=4N(N为正整数，N>1)，在每1/4个周期内对被测信号取采样点P1～PN的N个采样点，即multiple sampling[3]。如图2所示，在第一个T/4内：

P11=Acosφ

(3)

P12=Acos[φ+2π/(4N)]=Acos[φ+π/(2N)]

(4)

…

图2　multiple sampling

依此类推，

P1j=Acos{φ+[2π/(4N)](j-1)]}=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)}

(5)

同理，在第二个至第四个T/4内分别有：

P2j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+π/2]}=-Asin{φ+[π/(2N)](j-1)}

(6)

P3j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+π}=-Acos{φ+[π/(2N)](j-1)}.

(7)

P4j=Acos{φ+[π/(2N)](j-1)+3π/2}=Asin{φ+[π/(2N)](j-1)}.

(8)

由式(5)至式(8)可知：

φ=atan2(-P2j，P1j)-[π/(2N)](j-1)

(9)

φ=atan2(P4j，-P3j)-[π/(2N)](j-1)

(10)

对式(9)，式(10)求数学均值，有

(11)

设被测信号s(t)受二次谐波干扰和典型加性白噪声影响，有

s(t)=sin(2πf0t+φ1)+Axie·sin(2πf1t+φ2)+Anoise·randn

(12)

每次仿真计算均取10 000次数学平均结果。如表1所示仿真结果。

在增加谐波干扰的情况下，采用滤波器对被测信号进行滤波处理，在考虑群延迟的情况下，选择hamming窗进行滤波，高次谐波被滤波器有效过滤，滤波后调用算法，计算得到结果符合预期指标。由于被测信号和参考信号环境相同，滤波条件也相同，所以不会带来相位偏移等影响。因而运用该算法对信号的相位进行测量的主要误差是来自噪声干扰和量化误差。在提高A/D采样分辨率和增加有效每周期采样点数的前提下，相位误差(介质损耗角误差)近于0．003°，量化误差和噪声干扰可以被有效降低，从而测量出准确的绝缘性能首要参数tanδ．

3　基于DSP的终端节点设计

文中采用mod法获得N值[4]。

N=mod[frefernce/(4f)]

(13)

图3　终端节点框图

如图3所示，处理单元采用数字信号处理器DSP芯片TMS320F2812作为终端节点控制核心。参考信号经过放大和低通滤波处理后整形成方波信号，由DSP单元测频模块以查询方式定时测量信号频率，并由N值计算模块计算N值。该值由锁相倍频模块接收并带入处理后产生同相4Nf频率信号，并由此信号提供数据采集模块的采样、转换时间间隔。被测信号经放大滤波后由数据采集单元传输至数据处理单元，调用multiple sampling算法进行数据处理计算，将目标值处理计算得出tanδ存储后传输至CAN驱动器SN65HVD232进行数据实时收发或者输出至液晶显示模块实时显示[4]。DSP芯片TMS320F2812功能强大，片内资源丰富，具有高达150 MHz的32位DSP内核处理器，该DSP芯片具有高达10种动态改变频率倍数的锁相环，完全胜任参考信号的频率捕捉及锁相任务，具有良好的同步采样功能。

4　聚类算法分析

采用聚类算法实现对tanδ的有效值评估。该聚类算法强调相同相似或相关联因素的影响。主要从两方面入手：

(1)tanδ在绝缘性能评估中的影响因子。tanδ是设备绝缘性能评估最重要参数。tanδ越大，说明介质工作时损耗大、易发热和易老化。然而针对体积较小的集中性缺陷，tanδ的影响因子会被较大程度降低。温度、湿度对于泄漏电流和介质电容等影响比例会上升。因此，针对不同设备不同环境必须建立关联影响数据库。根据设备历年预设性试验所获得阈值，该数据库建立tanδ、温湿度等环境因素对绝缘性能评估影响因子权重分配表。从而综合全面的评估设备绝缘性能。目前应用较成功的是粗糙集理论(rough set theory)，该理论在数据简化，数据相关性等方面有较好运用。

(2)基于tanδ的虚警漏警判断。同样，对tanδ是否超出警戒阈值的判断也应该综合分析。测量的tanδ值不能简单与预设值比较，首先应把设备测量出的tanδ值和该设备历年tanδ值进行比较，然后对同样温湿度及其他运行环境的同一区域内设备的tanδ值进行比较，如果发现超出上述tanδ值较明显，则转入相应处理过程中。

5　软件总体设计及实验测试

图4　系统软件总体框图

图4是系统软件总体框图。监测系统的软件部分主要进行数据的采集、处理、保存和查询。根据监测系统的功能和设计要求，系统的软件部分可分为：现场数据管理系统、监测诊断管理系统和信息查询系统。现场数据管理系统主要负责对监测数据进行采集、分析与计算，并将结果通过CAN总线协议发送至监测&诊断数据库，并在数据库前台实时显示。监测诊断管理系统包括数据库建设和故障诊断程序设计两部分。数据库采用前后台设计方法，前台选择VC6．0语言设计，采用mySQL技术建立后台数据库。数据库主要包括今日数据库和历史数据库两部分。信息查询系统主要完成WEB信息发布的功能，采用B/S模式设计，实现数据的远程访问。登陆后即可进入系统运行监测主界面。启动采样后，将采集到的数据进行分析计算，计算结果分别存入今日数据库与历史数据库，同时分析测量结果，如发现由异常数据，将会选择报警。DSP数据采集有定时中断与主动查询两种方式，因绝缘状况变化缓慢，通常为定时方式，操作管理员也可主动查询采样。

文中研究的电容型设备绝缘在线监测系统，在江汉平原某区域110 kV 主变套管进行在线监测实验，监测数据为母线电压、末屏接地电流、等效电容值、介质损耗角、温度和湿度。

6　结束语

文中提出了一种针对电容性设备介质损耗角tanδ监测的设计方案，该方案从相位分析出发，强调自适应时域分析的特点，并结合现场CAN总线挂接特点，设计了在线分布式测量系统。经过实验证明，该方案具有较高的测量精度。

参考文献：

[1]刘润泽.电容性设备介质损耗角检测方法与实现：[学位论文]．西安：西安科技大学，2010．

[2]沈显庆．容性设备介质损耗角的分布式在线监测关键技术的研究：[学位论文]．沈阳：沈阳工业大学，2010．

[3]王剑．可变频幅相一体化测量系统研究．工业控制计算机，2011，11(5)：78-81．

[4]王剑．一种基于multiple Sampling的高精度相位差测量算法研究．工业控制计算机，2013，26(4)：95-98．

[5]陈天翔．基于移相和平衡测量原理的介质损耗在线测量方法．电网技术，2005，29(7)：25-28．

[6]左自强．电容型电力设备tanδ在线监测技术研究：[学位论文]．西安：西安交通大学，2005．

[7]XIONG X，ZIELINSKI A．A Novel Method for Phase Measurements Based on Multiple Sampling.Journal of Hydroacoustics，2007，10：207-214．

[8]赵鹏，王爱国，杨东林，基于DSP控制的高精度机械定位系统．仪表技术与传感器，2012(7)：61-64．