智能变电站电容型设备绝缘状况在线监测

邓凸，黄新波，石杰(西安工程大学，西安市710048)

智能变电站电容型设备绝缘状况在线监测

邓凸，黄新波，石杰
(西安工程大学，西安市710048)

为保证变电站内电容型设备安全可靠的运行，设计研发了一套智能变电站电容型设备绝缘在线监测系统。系统遵循IEC61850协议给出具体软硬件设计，采用IRIG-B码同步时钟实现设备的异地同步采样，运用智能电子设备(intelligent electronic device，IED)实现设备之间数据的无缝连接，通过故障诊断算法对采集的数据进行分析，进而判断设备的绝缘情况。运行结果表明，该系统可以精确地测得电容型设备的泄漏电流、介质损耗、等值电容等反应电容型设备运行状态的信息，并可通过IEC61850协议将数据传输至在线监测数据中心。

智能变电站;IEC61850;智能电子设备;介质损耗;在线监测

0 引言

变电站内设备的安全运行是我国经济快速发展的基础，电容型设备占变电站设备总量的30%～40%，其绝缘状况的好坏直接关系到整个变电站的安全运行［1-2］，因此对其进行在线监测具有重要意义。随着我国智能电网战略的提出，智能化变电站要求站内设备的监测满足采集信号数字化、通信方式网络化、信息共享标准化。传统的状态检修一方面不能及时发现故障，另一方面不能满足智能化变电站内信息及资源共享要求。本系统针对智能变电站电容型设备在线监测特点，给出系统整体结构以及智能监测终端软硬件设计，同时遵循IEC61850标准［3-4］，给出相应智能电子设备(intelligent electronic device，IED)设计方案，使系统通信协议完全符合国网要求。

电容型设备绝缘在线监测的主要参数为介质损耗因数tanδ(简称介损)，是介质损耗引起的有功电流分量和设备总电容电流之比，仅取决于材料的特性而与材料尺寸、形状无关，所以tanδ作为反映设备整体绝缘状况的参数是非常有效的。通过测量tanδ，可以反映出电气设备绝缘的一系列缺陷，如绝缘受潮、劣化变质、油或浸渍物脏污以及绝缘中有气隙放电等，对发现绝缘的整体劣化较为灵敏，但对于局部缺陷却不易用测tanδ的方法发现。设备绝缘的体积越大，其局部缺陷越不易发现。而测量介质电容量Cx或流过介质的电流I，除了能给出有关可引起极化过程改变的介质结构变化的信息(例如均匀受潮或严重缺油)外，还能发现严重的局部缺陷(绝缘部分击穿)，因此，从绝缘特性看，综合监测tanδ、I和Cx可以更为全面地了解绝缘状况。

一般来说电容型设备介质损耗因数tanδ都很小，噪声干扰、谐波频率变化、谐波波形畸变率等因素都会对介质损耗因数的测量产生一定的影响［5-6］。针对此问题，本文提出采用绝对介损测量法进行测量，并利用谐波分析法对测量信号进行分析。在保障了采集精度的同时，还通过灰关联理论进行故障诊断，大大提高了电容型设备在线监测结果的准确性和可靠性。

1 原理与方案设计

1.1 介质损耗和电容量的测量方法

运行中的电容型设备的主绝缘承受高压Ux，有泄漏电流Ix流过，绝缘电介质在交变电场下会产生电导损耗和极化损耗，它们共同产生电介质损耗，因此泄漏电流中含有有功分量和无功分量。

本设计采用绝对测量法对介损进行测量。绝对测量方式是通过直接测量电容型设备所承受的母线电压Ux和末屏泄漏电流Ix，进而计算出电容型设备的介损和电容量［7-8］，如图1所示。

介质损耗因数:

式中，ΦUx、ΦIx分别为一次高压Ux和泄露电流Ix的初相角;Ix、Ux为有效值;ω为角频率，根据测得的工频电压频率f进行计算。

1.2 介质损耗的数字化提取

本设计采用谐波分析法对采集到的电压和电流信号进行处理，分别提取出两者的初相角，进而得到介质损耗角［9-10］。

其原理是将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求出这2个信号的基波，进而通过对基波相位的比较求出介损tanδ。实际上是利用满足狄里赫利(Dirichlet)条件(即给定的周期性函数在有限的区间内只有有限个第1类间断点和有限个极大值和极小值)的电网电压U(t)与流过设备绝缘的电流I(t)进行傅立叶级数分解，其表达式为

其中:ω=2πf，f为电网频率;U0，I0分别为电压、电流的直流分量;Uk，Ik分别为电压、电流的各次谐波幅值;φuk、φik分别为电压、电流的各次谐波初相角(k=1，2，3，…，∞)。

将采集模拟信号经A/D转换后得到电压信号和电流信号的离散序列用x(n)和y(n)表示(0≤n≤N-1，N采样点数)，对电压x(n)序列进行离散傅里叶变换处理:

因此可知电压信号的实部和虚部分别为

根据实部和虚部就可以计算得到电压信号的相位信息:

同样的方法可以得到电流信号的相位β1，电容型设备在线监测IED再根据介质损耗因数计算公式得到tanδ:

此方法主要是对基波信息的提取，它很好地抑制了谐波分量的影响，提高了介损测量精度［11-12］。

1.3 故障诊断原理

由于介损损耗因数在0.001～0.030，数据值很小，很容易受到噪声干扰。系统通过对智能变电站容性设备绝缘运行情况分析发现:变电站容性设备在绝缘状况良好的情况下，外界环境因素尤其湿温度对介损数据的影响表现明显一些。然而在设备绝缘性能下降时，随着设备本身温度的升高，此时设备本身的温度对tanδ的影响会比外界温湿度的影响大。鉴于以上，本系统采用灰关联方法，通过介损序列和外界各因素序列之间存在的关系，对变电站容性设备绝缘性能进行准确分析和判断［13］。

(1)建立被测数据序列和比较数据序列模型:把监测到的介质损耗因数tanδ序列作为被测序列，用x0表示，现场环境温湿度作为比较序列用xj表示:

其中k=1，2，…，n;j=1，2，3，4;xj(k)分别代表现场温度、湿度、设备本身温度以及设备表面污秽等因素。

(2)确定二者之间的关联系数:

(3)求得二者的关联度

通过关联度对二者之间的相关性程度进行判断，再依次求得各影响参数相应的关联系数和关联度，最终确定设备本身温度、外界环境温湿度以及污秽影响中哪一个更接近监测序列tanδ的变化趋势，进而对容性设备绝缘性能进行准确判断。

1.4 系统总体方案

根据智能变电站系统结构，该系统功能的实现也分为3个部分:过程层现场监测终端、间隔层电容型设备在线监测IED、站控层后台监控主机，系统整体结构如图2所示。

整个系统的工作流程如下:站控层监控主机服务器发出采集指令，经间隔层电容型设备IED通过RS485传给每一个过程层电容型设备监控终端和基准电压监测终端。各个终端接到采集指令后，获取IRIG-B码时钟信号作为同步时钟，同时刻采集基准电压和泄漏电流信号。当各个终端数据采集、处理完毕后，电容型设备IED会通过轮询方式向各个监测终端索要采集数据，并对上传数据进行计算处理，求得介质损耗、泄漏电流、等值电容等信息，并打包将数据信息以IEC61850协议上传给监控主机。监控主机收到数据后经过专家软件对数据进行分析，进而对设备运行状态进行判断并将数据存入数据库作历史分析之用。

2 系统的实现

变电站现场环境复杂，介损测量精度受外界因素影响很大，因此对监测设备有很高要求。本系统现场监测终端采用FPGA+DSP双处理器结构，通过IRIG-B码实现不同设备异地同步采样。电容型设备在线监测IED采用ARM+DSP结构，具有很好的控制能力和运算能力，进而确保监测结果的准确性。

2.1 监测终端硬件设计

监测终端设备采用FPGA+DSP双板双处理器结构。FPGA单元以Nios II软核为核心，完成对基准信号和被测信号的频率测量、同步时钟的解码，A/D转换电路的控制以及RS232串口通信等功能。系统通过IRIG-B码同步时钟完成对泄漏电流和基准电压信号的异地同步采集。

DSP单元主要功能包括:对FPGA板上传的数据进行快速傅里叶变换，并定时向FPGA板发送握手信号以判断其是否正常工作，在设备运行异常时对其进行复位。此外，DSP板通过RS485和电容型设备在线监测IED进行指令和数据的通信。

2.2 监测终端软件设计

2.2.1 NiosII系统设计及实现

本系统选择Nios II软核嵌入式系统，通过SOPC Builder的开发平台对系统软、硬件电路进行设计和控制。该设计平台通过自带的Flash编程器实现对Flash的编程操作。

主要功能:在收到实时采集指令时，通过IRIG-B码同步时钟对基准电压信号和泄漏电流信号进行同步数据采集，对信号进行数字化处理。在收到数据发送命令时通过串口将采集到的数据传送给DSP单元。

2.2.2 逻辑电路设计

本系统中FPGA内部逻辑电路设计主要包含3个部分:测频单元、B码时钟解析单元、AD采样逻辑单元。

(1)测频逻辑单元设计

在信号经过方波化后，要想对其频率进行测量必须对高低电平同时进行计量，因为存在电平的变化，因此会影响测量精度。本系统设计将此方波信号通过D触发器2分频得到频率信号2freq_in，这样只要单一测出分频后信号的高电平或者低电平，就可以得知信号的真实频率。

(2)A/D采样逻辑单元设计

系统处理器在收到电容型设备在线监测IED下发的采集指令时，系统直接置位数据采集使能模块。数据采集存储模块在使能模块被触发后开始等待IRIG-B码时钟产生的同步秒脉冲1 pps，通过系统测量的信号频率和设定的采样点数计算出的A/D采样率，在同步秒脉冲到来时实现对被测信号进行512点采集。FPGA本身自带内部存储单元RAM，对采集的数据进行存储。在完成第512个点的采样后，完成信号自动将采集数据传送给外部数据存储单元。

(3)IRIG-B码解析逻辑设计

传统的IRIG-B码时间信息解析是通过IRIG-B码芯片实现的，本系统在项目研发设计中发现IRIGB码解码芯片虽然可以准确地解析出接收设备的时间信息，但不同芯片之间会有不稳定的误差，产生的1 pps信号之间存在接近毫秒级的误差，直接影响到介质损耗监测的精度。因此本系统采用FPGA实现对IRIG-B码时间解析，并产生同步秒脉冲1 pps信号。

通过系统仿真可以看出，处理器可以很好地对IRIG-B码信号进行时间和同步触发信号的解析，在实际电路中用示波器测量，最大误差不超过100 ns。

2.3 电容型设备在线监测IED设计

智能变电站电容型设备在线监测IED主要实现的功能有:

(1)通信功能，接收电容型设备在线监测装置采集到的监测数据以及传送站控层服务器的采集命令;

(2)对监测终端采集到的数据进行分析，并对故障信息进行存储以及本地显示;

(3)嵌入IEC61850协议，实现变电站的信息共享以及设备的互操作性。

2.3.1 IED设计

电容型设备在线监测IED不仅需要实时准确地接收站控层的采集命令，并及时下发给过程层电容型设备监测终端和基准电压监测终端，还要对过程层上传的监测数据进行计算，对计算得到的异常数据进行分析、存储和预警。同时遵循IEC61850协议标准及时将数据发送到站控层服务器。具体结构硬件图如图4所示。

设计采用ARM+DSP双CPU结构为硬件核心。其中ARM采用ARM 9系列S3C2440A芯片，附加外围的键盘、液晶、以太网通信等硬件设备，用以完成整个IED设备的管理和控制。利用DSP高速运算能力和多种片上外设的特点完成对电容型设备采集来的数据进行计算和分析。DSP与ARM采用SPI通信方式。

电容型设备IED的工作流程如下:在ARM接收到上层服务器的采集指令时，通过DSP下发给现场在线监测装置。在现场监测装置完成对基准电压信号和末屏泄漏电流信号同步采集并数字化处理后，DSP通过RS485总线轮询方式依次读取各个终端的监测数据，并计算出相应的介损值、泄漏电流幅值等，再以SPI通信方式将数据信息发送给ARM系统，ARM系统按照事先设定的程序进行存储和显示，在对数据信息进行封装处理后通过以太网通信方式上传到站控层服务器。

2.3.2 IEC61850的应用

IEC61850是目前国内最完善的对外开放的变电站通信网络与系统的协议标准。根据智能变电站的发展要求，间隔层的智能电子设备IED要具备互操作性，尤其电容型设备在线监测过程中，实现各监测设备之间的信息共享尤为重要。通过IEC61850协议的实现，可以很好地满足上述要求。此外，根据智能变电站的通信要求，站内电容型设备绝缘状况在线监测数据传输时也要遵循IEC61850通信标准［14-15］。

电容型设备在线监测IED根据IEC61850标准对于同一个功能对象相关的数据以及数据属性建模在该功能对象中的原则，表达了哪些监测数据需要通信以及如何进行数据通信。对IED进行建模，首先要对IED做出完整的功能描述，将每一个断路器设备描述为一个IED对象，将最小功能单元建模为一个逻辑节点对象。图5是电容型设备IED分层模型，表1是根据IEC61850协议定义的所有逻辑节点的描述。

3 系统运行实例与分析

本系统已在变电站成功安装运行，其中监测项目主要包括对电流互感器及变压器套管绝缘在线监测。监测主要参数有:介质损耗、末屏泄漏电流、阻性电流、电容型电流及等值电容。

3.1 现场安装实例

电容型设备绝缘状况在线监测安装图如图6、7所示。

3.2 现场运行分析

站控层主机上安装专家软件系统，实现对监测终端上传数据的分析处理，并通过故障诊断算法对采集来的数据进行故障诊断。在监测数据异常时，能够实时发送预警信息，从而达到实时监测、实时预警的目的。以CVT为例，图8是监测数据显示页面。

该页面以报表形式显示选定时间下监测设备的运行信息，最新采集数据在上，历史数据在下。图中可以得知CVT运行时的介质损耗、泄漏电流、等值电容等信息，此外还对设备运行电压和系统频率进行了显示。

图9 为A、B、C三相介质损耗变化趋势图，其中蓝颜色代表CVT A相介损值，粉颜色代表CVT B相介损值。从图中可以看出，介质损耗值在0.004到0.020之间变化。因为CVT A、B、C三相运行在同等级电压下，而且运行环境也近似相同，因此，介损序列变化趋势也大致相同。

图10为A、B、C三相泄漏电流变化趋势图，泄漏电流也是反映设备绝缘的重要参数之一，图中泄漏电流值在312～320 mA变化，通过电流值的大小以及变化趋势可以判断设备绝缘性能是否良好，同时也和介损数据互相验证彼此的有效性。

4 结论

本文提出了一种基于IEC61850协议，借助智能电子设备IED的智能变电站电容型设备在线监测与故障诊断系统，系统由智能监测终端、电容型设备在线监测IED和后台主机组成。通过IRIG-B码高精度授时实现各现场监测终端的异地同步触发，同步误差小于100 ns。采用RS485总线传输的方式实现电容型设备现场监测单元与IED之间的指令传输和数据通信，克服了变电站高压环境下的电磁干扰问题，保证数据传输的可靠性和实时性。后台软件的故障诊断算法可以准确地对设备运行状态进行判断。通过在宁夏变电站挂网运行结果表明，本系统可以精确测得变电站电容型设备在线运行情况，确保设备安全稳定的运行，为变电站安全运行提供了可靠的保证。

［1］黄新波，程荣贵.变电设备在线监测与故障诊断［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［2］王剑.电容性设备介质损耗角tanδ的监测技术研究［J］.仪表技术与传感器，2014(3):82-84.

［3］黄新波.智能变电站原理与应用［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［4］刘树鑫，曹云东，侯春光，等.固体环网柜介质损耗数字测量算法［J］.高电压技术，2014，40(5):1468-1474.

［5］吕泽承，张炜，邓雨荣，等.不同电压下电容型设备介质损耗测试值的等效性分析［J］.电力建设，2013，34(10):49-52.

［6］王德文，阎春雨，毕建刚，等.变电设备在线监测系统中IEC 61850的一致性测试［J］.电力系统自动化，2013，37(2):79-85.

［7］林建龙，邓敏，林力辉.绝缘设备在线监测系统［J］.电网技术，2002，26(1):86-88.

［8］朱德恒，严璋.电气设备状态监测与故障诊断技术［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［9］陈天翔，张保会，陈天韬，等.新型电容型电力设备tanδ在线高精确度测量系统［J］.电力系统自动化，2004，28(15):67-70.

［10］黄建华，何青.电容型设备绝缘在线监测系统及其选用原则［J］.高电压技术，2001，27(5):13-16.

［11］刘伟，李彦国，黄新波，等，基于FastICA的盲源分离算法在相对介损监测系统中的应用［J］，高压电器，2010，46(2):87-88.

［12］李泽文，曾祥君，覃丹，等.基于FPGA的电容型设备介质损耗在线测量系统［J］.电力系统自动化，2006，30(12):92-96.

［13］高厚磊，厉吉文，文锋，等.GPS及其在电力系统中的应用［J］.电力系统自动化，1995，19(9):41-44.

［14］IEC61850-7-4.Communication networks and systems in substations part7-4:Basic communication structure for substations and feeder equipment-compatible logical node classes and data classes［S］.FD IS，2003.

［15］IEC61850-7-3.Communication networks and systems in substations part7-3:Basic communication structure for substations and feeder equipment-common dataclasses［S］.FDIS，2003.

(编辑:刘文莹)

On-Line Monitoring System for Capacitive Equipment Insulation Condition in Intelligent Substation

DENG Tu，HUANG Xinbo，SHIJie
(Xi＇an Polytechnic University，Xi＇an 710048，China)

To ensure the safely and reliably operation of capacitive equipments，an on-line monitoring system for capacitive equipment insulation in intelligent substation was developed.The insulation situation was estimated accurately through designing the software and hardware based on the IEC61850 protocol，using IRIG-B code synchronous clock to achieve long-distance synchronous sampling，using intelligent electronic device(IED)to achieve seam less connection of data between devices，and using fault diagnosis algorithm to achieve data analysis.Running results show that the system notonly can accurately monitor the running state information of capacitive equipments，such as leakage current，dielectric loss，equivalent capacitance and so on，but also can transmit data to the on-line monitoring data center through the IEC61850 protocol.

intelligent substation;IEC61850;intelligent electronic devicei(IED);dielectric loss;on-linemonitoring

TM 76

A

1000－7229(2014)11－0038－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.007

2014-07-22

2014-09-03

邓凸(1988)，男，硕士研究生，研究方向为智能电网在线监测理论与关键技术研究;

黄新波(1975)，男，博士(后)，教授，研究方向为智能电网输变电设备在线监测理论与关键技术的研究;

石杰(1990)，男，硕士研究生，研究方向为智能电网在线监测理论与关键技术研究。

教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-11-1043);陕西省教育厅产业化培育项目(2013JC13);陕西省科学技术研究发展计划项目(2014XT-07);陕西省重点科技创新团队计划(2014KCT-16)。