變電站電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

程丹，黃新波，朱永燦，李小博，郭劍峰，張浩

(1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

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變電站電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

程丹1，黃新波1，朱永燦1，李小博2，郭劍峰1，張浩1

(1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

摘要：以有源零磁通電流互感器獲取電容型設備及氧化鋅避雷器微弱泄漏電流，以IRIG-B碼為同步采樣時鐘，實現(xiàn)100 ns的高精度同步采樣。在此基礎上通過對現(xiàn)場可編程門陣列編程生成B碼解碼、模擬/數(shù)字轉換控制、測頻、雷擊計數(shù)、溫濕度采集等多個邏輯模塊，圍繞FFT IP核設計并實現(xiàn)多通道模擬信號采樣、存儲及快速傅立葉變換運算功能，在提升測量精度的同時，有效降低了裝置的硬件成本。裝置試驗及現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明：裝置可以滿足電力系統(tǒng)在線監(jiān)測精度要求，并具有較高的穩(wěn)定性和可擴展性。

關鍵詞：在線監(jiān)測；電容型設備；FFT IP核；現(xiàn)場可編程門陣列；IRIG-B

電容型高壓電氣設備包括高壓套管、電容型電流互感器、電壓互感器(voltage transformer,VT)、耦合電容器、氧化鋅避雷器等，在電力系統(tǒng)中占很大比例。電容型設備在長時間的高電壓及外界環(huán)境作用下，會發(fā)生電介質損耗(以下簡稱“介損”)，導致絕緣性能裂化[1-5]。

近年來，在線監(jiān)測技術已引起電力部門及國內(nèi)外研究者的普遍關注，該技術通過在電力設備運行電壓下進行特征量獲取及分析，并根據(jù)設備狀態(tài)和分析診斷結果來安排檢修時間[6-8]。目前電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)在全國范圍內(nèi)已有應用，并發(fā)現(xiàn)了一些避雷器、套管缺陷。但相對于傳統(tǒng)的離線方法及儀器而言，在線監(jiān)測技術還不夠成熟和完善，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品監(jiān)測精度和穩(wěn)定性設計不足、診斷標準缺乏等方面，一定程度影響了在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場應用效果[8-11]。

本文針對電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，設計一種解決方案，以美國靶場儀器組B型時間碼(Inter Range Instrumentation Group-B，IRIG-B，以下簡稱“B碼”)實現(xiàn)100 ns的高精度同步采集，并通過對現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)編程生成B碼解碼、模擬/數(shù)字(analog to digital，A/D)轉換控制、雷擊計數(shù)、溫濕度采集等多個邏輯模塊；采用優(yōu)化灰色斜率關聯(lián)度模型分析電容型設備運行特征量與環(huán)境參數(shù)的關系，進行電容型設備絕緣故障診斷與分析。

1監(jiān)測原理

1.1電容型設備監(jiān)測原理

電容型設備在交流電壓作用下的絕緣特性常以并聯(lián)電路模型表示，如圖1所示。容型設備絕緣狀態(tài)主要由泄漏電流、介損因數(shù)tanδ、等值電容等特征量表征，氧化鋅避雷器絕緣狀況主要通過泄漏電流和阻性電流進行分析。

程丹，等：變電站電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用由圖1可得：

(1)

其中，ω=2πf，f為電網(wǎng)頻率。

目前電容型設備絕緣監(jiān)測主要采用絕對測量法，即利用VT端子箱二次側電壓作為基準信號，直接測量同相電容型設備的泄漏電流、介損因數(shù)、電容量等[8]。電容型設備泄漏電流極其微弱，正常情況下套管、電容型VT等設備的泄漏電流一般為幾毫安至幾百毫安，而氧化鋅避雷器泄漏電流最小值僅有100μA，阻性電流僅有幾微安。為了準確反映設備真實的絕緣狀態(tài)，要求泄漏電流及介損因數(shù)的測量精度必須高于1%+ 0.1mA，避雷器特征量測量精度達到5%+5μA以上。

1.2介損及阻性電流數(shù)字化測量方法

為了獲取介損因數(shù)及阻性電流值，一般采用數(shù)字頻譜分析方法求出兩個信號的基波信號相位，進而通過對基波相位的比較求出tanδ和IR[11-14]?？紤]到實際獲得的母線電壓及泄漏電流是經(jīng)過離散、量化后的有限長度的離散周期序列，假設分別用x(n)和y(n)表示(0≤n≤N-1，N為序列總長度，對應于離散波形的總采樣點數(shù))，序列x(n)經(jīng)離散傅立葉變換后可得：

(2)

式中：X(k)為頻域中信號的幅值；j代表復頻域；n為時域采樣點的序號；k為頻域信號的序號。各次信號的實部和虛部可表示為：

(3)

根據(jù)上式可得，序列x(n)即u(t)的初相位

(4)

同理可得泄漏電流的初相位φik，進而求取tanδ和IR。

(5)

(6)

2變電站電容型設備在線監(jiān)測設計

2.1系統(tǒng)構架

圖2所示為智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)構架。智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)分為站控層、間隔層和過程層[8]。其中過程層包含多臺電容型設備監(jiān)測裝置及VT電壓采集裝置，完成一次設備特征量采樣、設備開關量以及控制命令的執(zhí)行功能，過程層設備通過RS485總線與間隔層的智能電子設備(intelligenceelectronicdevice，IED)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上送及命令反饋。

IED是隨著智能電網(wǎng)發(fā)展起來的，由于前期安裝的在線裝置均通過各廠家私有協(xié)議傳輸至監(jiān)控中心，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和存儲數(shù)據(jù)報表各不相同，不同廠家的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫無法共享訪問，限制了數(shù)據(jù)分析能力和狀態(tài)評價水平，也不利于技術開放和數(shù)據(jù)共享[8-9]。為完成對站控層控制命令的轉發(fā)和數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，IED將過程層傳輸來的數(shù)據(jù)進行IEC61850封裝，實現(xiàn)在線監(jiān)測技術的通信標準化。

站控層為監(jiān)控中心，管理間隔層和過程層設備，監(jiān)控中心借助智能變電站輔助決策軟件對接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算、分析、顯示，并將數(shù)據(jù)存入Oracle數(shù)據(jù)庫中。除上述傳統(tǒng)功能外，輔助決策系統(tǒng)嵌入灰色理論等智能算法，進行設備故障分析與診斷，提高在線監(jiān)測結果的準確性和可靠性。GPS/北斗時鐘源布置在站控層，通過B碼下發(fā)時間信息，實現(xiàn)全站高精度對時功能。

2.2硬件設計

2.2.1監(jiān)測裝置結構

電容型設備泄漏電流非常微弱，并且變電站環(huán)境復雜，電磁干擾強烈，精確測量泄漏電流幅值和相位有很大困難?；诟呔炔蓸蛹敖档拖到y(tǒng)成本考慮，采用FPGA處理器為控制芯片，通過高精度有源零磁通電流傳感器獲取電容型設備的泄漏電流，并以B碼作為授時時鐘，實現(xiàn)100ns異地同步采樣。該方法具備很高的控制精度及處理速度，可保證監(jiān)測結果的準確度和可靠性。

電容型設備在線監(jiān)測裝置硬件結構如圖3所示。電容型設備的泄漏電流很小，首先選用程控放大電路將被測信號轉換到1～10V范圍。A/D7656單片集成6個采樣通道，是一種高集成度的16位逐次逼近型模數(shù)轉化(analogtodigitalconverter，ADC)芯片，每個通道的轉換速率達到250kSPS，性價比高，控制方便，非常適合多通道的電容型設備在線監(jiān)測裝置。裝置采用的FPGA芯片EP4CE15運行速度快、邏輯能力強、應用靈活，在處理多通道高速A/D采樣、B碼編碼解碼、頻率測量等方面具備非常高的速度和精度；并通過內(nèi)嵌FFTIP核，可方便地完成數(shù)字運算。通過編程在EP4CE15中生成B碼解碼、A/D轉換控制、快速傅里葉變換(fastFouriertransformation，F(xiàn)FT)、測頻、雷擊計數(shù)、溫濕度采集等邏輯模塊，大幅減小外圍電路，有利于減小成本和提升系統(tǒng)可靠性。

2.2.2模擬信號調理

模擬信號調理主要包括放大、濾波和方波化等。所用的電流傳感器輸入電流為0.1～1 000mA，輸出電壓范圍1 ～1 000mV，被測信號很小且范圍很寬。對于過小的輸入電壓，ADC芯片誤差很大，為此裝置采用自適應程控調整放大倍數(shù)的方法，即在真實采樣前首先設置放大器倍數(shù)為1，然后根據(jù)電壓幅值設置真實的放大倍數(shù)，使輸出電壓處于1～10V的范圍內(nèi)。

對離散化后的模擬信號進行FFT可得到被測信號的各次相位和幅值。但對于周期信號而言，如果截斷信號的時間長度不是信號周期的整數(shù)倍，延拓后的信號和原有信號會有較大差別，得到的頻譜存在誤差。為此，裝置首先精確測量被采樣信號的頻率，進而按照該頻率自適應調整采樣間隔，提高監(jiān)測精度[10]。考慮到電網(wǎng)諧波的影響，經(jīng)放大的泄漏電流信號需經(jīng)濾波、方波化電路后，送入FPGA片內(nèi)，由測頻邏輯模塊完成信號測頻。

2.2.3A/D采樣及計算邏輯

A/D采樣及計算邏輯是整個裝置的核心，通過Verilog編程在EP4CE15中生成電容型設備泄漏電流采集計算邏輯模塊。圖4所示為A/D采樣及計算邏輯圖。A/D采樣及計算邏輯主要包含B碼解碼(B_decode)、頻率測量(FQ_measure)、A/D轉換控制(A/D_control)等邏輯模塊。B_decode邏輯模塊時刻對IRIG_B碼元進行解碼，輸出正確的時間序列Tm[19..0]和1秒脈沖(pulsepersecond，pps)，的信號。A/D轉換控制邏輯模塊時刻檢測時間序列，當達到采樣時間時觸發(fā)測頻功能，并根據(jù)Fq[20..0]的值設置采樣間隔。裝置以下一個1pps信號上升沿為A/D采樣同步觸發(fā)時刻，開始整周期采樣，采樣到的數(shù)據(jù)被依次存入到隨機存儲器(randomaccessmemory，RAM)中。為了保證計算精度及計算速度，設定單個周期A/D采樣數(shù)為512點，U、V、W三相共需要1 536 個存儲單元。A/D_control輸出信號W_clk和W_adr[10..0]分別對應于寫時鐘和寫地址，保證A/D采樣數(shù)據(jù)被儲存到RAM的指定位置。當整周期采樣完成后，觸發(fā)FFTIP核進行FFT運算，得到直流分量、基波及各次諧波的幅值和相位，其中FFT_IP的輸出Sc_Real[15..0]和Sc_Imag[15..0]分別代表了輸出數(shù)據(jù)的實部和虛部，Sc_exp[5..0]為輸出數(shù)據(jù)的比例因子。OUT_control為輸出控制邏輯模塊，F(xiàn)FTIP核的運算結果在該模塊緩存和計算，并經(jīng)過并行數(shù)據(jù)轉串行數(shù)據(jù)處理之后，以RS485方式傳輸?shù)絀ED。

2.2.4IRIG-B對時

變電站內(nèi)被測電容型設備和VT端子箱距離較遠，難以應用單套裝置完成上述兩種模擬信號采集，因此高精度的同步采樣時鐘是非常必要的。目前常用的高精度同步手段主要有GPS、北斗、B碼等方式，裝置可采用GPS或北斗授時裝置，同步精度很高，誤差為50～100ns，但裝置中需單獨安裝授時模塊，裝置成本增加[15-16]；并且授時模塊的精度受衛(wèi)星信號強度影響很大，難以適應變電站內(nèi)復雜的應用環(huán)境。IRIG是美國靶場司令委員會制定的一種時間標準，廣泛地應用于軍事、工業(yè)、商業(yè)等諸多領域，B碼是其中應用較為廣泛的一種[16]。B碼傳輸速率為1f/s，可傳達100位包括天、時、分、秒信息，非常適合作為變電站分布式采集設備的同步時鐘。

為了滿足監(jiān)測技術要求，F(xiàn)PGA中的B碼解碼模塊包含并行時間碼和1pps兩種輸出格式，時間碼用于確認是否達到采樣時間，1pps用于觸發(fā)A/D同步采樣。解碼原理為：設定10ms為一個計數(shù)周期，計數(shù)測量B碼信號高電平所占的clk脈沖數(shù)，當連續(xù)兩個計數(shù)周期高電平都為8ms時，確定為參考碼元；當高電平所占的時間為5ms，將相應時間位賦值為1；當高電平所占的時間為2ms，將相應時間位賦值為0。

2.2.5環(huán)境溫濕度采集

在運行電壓下，電容型設備對環(huán)境濕度反映敏感。以氧化鋅避雷器為例，工頻電壓下流過避雷器的泄漏電流有外表面電流和內(nèi)部電流，外表面電流主要由污穢引起，為阻性電流；當遇上高濕環(huán)境時，絕緣子表面濕潤，污穢物中的導電物質溶解，避雷器表面污穢電流快速增加，對測量結果影響很大[1]。因此必須對環(huán)境溫濕度進行實時采集，并通過智能算法分析泄漏電流與環(huán)境參數(shù)的關系。

裝置選用瑞士Sensirion公司的集成溫濕度傳感器SHT71，其溫度測量精度為±0.4 ℃，濕度測量精度可達相對濕度(relativehumidity，RH)的±3%。為了準確、靈敏地測量環(huán)境參數(shù)，電容型設備在線監(jiān)測溫濕度傳感器一般為外置安裝，布置到裝置的底側或外側，變電站強電磁干擾可能通過溫濕度傳感器引線傳入裝置中，為此裝置增加了雙向隔離器Si8402及隔離電源B0303，實現(xiàn)溫濕度傳感器的電源與信號隔離。

2.3電容型設備IEC 61850的實現(xiàn)

隨著智能變電站的發(fā)展，要求變電站所有智能化設備必須符合IEC61850通信標準，電容型設備IED布置于變電站間隔層，其內(nèi)部嵌入IED能力描述(IEDcapabilitydescription，ICD)文件，通過光纖按照IEC61850標準與監(jiān)測中心(站控層)進行通信，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。IED在智能變電站中起著承上啟下的作用，主要功能有：接收在線監(jiān)測裝置獲得的特征數(shù)據(jù)，并實時轉發(fā)站控層的命令報文；對采集到的數(shù)據(jù)進行分析計算，得到電容型設備泄漏電流、介損角、阻性電流等特征量，并對故障信息進行存儲及本地顯示；遵循IEC61850 協(xié)議，實現(xiàn)變電站的信息共享及設備的互操作性。

2.4基于灰色斜率的故障診斷方法

隨著環(huán)境濕度增加，設備表面污穢可能使泄漏電流及阻性電流分量大幅增加，僅通過介損及阻性電流分量進行閾值分析會存在誤判。因此有必要結合先進的數(shù)學工具進一步分析介質特性受外界因素影響的變化規(guī)律，為在線診斷提供依據(jù)?？紤]到知識的不完備性，在分析各種因素影響介損的基礎上，引入灰關聯(lián)分析來量化介損因數(shù)及阻性電流變化與其他各因素變化的接近性，并由此來判斷絕緣狀況。

改進的灰色斜率關聯(lián)度模型按照因素的時間序列曲線的平均相對變化勢態(tài)的接近程度來計算關聯(lián)度。所謂兩曲線的平均相對變化勢態(tài)的接近程度，是指兩時間序列在對應各時段Δtj=tj-tj-1(j=2,3,…,n)上曲線平均相對變化率的大小，若在時段Δtj間平均相對變化率相等或接近于相等，則這兩時間序列在時段Δtj間的關聯(lián)系數(shù)就大；反之則小。當電容型設備絕緣狀況良好時，介損因數(shù)、阻性電流等在線監(jiān)測特征量受環(huán)境參數(shù)的影響明顯，即與環(huán)境參數(shù)的關聯(lián)度高；當設備絕緣狀況下降時，電容型設備本體實際的介損因數(shù)、阻性電流增加，外界環(huán)境的影響相對減弱，也即與環(huán)境參數(shù)的關聯(lián)度低。改進的灰色斜率關聯(lián)度模型可以靈活應用于電容型設備的故障診斷中，實現(xiàn)高壓設備的故障診斷與評估。

3試驗及應用

3.1精度試驗

為了驗證裝置監(jiān)測精度，搭建如圖5所示的避雷器在線監(jiān)測試驗平臺，采用任意信號發(fā)生器輸出兩路幅值相位均可調的正弦波，分別輸入到避雷器監(jiān)測裝置和母線電壓監(jiān)測裝置中。W9006C時鐘系統(tǒng)輸出IRIG-B時間碼，觸發(fā)同步采樣。根據(jù)國家電網(wǎng)技術標準，設定避雷器泄漏電流變化范圍 0.1～50mA，并通過設定兩波形的相位差值使等效阻性電流分別為泄漏電流的3%和8%。試驗結果見表1。除0.1mA和1mA輸入信號外，泄漏電流及阻性電流測量誤差均小于4%?？紤]到國家電網(wǎng)技術標準設定了誤差標準為5%+5μA，在增減5μA誤差電流后，輸入電流0.1mA、1mA時的裝置測量精度仍能滿足要求。

3.2現(xiàn)場應用

電容型設備在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝如圖6所示。其中圖6(a)為氧化鋅避雷器在線監(jiān)測傳感器安裝示意圖，將原避雷器雷擊計數(shù)器的接地線取掉，將新的接地電纜穿過電流互感器后接回到原接地點，避雷器泄漏電流被引入到在線監(jiān)測裝置中。圖6(b)為變壓器套管傳感器安裝照片，有源零磁通電流傳感器布置于套管接地側，套管末屏引出線穿過電流傳感器后接地，電容型設備在線監(jiān)測裝置一般安裝在變壓器下側，傳感器輸出信號通過屏蔽電纜接入到裝置模擬接口。

圖6(b)中變壓器高壓側套管U、V、W三相泄漏電流分別為13.77mA、13.28mA、13.50mA，介質損耗分別為0.73%、0.59%和0.25%；低壓側套管U、V、W三相泄漏電流分別為8.93mA、9.91mA、9.10mA，介損因數(shù)為0.42%、0.35%和0.64%。各電壓等級下的套管泄漏電流及介損因數(shù)均很小，且差異不大，經(jīng)閾值分析及灰色斜率算法判斷各數(shù)據(jù)皆處于正常水平，主變壓器套管絕緣性能良好。

4結束語

本文提出了一種電容型設備在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，以FPGA為采集裝置硬件核心，設計自適應放大及采樣間隔，解決微弱信號測量誤差及頻譜泄漏問題，通過Verilog編程在EP4CE15中生成邏輯控制功能，實現(xiàn)氧化鋅避雷器、套管等電容型設備泄漏電流采集及運算功能，設計的IRIG-B解碼模塊，可將同步采樣精度提高到100ns。實驗平臺及變電站現(xiàn)場運行結果表明：設計的電容型設備在線監(jiān)測裝置可以精確的測得一次設備泄漏電流、介損因數(shù)、阻性電流等特征量，并可完成對絕緣狀態(tài)的評估，為變電站設備穩(wěn)定運行及智能化水平提供保證。

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程丹(1986)，女，陜西西安人。助理工程師，工學碩士，從事電力設備在線監(jiān)測技術研究。

黃新波(1975)，男，山東海陽人。教授，工學博士，從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測與關鍵技術研究。

朱永燦(1986)，男，河南濮陽人。在讀博士研究生，從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測技術、輸電線路覆冰機理研究。

(編輯查黎)

Design and Application of Online Monitoring System for Substation Capacitive Equipments

CHENG Dan1, HUANG Xinbo1, ZHU Yongcan1, LI Xiaobo2,GUO Jianfeng1, ZHANG Hao1

(1. School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, Shaanxi 710048, China; 2. Xi’an Modern Control Technology Institute, Xi’an,Shaanxi 710065)

Key words：online monitoring; capacitive equipment; FFT IP core; field programmable gate array(FPGA); Inter Range Instrumentation Group - B(IRIG-B)

Abstract：Weak leakage current of capacitive equipments and zinc oxide arrester is obtained by using active zero flux current transformer (CT), and high-precision synchronous sampling of 100 ns is realized by taking Inter Range Instrumentation Group - B(IRIG-B) as the synchronous sampling clock. On the above basis, field programmable gate array(FPGA) is used to produce multiple logic modules such as IRIG-B decoding, analog to digital converter(ADC) control, frequency measurement, lightning counting, temperature and humidity acquisition, and so on. Particularly by designing and realizing functions including multi-channel simulating signal sampling, storage and fast Fourier transformation (FFT) around FFT IP core, it is able to improve measurement accuracy as well as effectively reduce hardware costs of the device. Experimental and field operation data indicate that this device is able to satisfy requirements for online monitoring precision of the power system and has higher stability and scalability.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.010

收稿日期：2016-01-09

基金項目：國家自然科學基金(51177115)

中圖分類號：TM855

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)04-0055-07

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