基于改進(jìn)諧波分析法的MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

殷昊楠，許曉峰，王 亮，王延廷，許 東，姚 曄

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.遼寧太平灣發(fā)電廠(chǎng)，遼寧 丹東 118216；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 實(shí)業(yè)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

氧化鋅避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）是由氧化鋅（ZnO）閥片疊裝而成的，具有良好的非線(xiàn)性伏安特性［1-3］。在相同的通流能力的情況下，MOA的重量比傳統(tǒng)的避雷器?。?］。在正常工作情況下，MOA具有非常高的電阻值且?guī)缀醭式^緣狀態(tài)［5］。ZnO閥片在長(zhǎng)時(shí)間工作、受潮、受污或者生產(chǎn)制作工藝不精的情況下，會(huì)導(dǎo)致MOA發(fā)生劣化或者老化現(xiàn)象，電氣性能降低［6］。因此，必須要對(duì)MOA加以監(jiān)測(cè)，了解設(shè)備的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，避免事故的發(fā)生［7］。目前系統(tǒng)中所使用的MOA監(jiān)測(cè)方法主要有兩種：第一種是通過(guò)對(duì)所在線(xiàn)路的定期停電，進(jìn)行MOA的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，但所加的試驗(yàn)電壓一般較低，達(dá)不到所在的電壓等級(jí)的要求，且兩次試驗(yàn)之間的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備在工作狀況下的絕緣情況不能由試驗(yàn)真實(shí)的表達(dá)，故障情況不能被測(cè)量結(jié)果精確地描述［8］；第二種是通過(guò)對(duì)MOA的工作狀況的特征量進(jìn)行帶電檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況［9］，特征量主要包括泄漏電流及其阻性電流分量。

MOA在正常工作情況下，通過(guò)ZnO閥片的泄漏電流由容性電流和阻性電流組成，且以容性電流為主。當(dāng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，不僅MOA的泄漏電流會(huì)增大，還會(huì)造成泄漏電流中的阻性電流分量隨著增大［9］。而總泄漏電流中的容性電流取決于氧化鋅電阻片材料介電系數(shù)及幾何尺寸，一般是不隨運(yùn)行時(shí)間而變化的。當(dāng)MOA發(fā)生劣化或者老化時(shí)，阻性電流會(huì)增大，從而造成發(fā)熱量增大，使得阻性電流再進(jìn)一步增大，加速M(fèi)OA的劣化和老化［10-13］，這是一種正反饋狀態(tài)。文獻(xiàn)［10］利用先進(jìn)的算法使電網(wǎng)諧波對(duì)容性電流的影響降低，但并不能校正高次諧波產(chǎn)生的阻性電流、干擾阻性電流基波的測(cè)量。文獻(xiàn)［11］在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)之上，通過(guò)等效線(xiàn)性電阻補(bǔ)償高次諧波電壓產(chǎn)生的阻性電流，進(jìn)一步提高了阻性電流的提取精度。文獻(xiàn)［13］對(duì)補(bǔ)償算法進(jìn)行深入研究，將MOA的非線(xiàn)性電阻等效為線(xiàn)性電阻與非線(xiàn)性電阻并聯(lián)的模型，在一定程度上降低了高次諧波對(duì)阻性電流基波分量的影響。

由以上可知，對(duì)MOA進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要而且可行的。針對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的一系列問(wèn)題，本文提出了一種簡(jiǎn)單可靠，并且滿(mǎn)足精度和靈敏度的MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要方法

目前，大多數(shù)變電站對(duì)于MOA的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)測(cè)量MOA的總泄漏電流、阻性電流分量，同時(shí)結(jié)合環(huán)境溫度和濕度等外部條件，最終利用故障診斷算法對(duì)MOA的運(yùn)行狀態(tài)做出評(píng)價(jià)。

1.1 全電流法

全電流法又稱(chēng)總泄漏電流法，主要是通過(guò)對(duì)MOA的泄漏電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)［14］。阻性電流占泄漏電流的比例約為5%～20%，在有些情況下阻性電流已發(fā)生變化而總泄漏電流還未能監(jiān)測(cè)到變化。此方法原理簡(jiǎn)單，但精度不高，靈敏度很低，不能滿(mǎn)足電網(wǎng)中的實(shí)際需求。

1.2 基波法

此方法假設(shè)泄漏電流中只含有基波分量。采用快速傅里葉變換分別獲得MOA泄漏電流和PT電壓，求出基波電流分量［15］。由于這種方法只計(jì)算泄露電流基波中的阻性電流分量，所以此方法受到諧波電壓的影響較小，但無(wú)法消除高次諧波對(duì)阻性電流的影響［16-18］。

1.3 諧波分析法

諧波法是在基波法和三次諧波法的基礎(chǔ)上形成的。諧波分析法中以三次諧波和基波電流作為被測(cè)參數(shù)，對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)同步采集，將采集信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉（FFT）變換［19-21］。諧波分析法可以判斷MOA是處于老化還是受潮狀態(tài)。

1.4 容性電流補(bǔ)償法

容性電流補(bǔ)償法是通過(guò)計(jì)算補(bǔ)償系數(shù)，使用硬件電路將泄漏電流全電流中的容性電流補(bǔ)償?shù)?，得到阻性電流分量。此方法最主要的缺點(diǎn)是很難克服由于氧化鋅避雷器相間干擾引起的測(cè)量誤差，使得求取的阻性電流與實(shí)際值產(chǎn)生偏差［22］。避雷器閥片的電流電壓在過(guò)零情況下都會(huì)產(chǎn)生差異性的滯回現(xiàn)象，此現(xiàn)象受到不同生產(chǎn)廠(chǎng)家不同規(guī)格的氧化鋅閥片的影響，滯回程度不一。

2 MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

諧波分析法采用避雷器接地線(xiàn)上接入電流互感器及PT二次端子箱電壓信號(hào)來(lái)采集通過(guò)避雷器的泄漏電流及加在避雷器上的運(yùn)行電壓。首先使用數(shù)字離散化將采集到的電壓和電流的模擬信號(hào)進(jìn)行處理；然后采用快速傅里葉變換（FFT），將處理后的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，得到電壓、電流的基波分量和各奇次諧波所對(duì)應(yīng)的幅值與相位；最后從中分離得到阻性電流基波和各奇次諧波分量。

電網(wǎng)的運(yùn)行電壓和電流符合狄利赫里條件，即可通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)其進(jìn)行分解。

式中，MOA施加的電壓、電流為U、I；U0是MOA兩端的電壓直流分量；I0是流經(jīng)MOA的電流直流分量；Ukm是MOA所在母線(xiàn)電壓各次諧波幅值，代表非線(xiàn)性元件上的電壓高次諧波大??；Ikm是MOA泄露電流各次諧波幅值，表示在非線(xiàn)性元件上的電流高次諧波的大小；αk是MOA各次諧波電壓的相角，表示在非線(xiàn)性元件上的諧波電壓的相位信息；βk是MOA各次諧波電流的相角，表示在非線(xiàn)性元件上形成的諧波電流的相位信息。

通過(guò)對(duì)避雷器模型進(jìn)行工作特性研究發(fā)現(xiàn)，工作在小電流區(qū)的MOA，其電容基本恒定不變，電容對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為0，即d C/d t=0。式（2）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，代入泄漏電流的容性電流分量的計(jì)算公式中，電容電流的數(shù)值由式（3）表示。

式中，ICk=kωCUkm。

令I(lǐng)Rk為MOA的第k次諧波的阻性電流分量幅值，其對(duì)外表現(xiàn)為電導(dǎo)產(chǎn)生的電流分量，一般情況下，MOA阻性電流和容性電流在相同階次的諧波電壓的作用下，阻性電壓電流與容性電流相位差為90°。MOA在相同階次的諧波的作用下，電壓與泄露電流同相，MOA阻性電流數(shù)值表達(dá)式為

因?yàn)镮x=IR+IC，將式（2）、（3）、（4）帶入其中并化簡(jiǎn)，得：

將式（5）兩邊乘sin(nωt+ αn)，并對(duì)等式兩邊做在一周期內(nèi)的定積分運(yùn)算，有：

根據(jù)三角函數(shù)的乘積，在一個(gè)周期內(nèi)的定積分正交特性可得下式：

在條件為僅當(dāng)諧波次數(shù)k=n的情況下，式（6）的計(jì)算結(jié)果是對(duì)應(yīng)項(xiàng)的定積分非零，式（6）可化簡(jiǎn)得式（8）。

由三角函數(shù)的積化和差公式可化簡(jiǎn)式（8）得：

再由三角函數(shù)正交特性可得：

即：

也即：

所以，

類(lèi)似的情況，對(duì)式（5）兩邊同乘cos(nωt+ αn)，在同一周期進(jìn)行定積分運(yùn)算，由于三角函數(shù)具有的正交特性，只有在諧波次數(shù)k=n成立時(shí)，定積分運(yùn)算的結(jié)果才存在不為零的情況。化簡(jiǎn)該式后，得到：

因此，按照上面公式的推導(dǎo)結(jié)果，將MOA兩端的Ux和流過(guò)MOA的Ix按照傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，進(jìn)行FFT分解，得到MOA的電壓和電流的各次諧波分量，然后按照式（4）、（13）計(jì)算，求得MOA的基波阻性電流、MOA的各次諧波阻性電流數(shù)值和MOA的總阻性電流數(shù)值，由此可以得到MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的必要數(shù)據(jù)。

3 MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

3.1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1）根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和任務(wù)，本項(xiàng)目計(jì)劃采用基礎(chǔ)理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的研究方案。理論研究主要集中于避雷器設(shè)備故障分析和處理算法的研究、抗干擾模型的研究，同時(shí)結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和理論模型進(jìn)行仿真研究。在綜合處理及顯示單元的研究開(kāi)發(fā)和改進(jìn)過(guò)程中，主要以實(shí)驗(yàn)為主，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算不斷改進(jìn)系統(tǒng)方案，持續(xù)提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

2）系統(tǒng)由IED（Intelligent Electronic Device，智能電子裝置）和傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。由主IED單元對(duì)外提供統(tǒng)一的通信服務(wù)，子IED用于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的不同功能。

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)各IED裝置功能，可以將部分子IED單元和主IED裝置布置在統(tǒng)一的物理裝置內(nèi)，但是所有子IED裝置必須由主IED裝置統(tǒng)一管理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以不包含主回路帶電狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED，若帶電狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)組成單元，應(yīng)設(shè)置為一個(gè)獨(dú)立的物理裝置或是集成裝置的一個(gè)可抽出、可更換部件。

4）考慮到下一步組網(wǎng)監(jiān)控，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了豐富的接口資源，為系統(tǒng)的靈活使用提供了可靠保證。

5）由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均安裝于強(qiáng)電場(chǎng)下，該套系統(tǒng)要有抗電沖擊、抗機(jī)械沖擊、抗干擾、抗輻射等功能。

本研究的技術(shù)路線(xiàn)如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 軟件硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 就地監(jiān)測(cè)單元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 采用的主要關(guān)鍵技術(shù)

1）從軟件、硬件兩方面提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。在變電站現(xiàn)場(chǎng)，三相避雷器一般都是按一字型結(jié)構(gòu)布置的，因?yàn)橥瑫r(shí)都帶電的原因，所以避雷器相間會(huì)存在雜散電容，考慮雜散電容的避雷器等值電路如圖4所示。而正是這些電容導(dǎo)致避雷器各相之間存在電氣連接，所以避雷器參數(shù)的測(cè)量會(huì)受到相間雜散電容的影響。這種影響的大小主要跟運(yùn)行電壓高低和相間距離有關(guān)。為了消除避雷器相間的電容干擾的影響，可通過(guò)增設(shè)相間電容的方式，利用信號(hào)采集處理方法將介損角進(jìn)行消除。

圖4 避雷器三相系統(tǒng)等值電路

電源電路部分要求的抗干擾能力需要達(dá)到4級(jí)，屬于目前電磁干擾防護(hù)的最高要求。在電路設(shè)計(jì)中主要通過(guò)在電源的入口處添加壓敏電阻來(lái)對(duì)高壓放電進(jìn)行瀉放，同時(shí)通過(guò)高性能的濾波電路，將較大的脈沖限制在電源電路外側(cè)，從而保護(hù)電源，具體的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電源抗干擾電路

2）系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)和歷史兩種報(bào)警功能。當(dāng)出現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警信息時(shí)，操作界面上自動(dòng)彈出紅色醒目帶閃爍的提示對(duì)話(huà)框，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前出現(xiàn)的具體故障信息。歷史報(bào)警記錄可以按任意時(shí)間段和設(shè)定的條件進(jìn)行記錄查詢(xún)。

3）采用大規(guī)模集成電路，為了適應(yīng)變電站強(qiáng)干擾環(huán)境下的電磁兼容性，PCB板應(yīng)采用多層雙面設(shè)計(jì)，芯片及元器件全部采用工業(yè)級(jí)以上產(chǎn)品，以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、精確工作。

4）電流取樣單元采用穿心式電流互感器，將其安裝在MOA接地線(xiàn)上，對(duì)泄漏電流進(jìn)行采樣。通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)，運(yùn)算放大器同相輸入端電壓為參考電壓，電流采樣電路設(shè)計(jì)如圖6所示。使用MULTISIM進(jìn)行電路仿真，檢驗(yàn)其對(duì)工頻電流及高次諧波的取樣精度，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 電流采樣電路

圖7 電流采樣電路仿真波形

5）本系統(tǒng)裝置與傳感器之間采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊，系統(tǒng)裝置之間采用局域網(wǎng)復(fù)合多CPU的通信規(guī)約進(jìn)行通訊。采用標(biāo)準(zhǔn)485和IEC61850數(shù)據(jù)接口，可通過(guò)串口或usb口和筆記本電腦進(jìn)行連接，也可以通過(guò)組網(wǎng)與監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)，支持多種符合電力通信規(guī)約的外部數(shù)據(jù)通信方式，支持連接并構(gòu)成分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。

3.3 電流互感器取樣方法研究

阻性電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)的MOA的總泄漏電流非常微弱，此外變電站其他設(shè)備會(huì)帶來(lái)許多的不可控的干擾因素使得傳感器很難獲得真實(shí)、準(zhǔn)確的泄漏電流。為了達(dá)到良好的測(cè)量精度的目的，要求電流互感器的比差和角差?。?3］，還要具備在高電壓的情況下互感器不會(huì)因?yàn)槔纂娏骰蚬收想娏髁鬟^(guò)而被損壞。系統(tǒng)采用的穿心式電流傳感器為無(wú)源磁性耦合電流傳感器［24］，將一、二次側(cè)進(jìn)行電氣隔離，降低系統(tǒng)過(guò)電壓或者雷擊所造成的設(shè)備損壞。使用白鋼外殼對(duì)強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾進(jìn)行屏蔽并將其接地，增強(qiáng)設(shè)備抗強(qiáng)電磁干擾能力，提高測(cè)量精度。二次側(cè)有一個(gè)引線(xiàn)端子將電流信號(hào)引出。一次側(cè)由MOA接地線(xiàn)穿心，使用坡莫合金等材料制成適合低頻信號(hào)通過(guò)的鐵心。

由于線(xiàn)圈的漏抗和電阻數(shù)值較小，可以忽略其影響，那么影響檢測(cè)數(shù)值的因素便主要是鐵心的勵(lì)磁電流［25］。角差可以通過(guò)降低負(fù)載中的阻性分量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)避雷器的性能，在本項(xiàng)目中選用了諧波法，同時(shí)和FFT算法相結(jié)合。由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性處理要求很高，這就要求在處理器上計(jì)算速度快，計(jì)算能力強(qiáng)。為此，最終選取了TI公司生產(chǎn)的DSP（TMS320F28335）作為本系統(tǒng)的處理器。軟件設(shè)計(jì)是硬件軟件化的直接體現(xiàn)，由Borland公司推出的Delphi是全新的可視化編程環(huán)境，它提供了一種方便、快捷的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，采用彈性可重復(fù)利用的完整的面向?qū)ο蟪绦蛘Z(yǔ)言（Object-Oriented Language），簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)流程。圖8為編寫(xiě)上位機(jī)程序界面。

本系統(tǒng)軟件主要功能包括用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)管理、通信設(shè)置、通信規(guī)約、調(diào)試等6個(gè)部分。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 FFT變換運(yùn)行界面

圖9 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)框架及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試完成后，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能和精度，并在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。圖10為數(shù)據(jù)采集電路實(shí)物。

圖10 數(shù)據(jù)采集電路板

首先必須把在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行接地處理；其次將避雷器接地線(xiàn)穿過(guò)穿心式電流互感器；最后從端子柜里面引出電壓互感器信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)操作情況如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置

運(yùn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，出現(xiàn)圖12顯示的界面。

圖12 MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)界面

通過(guò)對(duì)220 kV避雷器進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

上位機(jī)程序生成阻性電流曲線(xiàn)和某一采樣時(shí)刻全電流波形曲線(xiàn)如圖13、圖14所示。

圖13 MOA阻性電流曲線(xiàn)

每15 s對(duì)泄露電流進(jìn)行一次采樣，運(yùn)算得出阻性電流，圖13中每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)采用直線(xiàn)連接。阻性電流量程為0.1 mA～10 mA，測(cè)量精度≤2%，滿(mǎn)足使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 某一時(shí)刻MOA全電流波形曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：從表1中可看出阻性電流占全電流的33%，超過(guò)了10%～20%的正常范圍，需加大監(jiān)測(cè)力度，注意阻性電流變化趨勢(shì)，從收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐袛?。如阻性電流占總泄露電流比例超過(guò)40%，其避雷器的保護(hù)特性將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

5 結(jié) 論

1）提出了基于改進(jìn)諧波分析法的MOA阻性電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)算法，可以有效地判斷MOA的老化情況。

2）本文算法對(duì)泄漏電流諧波干擾的消除能力較強(qiáng)，能夠避免目前存在的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法受諧波影響的問(wèn)題。

3）研制的MOA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量精度滿(mǎn)足要求，并具有遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，可以為日常維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。