基于正交鎖相的絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置

陳新崗,張金京,袁 揚(yáng),馬志鵬,譚世耀,賈 勇

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 重慶 400054;2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心, 重慶 400054;3.國網(wǎng)江西省電力有限公司 新干縣供電分公司, 江西 吉安 331300)

0 引言

絕緣子通常工作在戶外,會(huì)受到霧、雨、雪等環(huán)境因素影響,導(dǎo)致絕緣性能大大降低。在受潮的絕緣子表面,隨著污穢的堆積,放電現(xiàn)象極易沿污穢表面發(fā)生,即發(fā)生閃絡(luò)[1-3],這是電網(wǎng)大面積停電的重要原因,會(huì)嚴(yán)重影響線路運(yùn)行安全性[4-5]。閃絡(luò)的常規(guī)防護(hù)措施是定期清掃和調(diào)整絕緣子的爬電距離。然而,上述方法會(huì)消耗大量的人力與物力,且具有很高的盲目性。而通過對線路絕緣子絕緣性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有效降低人力和物力的無謂消耗,提高運(yùn)維人員的巡線效率[6-9]。

目前,研究人員在線路絕緣子狀態(tài)評估領(lǐng)域中已經(jīng)開展了一系列工作。余海等[10]采用紅外測溫法分析絕緣子各點(diǎn)溫度與老化程度之間的關(guān)系,并研究憎水分級法和參數(shù)估計(jì)理論來判定老化等級的劃分區(qū)間。該方法可以對復(fù)合絕緣子的老化程度進(jìn)行初步量化評估,但紅外測溫儀受外部環(huán)境溫度影響較大,且成本較高,僅適用于對工作環(huán)境穩(wěn)定的室內(nèi)絕緣子進(jìn)行監(jiān)測。蘇圓圓等[11]提出使用基于聲波表面射頻對絕緣子的溫濕度進(jìn)行識(shí)別的方法。該方法將溫濕度與絕緣子泄漏電流的關(guān)系作為預(yù)估絕緣性能的參考依據(jù),解決了在惡劣條件下進(jìn)行絕緣子在線溫濕度監(jiān)測時(shí)可靠性不足的問題。然而,該方法檢測微弱泄漏電流的下限較高,僅適用于低精度下的絕緣性能監(jiān)測。

絕緣子運(yùn)行全過程會(huì)均不可避免地伴隨泄漏電流的形成,故通過對泄漏電流的檢測可以掌握絕緣子表面的綜合狀況[12-15]。泄漏電流監(jiān)測中的關(guān)鍵問題是檢測信號(hào)準(zhǔn)確性的提高,以及降低電流檢測下限。這是因?yàn)樵诮^緣子正常工作時(shí),其表面泄漏電流信號(hào)不僅微弱(毫安級),而且存在各種噪聲和干擾[16]。因此,本文中提出利用鎖相放大技術(shù)來解決這一實(shí)際問題,在微弱信號(hào)檢測應(yīng)用中具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)勢,在強(qiáng)噪聲環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的準(zhǔn)確檢測[17-19]。在分析鎖相放大技術(shù)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置,可以精確監(jiān)測泄漏電流的有效值。依據(jù)其區(qū)段特性設(shè)定裝置的報(bào)警閾值,在泄漏電流超過閾值時(shí)將會(huì)進(jìn)行就地聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程通信報(bào)警。另外,在接收報(bào)警信息的運(yùn)維中心可以隨時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)取泄漏電流的歷史數(shù)據(jù),以便分析絕緣子當(dāng)前狀態(tài),有效評估其工作適應(yīng)性。該裝置可以提高架空線路巡線的效率與電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 原理及分析

因?yàn)榻^緣子的工作環(huán)境內(nèi)存在強(qiáng)磁場與強(qiáng)電場,所以裝置的監(jiān)測對象(毫安級泄漏電流)會(huì)含有噪聲信號(hào),且其幅值遠(yuǎn)超出待測信號(hào)[20-21]。因此,為了確保監(jiān)測信號(hào)的準(zhǔn)確性,需要將電流傳感器的采集信號(hào)進(jìn)行放大與去噪,一種適宜的方法是正交鎖相放大技術(shù)。

正交鎖相放大技術(shù)將待測信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算來遷移待測信號(hào)的頻譜,再利用低通濾波方法去除噪聲。該方法可以消除高低頻噪聲的影響,極大幅度提高待測信號(hào)的信噪比,且檢測靈敏度高,是微弱信號(hào)檢測的高效方法[22-24]。基本原理如圖1所示。相敏檢測電路相當(dāng)于乘法器,用于將待測信號(hào)與兩路正交的參考信號(hào)進(jìn)行結(jié)果計(jì)算,再由低通濾波器濾除高頻分量后,輸出與待測電流信號(hào)有效值相關(guān)的直流信號(hào)。

假設(shè)n(t)為噪聲,x(t)為待測信號(hào),r(t)為參考方波信號(hào),Es與Er為待測信號(hào)與參考信號(hào)的幅值,ω0為信號(hào)角頻率,θ為信號(hào)初始相位,t為時(shí)間。則待測輸入信號(hào)為

x(t)=Εscos(ω0t+θ)+n(t)

(1)

參考信號(hào)r(t)經(jīng)過傅里葉變化可得:

(2)

因此,參考信號(hào)與待測信號(hào)的乘積u(p)可表示為

(3)

考慮低通濾波器對信號(hào)u(p)的處理效果。式(3)中第1項(xiàng)為差頻分量,第2項(xiàng)為和頻分量,第3項(xiàng)為噪聲。經(jīng)過低通濾波后,僅剩余n=1的差頻分量,則低通濾波后輸出的u1(t)為:

(4)

若待測信號(hào)與相位相差90°的第2組參考信號(hào)依據(jù)式(3)所示進(jìn)行乘積運(yùn)算,則可得第2組輸出u2(t)為:

(5)

依據(jù)三角函數(shù)定理可知sin2θ+cos2θ=1。故將u1(t)與u2(t)平方相加可得:

(6)

因此,由式(6)可獲取與交流待測信號(hào)x(t)成正比的直流成分u0(t)。那么,待測信號(hào)幅值Es可表示為:

(7)

基于上述推導(dǎo),利用Simulink軟件搭建如圖2所示仿真模型,在輸入待測信號(hào)不包含噪聲和含有噪聲的2種情況下進(jìn)行仿真,信噪比設(shè)置為20 dB。

圖2 鎖相放大仿真模型結(jié)構(gòu)框圖

仿真結(jié)果如圖3所示,含有噪聲的輸出信號(hào)波形與未含有噪聲的輸出信號(hào)波形具有一致的變化特征,即增長后最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。另外,如果將兩類輸出波形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)對比,則其輸出數(shù)據(jù)的最大偏差僅為3.4%。因此,上述仿真結(jié)果充分說明,利用鎖相放大技術(shù)可以在檢測微弱信號(hào)時(shí)很好地濾除噪聲信號(hào)(信噪比為20 dB),且輸出未出現(xiàn)波形失真現(xiàn)象。因此,利用該技術(shù)可以為絕緣子泄漏電流監(jiān)測裝置的傳感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提供保證。

圖3 鎖相放大仿真結(jié)果

2 裝置整體設(shè)計(jì)

絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置主要包括電流互感器、鎖相放大器、GPRS模塊、聲光報(bào)警器等。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電流互感器采集流過導(dǎo)體的毫安級泄漏電流,并向鎖相放大器提供原始信號(hào)進(jìn)行放大與濾波處理后,可輸出其有效值數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由型號(hào)為STM32F103VET6的主控芯片處理成可供GPRS模塊傳輸?shù)男畔?。芯片最高工作頻率可達(dá)72 MHz,且具有豐富的I/O接口,可以很好地滿足裝置需求。GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)并與設(shè)定的閾值比較后,判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

表1 泄漏電流分段

2.1 電流互感器

用于測量泄漏電流的傳感器需要滿足精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[25-26]。景小兵等[27]將絕緣子污閃過程中的泄漏電流幅值劃分為3個(gè)區(qū)間?；诖?據(jù)文獻(xiàn)[28-30]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將絕緣子運(yùn)行過程分為3階段,如表1所示。

圖4 裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

由表1可作出初步判斷:裝置的檢測對象為毫安級的電流,最小檢測下限范圍應(yīng)在0～30 mA。因此,針對這一需求,存在2種電流傳感方式:羅氏線圈和電流互感器。羅氏線圈不存在飽和現(xiàn)象,適合測量電流不可知的情況。但它對被測電流的位置敏感,靈敏度不足,不適宜測量小電流。電流互感器測量時(shí)原邊電路的位置對測量精度的影響小,帶寬范圍大,誤差最低可達(dá)0.1%,且結(jié)構(gòu)簡單,線性度良好,適用于對絕緣子泄漏電流這類小電流的測量。因此,本裝置選用型號(hào)為CTK150-C的電流互感器,其磁芯材料為微晶磁芯,磁導(dǎo)率可達(dá)104H/m,相較于一般的非晶磁芯材料具有更高的飽和強(qiáng)度,抗干擾能力強(qiáng),測量時(shí)精度更高。為方便安裝,傳感器結(jié)構(gòu)選用開合式穿芯形狀,可將絕緣子串套在互感器中。

2.2 鎖相放大器

2.2.1 前級信號(hào)處理模塊

因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲂盘?hào)波動(dòng)范圍極大,故前級信號(hào)處理須對采樣信號(hào)進(jìn)行線性放大,利用程控增益對放大倍數(shù)進(jìn)行控制并提高采樣的精度,其電路圖見圖5。選用INA128對輸入信號(hào)進(jìn)行初步放大,電流信號(hào)經(jīng)過采樣電阻R轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);考慮到電源波動(dòng)會(huì)引入更多的噪聲,在電源兩端并聯(lián)濾波電容。選擇MAX4238與數(shù)字電位器結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對增益自適應(yīng)的控制。數(shù)字電位器采用數(shù)字控制調(diào)節(jié)電位器阻值,通過對單片機(jī)內(nèi)部寄存器的讀寫,即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令的操作。

圖5 自適應(yīng)增益放大電路

2.2.2 相敏檢測電路

相敏檢測為鎖相放大的核心部分,主要是將處理過的輸入信號(hào)和參考信號(hào)先后進(jìn)行乘法與積分運(yùn)算,輸出含有待測電路信號(hào)幅值信息的直流信號(hào)。該電路中應(yīng)用了AD630平衡調(diào)制器,具有2 MHz的帶寬,在100 dB的噪聲中仍可提取信號(hào),通道失調(diào)電壓較低,可保證電路的對稱程度與檢測精度。

根據(jù)圖1所示的信號(hào)處理方法,需要將兩路正交信號(hào)與待測信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,因此采用2個(gè)AD630芯片,相敏檢測電路如圖6所示。 2個(gè)芯片分別對待測信號(hào)與2個(gè)相位相差90°的方波信號(hào)執(zhí)行乘法運(yùn)算。信號(hào)通道從1腳RINA進(jìn)入,2個(gè)參考信號(hào)從10腳SEL A進(jìn)入;信號(hào)從13腳VOUT輸出,后連接低通濾波電路。

圖6 相敏檢測電路

2.3 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

裝置報(bào)警功能基于STM32進(jìn)行開發(fā),選用MDK作為開發(fā)調(diào)試軟件,設(shè)計(jì)程序流程如圖7所示。首先對裝置進(jìn)行初始化設(shè)置,判斷裝置是否與服務(wù)器連接,確保裝置可以正常工作。ADC以DMA的方式直接采集信號(hào),采樣時(shí)間間隔為1 s。信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后判斷其值是否超出設(shè)定閾值,并設(shè)置超出時(shí)間范圍。若在該范圍內(nèi)都超過閾值,則啟動(dòng)聲光報(bào)警,并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至TLink云平臺(tái)。

圖7 報(bào)警程序流程

2.4 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

采用TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,其監(jiān)測界面如圖8所示。通過平臺(tái),上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)以下功能:① 監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看;② 歷史數(shù)據(jù)查詢;③ 當(dāng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。

圖8 上位機(jī)監(jiān)測界面

3 裝置測試

為了驗(yàn)證裝置的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,通過模擬實(shí)驗(yàn)對監(jiān)測裝置進(jìn)行測試。將工頻正弦電壓信號(hào)連入一個(gè)分壓電阻與精密小電阻的串聯(lián)回路中,精密小電阻流過電流即可作為待測電流,將開口式互感器穿過導(dǎo)線,便可獲得感應(yīng)輸出。通過改變工頻輸出電壓信號(hào)的大小以及分壓電阻的阻值即可得到實(shí)驗(yàn)所需的不同待測電流。圖9是實(shí)驗(yàn)測試的平臺(tái)實(shí)物圖,實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)實(shí)物圖

表2 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所示的泄漏電流分段,測試中考慮對0～30 mA的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。由表2可知,裝置在0～30 mA的測量范圍內(nèi)誤差在±5%以內(nèi)。對所測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,其結(jié)果如圖10所示。擬合結(jié)果顯示線性相關(guān)系數(shù)為0.999 99,表明裝置的測量結(jié)果具有很高的線性度。另外,均方根誤差(RMSE)和擬合得到的曲線斜率與截距也表明裝置測量值的離散度較小,測量結(jié)果具有較好準(zhǔn)確性。

圖10 實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合曲線

4 結(jié)論

1) 利用正交鎖相放大技術(shù)對待測電流進(jìn)行放大處理。通過仿真證實(shí)了該方法可以很好地濾除噪聲信號(hào),且輸出波形不失真。

2) 基于前述原理設(shè)計(jì)了硬件電路,實(shí)現(xiàn)了對泄漏電流信號(hào)的采集。通過GPRS技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至TLink云平臺(tái)。設(shè)計(jì)TLink云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)處理方法,實(shí)現(xiàn)了用戶通過移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測絕緣子的運(yùn)行狀況,以及歷史數(shù)據(jù)查詢與信息報(bào)警的功能。

3) 應(yīng)用該監(jiān)測裝置可使運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,掌握絕緣子的運(yùn)行狀態(tài),降低配電網(wǎng)閃絡(luò)故障防護(hù)工作的盲目性,有效提高配電網(wǎng)巡線的智能化水平。