變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用高壓設(shè)備的安全運(yùn)行是影響能源系統(tǒng)、穩(wěn)定和運(yùn)行的重要因素。高壓設(shè)備的運(yùn)行不僅會(huì)造成設(shè)備本身的損壞，還會(huì)造成許多損失。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),“八五”期間,我國(guó)主要電網(wǎng)中由于電氣設(shè)備故障而直接引發(fā)的電網(wǎng)事故約占事故總量的26.3%。目前,我國(guó)變電站電氣設(shè)備的檢測(cè)工作,主要仍按《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況,從而確定其是否可以繼續(xù)投入運(yùn)行。長(zhǎng)期以來堅(jiān)持預(yù)防性試驗(yàn)對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到了很大的作用,但隨著電力系統(tǒng)大容量化、高電壓化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠性指標(biāo)要求也越來越高。這種傳統(tǒng)的試驗(yàn)與診斷方法已越來越不適應(yīng),主要表現(xiàn)在:試驗(yàn)時(shí)需要停電、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)時(shí)間集中、工作量大。且離線測(cè)試與運(yùn)行測(cè)試存在諸多偏差和不確定因素,在現(xiàn)場(chǎng)曾多次發(fā)生預(yù)防性試驗(yàn)合格后不久,設(shè)備發(fā)生事故。從上世紀(jì)90年代開始,出現(xiàn)以數(shù)字采集、傳輸和處理技術(shù)為核心的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)內(nèi)容豐富、信息量大、處理速度快,代表了當(dāng)今在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。本文研發(fā)的變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行高精度的同步授時(shí)采樣,利用紫蜂(Zigbee)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸,能夠在線實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)套管的介損和電容量,專家軟件根據(jù)建立的分析模型及時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)警,可有效地發(fā)現(xiàn)容性設(shè)備的整體受潮劣化變質(zhì)以及局部缺陷等,能夠起到事故預(yù)知的作用。1系統(tǒng)的原則和一般結(jié)構(gòu)1.1容性設(shè)備局部缺陷絕緣材料的介質(zhì)損失角正切(tanδ)是反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),通過測(cè)量相角差δ可發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷。由于實(shí)際運(yùn)行的容性設(shè)備并非理想介質(zhì),故此流經(jīng)末屏的電流與容性設(shè)備高壓端電壓的相位差將<π/2。介損在線測(cè)量是通過同時(shí)取樣被測(cè)設(shè)備的泄漏電流i和CVT(或TV)二次電壓U,然后經(jīng)過專門的相位差計(jì)算程序,計(jì)算出δ和tanδ。電容量C=i/fkU,式中k為CVT(或TV)電壓比,f為頻率。1.2基于模擬的數(shù)字量的監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)由省級(jí)監(jiān)控中心、變電站監(jiān)控中心、Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)等4部分組成,系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)采集的泄漏電流模擬量,經(jīng)過放大、補(bǔ)償?shù)忍幚砗?由監(jiān)測(cè)終端設(shè)備的A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,經(jīng)過NiosII數(shù)據(jù)處理單元處理,由Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸至監(jiān)控中心,由專家軟件將數(shù)據(jù)存放在SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)中,并可以通過專家軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示和打印、分析和診斷。監(jiān)控中心通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)來控制現(xiàn)場(chǎng)采樣單元,并完成數(shù)據(jù)的讀取。2gps和zig碧的性能2.1偽隨機(jī)碼使用GPS由均勻分布在6條軌道上的24顆衛(wèi)星(其中3顆備用)組成,在地球上的每一個(gè)位置均能接收到4～6顆衛(wèi)星的信號(hào),衛(wèi)星繞地球一周12h,每秒通過L1、L2兩個(gè)波段發(fā)射3種偽隨機(jī)碼:C/A碼(粗碼)、P碼(精碼)和Y碼(加密的P碼)。C/A碼一次定位精度25m,多次定位精度8m,定時(shí)精度100ns,全世界都可以無償使用。P碼一次定位精度10m,多次定位精度可以達(dá)cm級(jí),定時(shí)精度10ns,只能美國(guó)及其盟國(guó)軍事和授權(quán)的民用部門使用?，F(xiàn)有的GPS模塊具有自同步功能,可以產(chǎn)生精度較高的同步沿,同步誤差<1μs,因此采用GPS進(jìn)行同步觸發(fā),完成數(shù)據(jù)采集。2.2zifbe和zrtbe之間的協(xié)議ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)起并制定的標(biāo)準(zhǔn)。該聯(lián)盟成立于2001-08,是一個(gè)高速增長(zhǎng)的非牟利業(yè)界組織,目的是為消費(fèi)者提供更富彈性、更易用的電子產(chǎn)品。2004-10,ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了ZigBee協(xié)議1.0版本。2005-12,發(fā)布了ZigBee協(xié)議1.1版本。ZigBee使用免費(fèi)的2.4GHz與900MHz頻段,傳輸速率為20～250kb/s。本文選擇最佳的芯片組合來設(shè)計(jì)ZigBee無線硬件平臺(tái),已經(jīng)研制出標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊,并開發(fā)了縮減版的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)的設(shè)計(jì)3.1工頻監(jiān)控終端的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)獲得容性設(shè)備的電流模擬量,并將其分為兩路,一路經(jīng)過放大、補(bǔ)償?shù)忍幚砗?送入現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)內(nèi)測(cè)頻邏輯完成信號(hào)測(cè)頻;另一路由高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,送入FPGA中,經(jīng)過NiosII數(shù)據(jù)處理單元處理,由通訊模塊以Zigbee傳輸方式傳輸?shù)街骺厥覂?nèi)的計(jì)算機(jī)工作站上。監(jiān)測(cè)終端具備自檢功能,在自檢功能被啟動(dòng)時(shí),信號(hào)選擇模塊切換至工頻信號(hào)發(fā)生器,NiosII對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理。各監(jiān)測(cè)分機(jī)之間通過MotoloraM12+GPS實(shí)現(xiàn)精確同步。其硬件框圖見圖2。3.1.1深度負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)補(bǔ)償考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝、安全運(yùn)行的實(shí)際情況,研發(fā)了電磁式穿芯小電流傳感器,選用起始導(dǎo)磁率高,損耗小的坡莫合金做鐵心,采用深度負(fù)反饋技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵心全自動(dòng)補(bǔ)償,使鐵心工作在理想的零磁通狀態(tài)。該傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)100μA～700mA的工頻電流。相位變換誤差≤0.01°,不需要任何校正及修改,所有設(shè)備一樣,互換性極強(qiáng)。具有極好溫度特性和電磁場(chǎng)干擾能力,完全滿足復(fù)雜電站現(xiàn)場(chǎng)干擾下的設(shè)備取樣的精確度。3.1.2收器gps授時(shí)模塊設(shè)計(jì)中選擇了摩托羅拉(Motorola)M12+Timing授時(shí)模塊,M12+TimingOncoreTM接收器是一款具有12通道GPS授時(shí)模塊,可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星,能產(chǎn)生高達(dá)ns級(jí)的同步授時(shí)。主要特點(diǎn)包括高精度,可編程,帶有每秒一個(gè)脈沖或每秒100個(gè)脈沖的時(shí)序輸出精確的GPS,完全校準(zhǔn)到協(xié)調(diào)世界時(shí)間(UTC),無時(shí)鐘間隔信息性能。M12M更利用了Motorola的時(shí)間RAIM算法(接收器自主檢測(cè)),確保了GPS測(cè)量的有效性和可靠性。3.1.3a/d轉(zhuǎn)換芯片控制A/D完成同步高速整數(shù)倍信號(hào)采樣和對(duì)工頻信號(hào)的頻率測(cè)量,這需要高速設(shè)備進(jìn)行控制。FPGA在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)無法比擬的優(yōu)勢(shì),如具有時(shí)鐘頻率高,內(nèi)部延時(shí)小,全部控制邏輯由硬件完成,速度快,效率高,組成形式靈活等特點(diǎn)。因此在本設(shè)計(jì)中選用ALTERA公司的FPGA器件EP1C6Q240C8實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8505的實(shí)時(shí)采樣控制和工頻電壓頻率的測(cè)量,完成數(shù)據(jù)的緩沖、處理、傳輸?shù)裙δ?。利用ALTERA公司提供的開發(fā)軟件QuartusII進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì),在QuartusII平臺(tái)下,使用超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言(VHDL)設(shè)計(jì)工頻頻率測(cè)量模塊和A/D采樣的邏輯控制時(shí)序。在A/D采樣控制模塊中,軟核微處理器NiosII收到監(jiān)控中心通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的采集命令后,讀GPS的時(shí)間,當(dāng)讀到設(shè)定的時(shí)間后使能采集模塊(sample_enable變高),采集模塊開始等待GPS的同步脈沖1pps(每秒脈沖),作為開始采樣的觸發(fā)信號(hào),根據(jù)微處理器給定采樣速率samplerate_divdata[12..0]對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行500點(diǎn)采樣,存放到靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)里,然后給微處理器發(fā)出一個(gè)采樣完畢信號(hào)finished,微處理器從SRAM中取出500點(diǎn)采樣值。3.1.4mfreq模塊整個(gè)測(cè)評(píng)控制模塊采用同步模式,工作時(shí)序見圖3。由系統(tǒng)始終CLK上升沿同步觸發(fā);信號(hào)頻率freqin經(jīng)過D觸發(fā)器2倍頻,成為信號(hào)freqin_mfreq;在mfreq模塊中,當(dāng)freqin_mfreq為高時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)freqin_mfreq為低時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器清零;當(dāng)freqin_mfreq為低,且enable為高時(shí),輸出有效計(jì)數(shù)值(一個(gè)信號(hào)周期的CLK時(shí)鐘計(jì)數(shù)值)。enable信號(hào)應(yīng)持續(xù)兩個(gè)信號(hào)周期以上,才能保證輸出有效的計(jì)數(shù)值。3.2z空間采集系統(tǒng)程序現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)軟件主要功能是根據(jù)中心指令進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集,然后通過Zigbee無線通信將數(shù)據(jù)打包上傳。系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)自檢、實(shí)時(shí)采集功能,采用中斷模式觸發(fā),其主程序流程圖見圖4。圖中,pps表示間隔1s的脈沖信號(hào)。4可視化顯示、分析專家軟件分為服務(wù)器端和客戶端兩部分。服務(wù)器端主要完成采集數(shù)據(jù)的接收、解析并存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);客戶端主要是對(duì)采集數(shù)據(jù)做全方位、多角度的可視化顯示、分析等。專家軟件界面見圖5。專家軟件采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù)和灰色系統(tǒng)技術(shù),在分析了各種因素影響介損機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出根據(jù)不同因素影響介損值的變化來判斷絕緣狀況,考慮到知識(shí)的不完備性,量化介損序列變化與各因素序列變化的接近性,通過對(duì)關(guān)聯(lián)度排序和模糊輸出實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確診斷。生產(chǎn)廠家和運(yùn)行管理部門(客戶端)只需要安裝瀏覽器軟件就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問,從而方便地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。5試驗(yàn)結(jié)果5.1介質(zhì)損耗因數(shù)試品用瑞士2811電橋檢測(cè)AI-6201介質(zhì)損耗因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)器,并由AI-6201介質(zhì)損耗因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)試品的信號(hào)采集端口施加信號(hào),共計(jì)25次,間隔時(shí)間為60s,試品在技術(shù)規(guī)范內(nèi)性能正常。5.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,同相設(shè)備介損測(cè)量值與初始測(cè)量值比較,變化范圍≤±0.3%,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。6高效測(cè)量數(shù)據(jù)采集