专利名称：高压电力容性设备绝缘在线监测的高精度信号处理方法
技术领域：
本发明涉及高压电力容性设备的绝缘在线监测，属于高压电力设备状态检修和在 线监测领域和智能电网的设备全寿命周期监控管理领域。
背景技术：
电力行业是能源行业的主体，超高压、特高压输电能够实现更远距离和更高效率 的能量传输，高压绝缘技术是其中的关键技术。特高压、超高压电网的绝大多数故障表现为 绝缘遭受破坏。除输电线以外的高压电力设备都集中放置在变电站内，包括主变压器、高压 断路器、电流互感器(CT)、电容式电压互感器(CPT)、套管、耦合电容器、避雷器等，其中绝 大多数设备是容性设备。实现高压容性设备的状态监测能够预防由于容性设备绝缘导致的 电网故障。当今，电网和电力系统正在建设智能电网，智能电网的一个关键内容就是电力设 备的全寿命周期管理，即依托于高压电力设备的状态监测实现预防性控制和状态检修。实 时的绝缘监测及诊断技术是状态检修的基础，对高压电力设备进行在线监测，及时预测并 诊断故障，对确保电力设备的正常运行、提高电网的可靠性以及对设备和运行人员的安全 都具有重要的意义。高压电力设备绝缘状况的监测目前通常基于对其介质损耗因数tan δ、介质泄漏 电流Ip和电容量C的监测。介质损耗的测试原理可以简述为将被测对象的电流信号和电 压信号传送到测量装置，然后将两个信号的相位进行比较，从而得到设备的介损值。现有的 容性设备绝缘监测技术难以实用。容性设备的泄漏电流为IOmA级，属于微小信号。而容性 设备都是高压设备，现场有大量高压闪络和放电，电磁干扰非常严重，采样信号中含有大量 干扰信号；监测容性设备绝缘需要该设备的泄漏电流信号和设备电压信号，后者的传感器 (电压互感器)位置与该容性设备距离很远，如果将容性设备的泄漏电流信号经电缆接线 传递到电子设备间再测量微小的泄漏电流，将进一步进入大量误差和干扰信号，使得该方 案很难实用，测量结果缺乏可信度。因此，采用新型微小信号测量技术，实现不同位置信号的关联采集和处理是解决 高压容性设备绝缘监测的关键。本专利提出一种采用IIRG无限冲击响应滤波器组的高精度、抗干扰的绝缘监测 信号处理方法和算法，通过分布式就地采集微小信号改善信号的传感能力，通过Zigbee无 线通信实现泄漏电流和电压的异地同步采样，通过信号处理和IIRG滤波算法获得更好的 抗干扰效果，能够解决高压容性设备泄漏电流相量的准确测量问题，在相量相位和幅值方 面都得获得较高的分辨率和稳定性。该算法要求有特殊的数据采集和通信方式，能够作为 关键技术融入智能电网高压容性设备状态监测系统中。
发明内容
本发明涉及在智能电网的设备全寿命周期管理中，针对高压电力容性设备实现绝 缘在线监测技术，公开了一种具有高精度、对电磁干扰免疫特征的绝缘介质损耗因数计算方法。该方案基于分布式异地信号采集，利用不同的泄漏电流采集单元和母线电压采集单 元分别实现高压容性设备的泄漏电流和母线电压采样，通过采集单元的时钟同步实现不同 采集单元的同步采样，定时对高压容性设备的离散泄漏电流和母线电压做整周波的离散采 样，通过信号延拓获得与模态滤波器组时间常数相适应的信号输入序列，针对高压电力设 备的干扰特征，设置由点通滤波器、低通滤波器、高通滤波器和点阻滤波器组成的无限冲击 响应滤波器组(IIRG)，通过IIRG获得50Hz工频信号的滤波输出，通过电力相量算法，获得 高压容性设备泄漏电流和母线电压的相量相位差，进而获得高精度的绝缘介质损耗因数。 该方法采用Zigbee无线传感器网络作为分布式测量单元之间的通信方式，配置母线电压 节点为Zigbee协调器节点、泄漏电流节点和主站节点为Zigbee路由节点。本发明适用于电力系统(电网和发电厂)和冶金、化工、铁路等工业行业的各种电 压等级变电站的高压容性电力设备的绝缘监测，可以实现智能电网的高压容性设备状态监 测、安全预警和全寿命周期管理功能。实现高压电力容性设备绝缘在线监测的高精度信号处理方案的具体步骤和技术 要点如下1)采用分布式就地测量单元分别实现对高压容性设备泄漏电流和对应的母线电 压的就地测量。其中母线电压测量单元安放在控制室内或专门的电子设备间，直接测量母 线电压互感器(PT)的二次侧输出信号。分布式泄漏电流测量单元安装在容性设备附近的 现场，采用穿心式小电流传感器测量容性设备的末屏接地线的电流。传感器铁芯采用屏蔽 并将屏蔽层接地、传感器的信号输出线采用屏蔽且尽可能短地连接到泄漏电流测量单元。 各分布式测量单元可以实现单相电流、电压的测量，也可以实现三相电流、电压的测量。在 电子设备间中设置容性设备在线监测的主站，兼做该系统的工程师站。2)分布式泄漏电流测量单元与分布式母线电压测量单元采用Zigbee无线传感器 网络通信。容性设备在线监测系统的各节点可按不同电压等级分为不同的Zigbee网络， 以220kV应用为例，配置220kV的各容性设备的泄漏电流测量单元为路由节点，具有中继功 能，配置220kV母线电压测量单元为Zigbee协调器节点，协调器节点是该Zigbee网络的主 节点，配置容性设备在线监测主站为Zigbee路由节点。各类Zigbee节点之间的通信内容 包括协调器节点广播母线电压信息；各电流测量单元节点(路由节点)向主站节点(路由 节点)传输该容性设备介质损耗因数的计算结果。3)分布式电压测量单元和分布式泄漏电流测量单元基于时钟同步实现同步采样。 时钟同步采用无线方式，可以选择使用微型天线的GPS对时，或无线以太网的IEC1588对时 等。分布式泄漏电流测量单元和分布式母线电压测量单元经时钟同步，按周期Tl定时启动 信号采样，采样一个周波OOms)数据，记为S(0)、S(1)、…、S(N-I)；其中Tl取值可以从几 个ms到几十秒，例如取值1秒，以绝对时间的年月日时分和整秒启动采样。采样率不小于 1.6kHz。完成该周波采样后终止采样中断，等下一个Tl时刻到来时再次打开采样中断。4)在分布式泄漏电流测量单元和母线电压测量单元中分别准确的计算相量，包括 相量实部和虚部，包含相量相位和幅值信息。计算采用相同的算法和处理过程，细节步骤如 下4. 1)将本次采样的一个周波数据{S(0)、Sa)、…、S(N-I)}做预处理，通过周期 延拓获得较长的数据区，以克服IIRG滤波器组的时滞特性。延拓的周期数量M与IIRG滤波器组的时间滞后常数Tdelay相关，M彡Tdelay/20ms+2。采样信号延拓解决周期性采样分析 与无限冲击响应滤波器组的配合关系。4. 2)构建针对50Hz工频电网的IIRG滤波器组。滤波器组采用多个无限冲击响应 滤波器级联组成，包括40Hz高通IIR、60Hz低通IIR、50Hz点通UR和可选择配置的点阻滤 波IIR。其中点阻滤波考虑高压电力容性设备附近可能存在采用IGBT的大型电力电子设 备，例如STACOM、SVG等电力设备。这些设备可能导致某些特定频率的谐波，在容性设备在 线监测系统调试期间，可通过分析母线电压在40Hz 60Hz内是否存在严重的分数次谐波， 确定是否在IIRG滤波器组中配置点阻IIR滤波器用于专门滤波有影响的分数次谐波。滤 波器级联数量和采样率决定了 IIRG滤波器组的时间滞后常数。4. 3)将IIRG滤波器组的滤波输出应用傅立叶相量算法，计算出相量实部虚部。由 母线电压测量单元(Zigbee协调器节点)向其所属的Zigbee网络广播该节点本次计算的 电压相量实部虚部，通信中同时传输时标信号。各泄漏电流测量单元(Zigbee路由节点) 利用计算得到的泄漏电流相量和接收到的母线电压相量计算获得该容性设备的绝缘介损。5)各分布式泄漏电流测量单元(Zigbee路由节点)通过Zigbee网络将计算的绝 缘介损实时送给主站节点(Zigbee路由节点)。由主站实现各容性设备绝缘的趋势分析和 安全预警。
图1为高压电力容性设备绝缘监测的现场示意图。示意了某个电压等级的母线和 一组高压电容器。母线电压通过电压互感器(PT)测量，分布式母线电压测量单元采集电压 互感器的二次侧输出，位于电子设备间。容性设备泄漏电流通过专门配置的小电流穿心互 感器测量，分布式泄漏电流测量单元放置在容性设备附近，以提高泄漏电流信号传感的可靠性。图2为信号处理流程示意图。通过母线电压测量单元和泄漏电流测量单元的严格 对时实现周期性信号分布采集，将一个周波采样信号延拓获得适应IIRG滤波器组的输入 信号，利用经IIRG滤波器组滤波输出的具有准确相位信息的泄漏电流和母线电压信号，经 傅立叶相量算法计算获得该容性设备的绝缘介损。图3为容性设备绝缘监测系统中Zigbee节点的分类示意图。示意了 Zigbee协调 器节点和Zigbee路由节点的配置。Zigbee节点之间的通信步序按①、②标注。图4为应用举例算例1(正常状态)的信号曲线，左图是泄漏电流和母线电压的一 个周波采样信号，右图是经IIRG滤波器组处理后的曲线，其中黑色曲线是电流、红色曲线 是电压。图5为应用举例算例2 (绝缘劣化状态)的信号曲线，左图是泄漏电流和母线电压 的一个周波采样信号，右图是经IIRG滤波器组处理后的曲线，其中黑色曲线是电流、红色 曲线是电压。
具体实施例方式下面以容性设备绝缘劣化的动模试验数据作为数据源，对本发明做进一步详细说 明。
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以2500Hz的采样率实时采集容性设备的泄漏电流及其母线电压，经过IIRG滤波 器组(由60Hz低通IIR、40Hz高通UR和50Hz点通IIR构成)。设置采集系统定时5秒 周期性启动采样和数据处理，具体启动时刻为卫星时钟(GPQ的整分钟零秒开始。表1为 IIRG滤波器组系数。表1 IIRG滤波器组系数
权利要求
1.一种用于高压电力容性设备绝缘在线监测的高精度信号处理方法，该方法针对容性 设备配置独立的泄漏电流测量单元和母线电压测量单元，两个测量单元实现基于通信的信 号同步采样，具体包括步骤1)分布式泄漏电流测量单元和分布式母线电压测量单元经时钟同步，按周期Tl定时 启动信号采样，采样一个周波OOms)数据，记为S(0)、S(1)、…、S(N-I)；其中Tl取值可以 从几个ms到几十秒，例如取值1秒；2)将一个周波的采样值做周期延拓，获得M个相同周波的数据，记为S(0)、S(1)、…、 S(N-I), ...、S((M-1) XN)、S((M-1) XN+1)、…、S((M-I) XN+N-1)；3)由IIRG滤波器组(主要由40Hz高通IIR、50Hz点通IIR和60Hz低通IIR级联构 成)对延拓后的M个周波采样信号进行滤波处理，滤波后的信号即为理想的工频泄漏电流 和母线电压信号；4)利用相量的傅立叶算法分别计算经UR滤波器组滤波的输出信号，获得基于本次采 样时钟的相量值，包括相量实部、虚部；5)利用分布式泄漏电流测量单元与母线电压测量单元之间的Zigbee无线传感器网络 通信，将母线电压相量的实部、虚部在时间Tl内传送到泄漏电流测量单元；6)泄漏电流测量单元利用本地计算的泄漏电流相量的实部、虚部和经通信接收的母线 电压相量的实部、虚部计算获得该高压容性设备的绝缘介损因数。
2.根据权利要求1所述的IIRG滤波器组配置方法，其特征为IIRG滤波器组由低通 IIR、高通UR和点通UR级联构成，对于50Hz电网而言，低通IIR的截止频率为60Hz、高通 IIR的截止频率为40Hz、点通IIR的中心频率为50Hz。
3.根据权利要求1所述的采样信号延拓预处理方法，该方法实现间歇性采样与IIRG滤 波器组的配合，其特征为根据信号采样率确定UR滤波器组的信号延时Tdelay,需要延拓的 周波数M根据Tdelay计算获得，M彡Tdelay/20ms+2。
全文摘要
本发明涉及在智能电网的设备全寿命周期管理中，针对高压电力容性设备实现绝缘在线监测技术，公开了一种具有高精度、对电磁干扰免疫特征的绝缘介质损耗因数信号处理及计算方法。该方案基于分布式异地同步信号采集，通过定时对高压容性设备的泄漏电流和母线电压做整周波的离散采样，针对高压电力设备的干扰特征，设置由点通滤波器、低通滤波器、高通滤波器和必要的点阻滤波器组成的无限冲击响应滤波器组(IIRG)，通过信号延拓获得与IIRG滤波器组时间常数相适应的输入信号序列，通过IIRG获得50Hz工频信号的滤波输出，通过相量算法，获得高压容性设备泄漏电流和母线电压的相量相位差，进而获得高精度的绝缘介质损耗因数。
文档编号G01R27/26GK102095938SQ20101011938
公开日2011年6月15日 申请日期2010年3月8日 优先权日2010年3月8日
发明者李娟 申请人:北京信息科技大学