CN102565542B - 基于iec61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变电站中基于IEC61850-9-2采样标准的容性设备介质损耗在线监测方法。本发明实现了智能变电站中基于IEC61850-9-2标准采样的介损测量。通过光纤B码对时实现参考电压与泄漏电流的同步采集，通过高精度零磁通互感器和16位AD实现对泄漏电流的采集，通过重采样算法和软件频率跟踪算法实现对干扰信号的剔除以及整周期采样，实现容性设备介质损耗的高精度在线监测。采用本发明的方法，解决了智能变电站中基于数字化采样的介质损耗测量问题。

Description

基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法

技术领域

本发明属电力设备在线监测技术领域，更准确地说本发明涉及智能变电站中基于IEC61850-9-2采样标准的容性设备介质损耗在线监测方法。

背景技术

2010年以来，智能变电站的建设已逐步成为新建变电站的主流，而且将来将引来爆发式的增长。智能变电站建设中强调通过对一次设备状态的在线监测，逐步实现一次设备的状态检修和故障的及时预警，做到少检修、免维护，避免由于设备故障引起的停电事故和人员伤亡。电容型电力设备在输变电***中占有很大的比例，如变压器套管、避雷器等，这些电力设备在运行过程中受到电、热、恶劣环境等因素的作用而发生老化，绝缘性能下降，成为事故隐患。介质损耗是反映电容型电力设备绝缘状况的重要绝缘指标，对电力设备的稳定运行具有十分重要的作用。加强容性设备的在线监测具有巨大的社会和经济效益。

容性设备介质损耗测量原理如图1所示。介损测量采集母线PT的电压信号Un经电压互感器变换为低电压等级的交流电压信号U1及被测电容型设备Cx的末屏电流信号经高精度微电流传感器(CT)产生的U2信号。U1和U2通过电缆接入介损测量单元的调理电路和AD采样电路，在CPU的控制下，U1及U2的信号采集***同时启动，对传感器输出的模拟电压信号进行同步采样，然后计算出电容型设备末屏电流信号Ix相对于母线电压Un的相位差Ph，从而获得介质损耗tanδ和电容量Cx等参数。测量单元的同步采样控制技术、微电流的采样精度、频率跟踪及谐波及干扰信号的剔除是保证介损测量精度的关键。

文献一《电容型电力设备介质损耗在线监测方法及装置》(中国专利申请号200410026133.2)披露了一种在线监测电容型电力设备介质损耗的方法和装置。该方法将变电站母线电压的电压互感器信号及安装在设备接地线上的高精度微电流传感器信号通过电缆接入监控室的计算机PCI采集卡中进行计算。该方法存在以下问题：一是没有进行电网频率跟踪，不能保证整周期采样，存在栅栏效应和泄漏效应，给计算的频谱尤其是给相位带来较大的误差；二是电压信号和末屏电流信号未能进行就地化采集，而是通过电缆拉到监控室的计算机进行处理，由于互感器输出的是弱信号，不适于长距离的传送，而且容易受外界信号的干扰；三是AD转换芯片采用8位的分辨率不能满足泄漏电流的微弱信号测量精度要求；四是不符合智能变电站的数字化采样的要求，母线电压的测量不能满足通过合并单元进行采样，不适合智能变电站的设计要求。

在智能变电站中，对于电压和电流信号的测量，已广泛采用合并单元将信号就地进行数字化，通过IEC61850-9-2标准以光纤为通信介质将测量的原始采样值传送给测量、保护、录波、动态向量等功能单元。不再采用电缆铺设的方式将电压、电流等模拟信号接入测量保护单元。在智能变电站设计中，基于统一考虑将不会为介损测量单元单独铺设电缆采集电压信号。而介损测量单元需要母线PT的电压信号，这给传统的介损在线测量单元的应用带来了问题。必须研制新一代的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测单元。

文献二《基于DSP的容性设备介质损耗因数在线监测方法》(电力***自动化2004年10月号第28卷第19期第71页)披露了一种基于DSP的容性设备介质损耗在线监测方法。该方法考虑了影响测量精度的信号干扰、谐波影响和电网频率波动影响等因素。但其采样为传统的模拟量采样，其介绍的频率跟踪算法不适用于基于IEC-61850-9-2标准的数字化采样要求。

文献三《基于加汉宁窗插值的谐波分析法用于介损角测量的分析》(电力***自动化2006年1月号第30卷第2期第81页)披露了一种加汉宁窗插值的谐波分析法可减轻非同步采样对介质损耗角测量的影响。首先该方法同样是基于模拟量采集不适用于基于数字化采样的智能变电站。其次未进行频率跟踪，其介绍的基于加汉宁窗插值的谐波分析法只是减轻非整周期采样对介质损耗角测量的影响，并未通过频率跟踪实现整周期采样。

发明内容

本发明的发明目的是：

1、智能变电站中，采集母线PT电压通过合并单元就地采集，不能满足目前介损测量单元通过电缆方式接入模拟信号的要求，本发明需解决智能变电站中基于IEC61850-9-2标准采样的介损测量方法；

2、采集母线PT电压与采集泄漏电流的合并单元不是同一个合并单元，怎样保证2路信号的同步采集是精确测量介质损耗的关键；

3、怎样抑制信号中的直流漂移以及电网的3次、5次、7次谐波对介质损耗角的测量精度的影响；

4、在电网频率波动的情况下，基于IEC61850-9-2标准采样的介损测量单元如何实现频率跟踪，防止频谱泄漏和栅栏效应。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)在容性设备接地线上套接高精度零磁通泄漏电流互感器，将互感器输出的电压信号接入就地安装的介质损耗测量单元，根据B码输出的分脉冲信号启动泄漏电流的AD采样；

2)将母线或线路参考电压通过合并单元进行就地测量，介质损耗测量单元通过光纤接入合并单元采集的IEC61850-9-2标准的参考电压采样值信息；对采样值进行重采样并进行傅里叶变换，计算出幅值、相角和频率，调整重采样频率，进行频率跟踪；

3)根据步骤1)采集的泄漏电流采样信号进行傅立叶变换，算出泄漏电流的相位和幅值，结合步骤2)算出的同一时刻的参考电压的幅值和相位算出介质损耗值。

前述的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于：所述步骤2)中重采样的算法为：设fs为合并单元采样频率，Ts为相应的采样周期，fs′为介损测量单元重采样频率，Ts′为相应的重采样周期，则

${\mathrm{Ts}}^{\′}=\frac{\mathrm{fs}}{{\mathrm{fs}}^{\′}}\mathrm{Ts}$

T(n)＝T(n-1)+Ts′

T(n)为插值点位置，浮点数T(n-1)为前一点插值点位置，设m是小于T(n)的最大整数，并设浮点数u＝T(n)，则线性插值公式如下：

x′(n)＝x(m)*(m+1-u)+x(m+1)*(u-m)

式中，x′(n)为重采样序列中的第n点，x(m)为原采样序列中的第m点数值，x(m+1)为原采样序列中的第m+1点数值。

前述的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤2)中，频率跟踪的步骤如下：

21)对参考电压信号Ux进行整周波的傅里叶变换；

22)对傅里叶变换结果进行滤波处理；

23)利用滤波后的基波向量计算相邻周波的相位差

24)利用相位差计算频率变化

25)计算出原信号频率f＝f_s-Δf；

26)根据计算出的最新的频率值，调整重采样间隔，返回步骤21)。

前述的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于：同一时刻的参考电压的幅值和相位的获取是通过站内时钟授时单元通过2路光纤B码对时信号分别接入合并单元和介质损耗测量单元实现对参考电压以及泄露电流信息的同一时间断面的信息采集。

本发明所达的有益效果：在本发明中，披露了一种根据基于数字信号采样的介质损耗测量方法，采用基于全站GPS对时的B码对时实现同步采样，利用高精度零磁通泄漏电流互感器和高分辨率AD保证高精度采样，利用傅立叶变换和频率跟踪算法保证测量精度。采用本发明的方法，可以解决目前智能变电站建设中基于全站数字化采样的容性电力设备介质损耗测量问题。并提出了一种由于数字化采样带来的同步采样、频率跟踪等关键技术解决方案。该方案中基于光纤B码对时的对时误差小于1μs，频率的测量精度达到0.003Hz，完全满足介质损耗的测量要求。通过对泄漏电流的就地化采集、高精度互感器和高分辨率AD芯片的使用保证了测量的精度和稳定性。较传统的测量方式避免了由于小信号长距离传送带来的信号衰减和易受外部干扰等问题。另外，就地的数字化采集，使用光纤取代电缆，可以节约变电站建设的成本，提高信息的共享，符合智能变电站的节约环保等理念。

附图说明

图1是传统容性电力设备介质损耗测量原理图；

图2是用本发明实施的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗测量***组成及结构框图；

图3是说明实现本发明的介损测量装置的核心板件硬件结构图；

图4是说明用程序实现本发明的介损测量方法的算法流程图。

具体实施方式

基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，介损测量单元通过与合并单元以IEC61850-9-2标准通信方式采集参考电压信号，通过光纤B码对时实现参考电压与泄漏电流的同步采集，通过高精度零磁通互感器和16位AD实现对泄漏电流的采集，通过重采样算法和软件频率跟踪算法实现对干扰信号的剔除以及整周期采样，实现容性设备介质损耗的高精度在线监测，包括以下步骤：

1)在设备接地线上套接高精度零磁通泄漏电流互感器，将互感器输出的电压信号接入就地安装的介质损耗测量单元(U1)，用于测量容性设备的泄漏电流信号，U1具有B码对时接口，利用B码输出的分脉冲信号启动AD采样；

2)将U1的交流采样(SV)接口(光纤口)通过光纤接入采集参考电压的合并单元输出接口或相应的交流采样网络(SV网)，其采集的采样值信息带有时标；

3)在U1中基于时标信息对齐泄漏电流信号和参考电压信号，由于目前合并单元采用的是80点/周波的采样频率，需要进行重采样，根据重采样数据进行频谱分析等信号处理方法求出角差、泄漏电流、频率、电容量等参数，最后根据计算出的频率调整重采样间隔，实现整周期采样，提高测量精度和稳定性。具体算法如下：

31)对合并单元的原始数据进行重采样：

设fs为合并单元采样频率，Ts为相应的采样周期，fs′为介损测量单元重采样频率，Ts′为相应的重采样周期，则

${\mathrm{Ts}}^{\′}=\frac{\mathrm{fs}}{{\mathrm{fs}}^{\′}}\mathrm{Ts}$

T(n)＝T(n-1)+Ts′

T(n)为插值点位置，一般为浮点数，设m是小于T(n)的最大整数，并设浮点数u＝T(n)，则线性插值公式如下：

x′(n)＝x(m)*(m+1-u)+x(m+1)*(u-m)

32)重采样结束后进行傅立叶变换，计算出幅值和相角，

傅立叶变换结果可表示为：

$U_x=U_o+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{km}}\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\α}}_k)$

$I_x=I_o+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{km}}\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\β}}_k)$

式中，Ux为测量的参考电压，U_o为其直流分量，U_km为其各次谐波的幅值，α_k为各次谐波的相角。I_x为测量的泄露电流，I_o为其直流分量，I_km为其各次谐波的幅值，β_k为各次谐波的相角，k为谐波次数，N为最大谐波次数，t为时间，ω为信号角频率。

求出电压、电流基波相角α₁和β₁后，可得介损角：

tanδ＝tan[90°-(β₁-α₁)]

33)进行频率跟踪，步骤如下：

331)对参考电压信号Ux进行整周波的傅里叶变换；

332)对傅里叶变换结果进行滤波处理；

333)利用滤波后的基波向量计算相邻周波的相位差

334)利用计算频率变化

335)计算出原信号频率f＝f_s-Δf；

4)根据计算出的最新的频率值，调整重采样间隔，返回步骤1)。

下面是本发明的一个优选实施例，包括了采用本发明的方法实现的一个具体的基于61850-9-2标准的介质损耗测量单元。本发明的其它的特征、目的和优点也可以从实施例的说明和附图中看出。

从附图2中可以看到，容性设备介质损耗测量***包括了互感器、时钟单元、合并单元、介质损耗测量单元、综合监测单元或站端监测单元。时钟单元通过无线时间基准或有线时间基准信号接收对时信息。将产生的光纤B码对时信号通过光纤传给合并单元、介质损耗测量单元和其它需要对时的装置。合并单元就地安装在户外柜中，将参考电压信号就地转换为数字信号送给介质损耗测量单元以及测量保护装置。介质损耗测量单元接受B码对时信号，采集泄漏电流信号并完成与参考电压信号的同步和介质损耗量的计算等。介质损耗单元将计算结果及数据上送给站控层监测***或综合监测单元。

附图3是介质损耗测量装置核心板件的硬件架构图。图中高性能嵌入式处理器PowerPC负责2路串行接口，其中1路为RS232调试口，另外一路为用于采用RS485通信的站控层***通信接口。光纤以太网通信口1用于与变压器智能组件主智能电子设备或站控层分析***进行通信接口。光纤以太网通信口2用于与合并单元的IEC61850-9-2标准通信。PowerPC处理器同时还完成介质损耗算法的计算和与外部的通信程序。FPGA实现装置的对时***和AD信号的同步采样。外部FLASH用于程序的存储。

附图4是介质损耗测量单元的嵌入式处理器中应用程序的流程图。在流程图中分为两个模块一个是参考电压的向量角度、幅值和频率计算模块。另一个模块是泄漏电流的相角、幅值以及介质损耗计算模块。

第一个模块中的介质损耗测量单元与合并单元通信子程序将接收到的IEC61850-9-2标准的参考电压存入缓存区①，对缓存区IEC61850-9-2数据进行解析提取整分时刻的原始采样数据②，对原始进行重采样值③并对重采样数据进行频谱分析和滤波，计算出整分时刻的基波向量的幅值和相角④。根据上一个周波的相角信息计算出相角差，根据相角差计算出当前计算频率与实际频率的差值，根据频差修正当前计算频率⑤。根据当前计算频率调整电压信号的重采样频率和泄漏电流的采样周期⑥。

第二个模块根据模块一中步骤⑥计算出的采样频率和B码对时信息在整分时刻启动泄漏电流的采样⑦。对采样数据进行傅里叶变换，计算出基波向量的幅值和相角⑧。等待第④步的计算结果，获取同一时刻参考电压的相位信息，计算出介质损耗。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)在容性设备接地线上套接高精度零磁通泄漏电流互感器，将互感器输出的电压信号接入就地安装的介质损耗测量单元，介质损耗测量单元根据B码输出的分脉冲信号启动泄漏电流的AD采样；

2)将母线或线路参考电压通过合并单元进行就地测量，介质损耗测量单元通过光纤接入合并单元采集的IEC61850-9-2标准的参考电压采样值信息；对采样值进行重采样并进行傅里叶变换，计算出幅值、相角和频率，调整重采样频率，进行频率跟踪；

3)根据步骤1)采集的泄漏电流采样信号进行傅立叶变换，算出泄漏电流的相位和幅值，结合步骤2)算出的同一时刻的参考电压的幅值和相位算出介质损耗值，

所述步骤2)中重采样的算法为：设fs为合并单元采样频率，Ts为相应的采样周期，fs′为介质损耗测量单元重采样频率，Ts′为相应的重采样周期，则

${\mathrm{Ts}}^{\′}=\frac{\mathrm{fs}}{{\mathrm{fs}}^{\′}}\mathrm{Ts}$

T(n)＝T(n-1)+Ts'

浮点数T(n)为当前插值点位置，浮点数T(n-1)为上一点插值点位置，设m是小于T(n)的最大整数，并设浮点数u＝T(n),则线性插值公式如下：

x'(n)＝x(m)*(m+1-u)+x(m+1)*(u-m)

式中，x'(n)为重采样序列中的第n点数值，x(m)为原采样序列中的第m点数值，x(m+1)为原采样序列中的第m+1点数值；

在所述步骤2)中，频率跟踪的步骤如下：

21)对参考电压信号Ux进行整周波的傅里叶变换；

22)对傅里叶变换结果进行滤波处理；

23)利用滤波后的基波向量计算相邻周波的相位差

24)利用相位差计算频率变化

25)计算出原信号频率f＝fs-Δf；

26)根据计算出的最新的频率值，调整重采样间隔，返回步骤21)。

2.根据权利要求1所述的基于IEC61850-9-2标准的容性设备介质损耗在线监测方法，其特征在于：同一时刻的参考电压的幅值和相位的获取是通过站内时钟授时单元通过2路光纤B码对时信号分别接入合并单元和介质损耗测量单元实现对参考电压以及泄漏电流信息的同一时间断面的信息采集。