（控制理论与控制工程专业论文）管控一体化的电力电缆在线绝缘监测系统设计.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要摘要 世界经济快速发展，使得电力的需求急剧增大，区域停电式预防性试验制度将不 再能满足要求，在这种情况下对电缆的在线检测方法研究逐渐成为国内外关注的热 点。本文以胜利埕岛油田海底电力电缆状况在线监测为背景，展开研究。 本文首先针对国内外现有的电力电缆在线绝缘检测方法进行了研究， 归纳并分析 了各种检测方法的优缺点，并选定介质损耗角正切值检测法为系统的检测方法。在 此基础上对该方法的具体实现和影响tan测量精度的因素做了分析及归纳总结，并 且提出了一种改进的谐波分析法。然后基于胜利埕岛油田环境的特异性，提出了构 建一个“管控一体化”海底电力电缆在线绝缘监测管理信息系统，该系统将现场测 量层、控制监控层和企业管理层三者统一起来，力图实现一个具有良好的数据采集、 滤波性，良好的层间通信性和良好用户体验性的系统。接着根据胜利埕岛油田的具 体情况对系统进行总体架构设计和分层设计，按照各层次分别介绍了硬件平台的设 计需求、控制终端软件的功能需求和基于 j2ee 的 web 管理信息系统的功能需求， 并且在此基础上对层间 rs-485 数据包通信协议、gprs 数据包通信协议、gprs 通 信模块、多串口数据采集模块进行了设计和相关接口实现，最后对构建 web 管理信 息系统的关键技术和模块实现方法进行了论述。 经仿真验证和系统部分功能实现，说明该系统的设计具有良好的可行性，为企业 电力电缆在线绝缘监测系统的设计提供了解决方案和思路。 关键词关键词： 电力电缆在线绝缘监测； 介质损耗角正切值测量法； 管控一体化； 基于 j2ee 的管理信息系统 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with the rapid development of the world economy, production and the people living are on the growing demand for electricity. the regional power-type system of preventive tests which have been used in electric power system will no longer be able to meet peoples demands. in this case, power cable online detection method has gradually become the focus of attention at home and abroad. in this thesis, based on the background of shenglichengdao oilfield undersea power cable online monitoring situation the thesis does the research. in the thesis, first of all, the existing power cable insulation online detection methods at home and abroad are studied and summarized. after analyzed the advantages and disadvantages of various detection methods, we selected tan delta detection method as detection method of the system. based on the concrete realization of the method and the factors that affect the measurement accuracy the thesis makes an improved method of harmonic analysis. then, based on the specific environment of shenglichengdao oilfield, the thesis proposed to build a management control integration undersea power cable insulation online monitoring system, which will integrate the scene surveying layer, control layer and enterprises layer, and make an effort to achieve a good data acquisition, filtering, and a good inter-layer communication and a good user experience. based on shenglichengdao oilfield specific circumstances the thesis does the system design and hierarchical design. hierarchical design introduced the design of the hardware platform needs, the control terminal software needs and the management of j2ee-based web management information system functional requirements. on this basis of above design, the thesis design and interface the inter-layer communication protocol packets, gprs communication module, and multi-serial data acquisition modules and web management information system built module of the key technologies and methods are discussed. simulation verification and realization part of the system show the design has a good feasibility, further it provides solutions and ideas to the enterprise power cable insulation online monitoring system. keywords: power cable online insulation monitoring system, tan delta measure method, management control integration, management information system based on j2ee generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 目前，胜利埕岛油田已建成中心平台三座，井组及单井平台 90 多座；其中，一 号中心平台采用燃气自发电，二号中心平台及埕北 30 中心平台采用 35kv 高压海底 电缆陆上供电，三座中心平台通过 6kv 海底电缆分别向各自卫星平台供电。35kv 电 缆长度约 51km，6kv 海底电缆合计长度约 200km。 海底电力电缆是海上油田的生命线。海底电缆运行环境比陆地上电缆更为复杂， 海水的腐蚀性、海上平台的震动及海中生物的咬食，使得海底电缆的绝缘层比陆地 上电缆的更容易损坏，这样伴随时常发生的过负荷、过电压、局部放电现象很容易 造成电缆的绝缘损坏等故障。电缆的绝缘损坏在电力系统中属于重大事故，极可能 危及人民的生命财产安全，所以为了防止事故发生，长期以来，对于电力系统中运 行的设备，一直都有一种定期进行的预防性试验的制度，这样的制度对保证电力系 统正常运行有很好的作用。但是随着电力系统的不断发展，这种大面积停电的预防 性试验会造成很大的经济损失，对人力和财力也是一种浪费，并且将会严重影响海 上平台的生产和钻井工人的日常生活。因此，开展对海底电力电缆的绝缘性能在线 监测，预测电力电缆绝缘故障的发生，保证电缆健康运行是非常必要和具有现实意 义的。 海底电力电缆在线绝缘监测项目的研制目的就是在线监测海底电力电缆的绝缘 情况，做到“该修则修” ，既能保证电力系统的安全运行，也能最大程度上减少预防 性试验时区域性停电造成的经济损失和人力、财力浪费；不仅能够及时诊断出电缆 损伤和发现潜在的危险，减少高压海底电缆故障对油田生产造成重大影响；而且， 能够通过建立海底电缆在线检测诊断数据库，分析海底电缆故障统计规律，为海底 电缆优化运行和安全防护，延长电缆的使用寿命，减少人工检修次数，奠定科学依 据。 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在“信息化”深入人心的今天，企业的高层管理人员如何更快、更好的获得企 业的生产、运行状况，以此做出生产决策，减少财力人力的支出，将有助于企业的 生存和发展。所以，海底电力电缆在线绝缘监测系统的研制目不仅仅是在线监测海 底电缆的绝缘情况， 更重要的让企业高层管理人员在第一时间掌握电缆的绝缘情况。 贯彻工业以太网“一网到底”的思想，将企业管理级、控制监控级和现场测量级， 统一起来，实现“管控一体化” ，使企业能够创造更好的社会效益和经济效益。 1.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 电力电缆在线绝缘检测方法国内外研究现状及发展趋势 国外（特别是美国） ，从上世纪七八十年代开始使用聚合电缆，这种电缆刚刚出 现的时候其应用效果比预期的要相差很远，虽然经过了多年的发展，现在这种聚合 电缆制作工艺已经比当时要成熟许多，但是电缆的实际使用寿命仍然要远远低于其 预期寿命。研究人员针对这种情况进行研究后发现，影响电缆使用寿命的原因是电 缆在使用后，特别是在使用环境恶劣时，会产生树枝化现象，该现象会加速电缆老 化，最终造成其绝缘击穿。所以，针对上述老化原因，经过长时间的研究，提出了 一系列原理比较完善的在线绝缘检测方法，如直流分量电流法、直流电压叠加法、 交流低频电压叠加法、介质损耗角正切值测量法、局部放电法、接地电流法等，下 面分别对上述方法进行介绍： 1）直流分量法 35kv 以下级别交联聚乙烯绝缘（xlpe）电缆老化过程中会发生树枝化现象，其 在交流正、负半周表现出不同的电荷注入和中和特性，导致在长时间交流工频电压 的反复作用下，水树枝的前端会聚集大量的负电荷，这些负电荷的漂移使得流过电 力电缆外屏蔽层接地线的交流电流中含有微弱的直流成分，检测出这种直流成分即 可进行电缆劣化诊断1。 研究表明，直流成分随着水树枝的发展而增大，且该直流分量与电缆直流泄露电 流互成比例增长。因此，利用该特性在电缆外屏蔽接地端，串入一个用于检测该直 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 流分量的微电流检测装置，并以检测值来判断电缆绝缘老化的方法，称为直流分量 法3。 2）直流电压叠加法 直流电压叠加法的基本原理是在电缆屏蔽层接地线上并联一个直流低压电源。 测量叠加电压后通过电缆外屏蔽层中微弱的直流电流，能够确定电缆绝缘电阻值， 并以此来判断电缆绝缘状况3。 3）交流低频电压叠加法 交流低频电压叠加法的原理和直流电压叠加法基本一致， 但是其叠加的电压源为 2 倍工频的交流电压。 有研究表明， 在同时对含有水树枝的 xlpe 电缆施加 2 个频率 相近或呈倍数关系的正弦电压时，通过微小电流检测后，对其进行傅里叶变换，能 够看到产生的超低频调幅电压波，且树枝化越严重的电缆，产生波形的电压值越高， 用此种方法很容易能够看出电缆的绝缘情况5。 4）介质损耗角正切值测量法 绝缘介质在电压的作用下会有能量损耗，如果介质损耗很大，介质温度会升的很 高，以使表头绝缘性能击穿，因此介质的损耗大小是衡量电力电缆绝缘状况的一个 重要指标1。 电力电缆绝缘tan在线检测方法是对电缆介质角正切值进行在线测量的方法。 理论推导知， 通过测量电网运行中的工频电压信号和电缆绝缘层电流信号的相位值， 可以计算出tan，并以此判断电缆绝缘老化程度78。 5）局部放电法 电力电缆局部放电量和电力电缆绝缘状况有着密切联系， 因此局部放电试验被评 定为 xlpe 绝缘状况的最佳方法，但是由于局部放电仪等检测设备比较昂贵且局部 放电试验的理论基础还不完善，使得这一技术发展缓慢。 近年来，日本、德国、荷兰等发达国家对局部放电法研究有比较重大的进展，提 出了差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容分压法、redi 局部放电测量法、超高 频电容法、超高频电感法、超声波检测法等基于局部放电的方法，相信随着射频技 术的发展，局部放电法将成电力电缆在线绝缘监测的主要方向910。 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6）接地电流法 xlpe 电缆中树枝化现象发展时，在电缆tan值增大的同时，电缆接地线中电容 参数也随之增大。因此测量电缆接地线中电容电流的增量，就可以了解电缆绝缘老 化状况。由于 110kv 以上的电网系统，中性点基本都是采用直接接地方式，所以接 地电流法多用于 110kv 以上电网系统 11 12。 国内在电力系统上使用交联聚乙烯绝缘（xlpe）电缆比国外要晚 20 年，所以其 在线绝缘检测方法研究也相对起步较晚，国内目前使用的检测方法主要还是基于区 域性停电制度的电力电缆预防性试验项目，主要包括电缆绝缘电阻测量和直流耐压 试验。在线检测方法使用较多的也是国外在较早时期提出的直流分量法和直流电压 叠加法。 1.2.2 web 技术国内外研究现状及发展趋势 企业中现在广泛使用基于 b/s 模式的管理信息系统 mis （management information system） ，mis 渐渐不只用于纯软件行业，而是逐渐结合硬件设备的监测，将企业整 个运作流程统一起来，在这样的趋势下，伴随着 web 技术的不断提高，电力电缆在 线绝缘监测系统也逐渐向信息化方向发展。 web 技术起源于美国，1980 年 tim berners-lee 负责开发了 enquire within upon everything 项目，这个项目也是 web 的前身，从 1990 年第一个 web 服务器 nxoc01.cern.ch 开始运行起， web 技术随着 internet 的日益普及进入了飞速发展时期。 从最早只支持静态 html 页面，发展到具有交互能力的动态技术，这个过程 web 技 术仅仅只用了短短的几年时间。动态 web 技术起源于通用网关接口 cgi（comment gateway interface）技术，虽然 cgi 因其开发难度大、性能限制等缺点没有得到广泛 应用，但其推动了 web 技术的向前发展。cgi 后出现了 servlet 技术，servlet 技术是 基于 java 语言创建的，其充分利用 java 语言的优势，在数据库操作和 web 服务器 对客户端多线程管理等方面具有极大的优势，但其开发难度仍然比较大。为了解决 servlet 技术开发难度大的缺点，jsp（java servlet page）技术应运而生，jsp 技术其 实是一种更简单的 servlet 技术。于此同时微软为和 sun 公司对抗，推出了 asp、 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 asp.net 等技术。这些技术将 web 开发推向了高潮13。如今基于 web 技术的管理信 息系统功能越来越强大，一种新的表示层分层模式（mvc 模式）应运而生，其主要 思想是把业务代码和表示层分开，清晰地表示系统结构，降低系统的维护难度。与 此同时众多基于 mvc 模式、关系对象映射模式等开发框架也步入人们的视野，例 如 struts、webwork、struts2、spring、hibernate 等，这些框架不仅使得网页开发更 加规范、安全，也进一步推动了 web2.0 时代的到来，web 技术的发展也必将推动企 业全面进入信息化时代。 相比较而言国内的 web 技术起步比较晚，而且国内的程序开发人员使用的也多 是国外的开源框架，但是就在这种边借鉴边学习的过程中，国内 web 开发技术水平 也有了很大的提高。easyjweb 就是完全由国内开源爱好者开发的一个企业级 java web 应用程序框架，相信在不久的将来国内 web 开发水平能够达到国际一流水平。 1.3 研究内容和设计目标研究内容和设计目标 1.3.1 本文研究内容 本文研究如何在现有电力电缆在线绝缘检测方法上，对现有检测方法进行改进， 并且构建一个“管控一体化”的电力电缆在线绝缘监测系统 pcoim-system（power cable online insulation monitoring system） ，解决现有监测系统由于地理上的分散而 造成数据上的分散， 导致因企业高层管理人员不能很好的掌握电力电缆的运行情况， 而没能合理的调度电网资源造成的经济损失。 该 pcoim-system 包括三个部分，现场测量部分 ss-system（scene surveying system） 、控制终端部分 ct-system（control terminal system）和 web 信息管理部分 web-mis（web management information system） 。要设计实现这样一个“管控一体 化”的监测系统，将要面临 3 个挑战：第一个挑战是如何去除电网运行时的干扰因 素，提取有效的电网波形信号；第二个挑战是如何克服现场地理环境造成的数据分 散性；第三个挑战是如何给用户提供一个友好的工作环境。 为了解决实际应用中的存在的困难，针对所要面临的 3 个挑战，本文确立了如下 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的研究内容： 1）改进现有滤波算法 本文在对国内外现有电力电缆在线绝缘检测方法进行了分析比较后， 确定使用介 质损耗角正切值测量法为本电力电缆在线绝缘监测系统的主要测量方法。由于介质 损耗角正切值通常只有千分之几，加上电网里面的干扰因素较多，如：谐波干扰、 零点漂移、白噪声、系统频率波动等，所以如何去除这些干扰对测量精度的影响， 是获得电缆准确绝缘数据的关键14。现有的介质损耗角正切值测量方法，如：基于 硬件电路的西林电桥法、过零点检测比较法、双向过零点检测比较法和基于软件的 谐波分析法等，都不能很好的解决这些干扰问题，因此本文提出了一种基于谐波分 析法的改进方法来对测量电网波形信号进行滤波。 2）利用 gprs 进行数据通信 由于现场环境的特异性， 管理层的web-mis服务器在陆地上， 而控制层ct-system 和现场层 ss-system 在钻井平台上，这使得管理层和控制层数据通信存在困难，建 立一个良好的通信信道是提供系统优质服务的关键。上述现场地理环境分析知，架 设普通的网络电缆是不实现的，因此在无线通信飞速发展的今天，用无线传输方式 进行数据通信即将成为以后工业控制发展趋势的情况下，本文提出使用 gprs 建立 层间通信信道，进行数据传输。 3）利用 web2.0 相关技术提高用户体验性 如今，基于 b/s 模式的 web 管理信息系统虽然使用比较广泛，但是普遍存在操 作界面不友好，人性化操作不足，用户体验性不强的缺点。本文使用 struts2 + spring + hibernate 框架设计管理层的 web-mis，使用 ajax 等 web2.0 相关技术提高用户体 验性，给用户营造一个友好的工作环境。 1.3.2 设计目标 本文在理论研究的基础上，对 pcoim-system 进行详细设计，并且提供主要功能 的实现方法，并力争使之具有一下几方面特性： 1）利用改进的滤波算法对经过采样、a/d 转换的电网波形信号进行优质滤波， generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 从而提取其基波波形。 2）利用 gprs 在控制层与管理层间建立良好的通信信道，从而得到可靠的数据 传输服务。 3）利用 web2.0 相关技术给用户营造一个环境友好型、具有良好用户体验的工作 环境。 1.4 论文内容安排论文内容安排 第一章在介绍项目来源、背景及电力电缆在线绝缘监测系统研发的意义后，介绍 了这一领域国内外的发展现状及趋势，简要阐述了搭建“管控一体化”的 pcoim-system 所面临的挑战和解决问题的思路。 第二章在比较国内外现有测量方法后，选定使用tan测量方法作为系统的检测 方法， 并对现有的tan测量方法进行了分析， 之后对其中的谐波分析法进行了改进， 达到更好的滤波效果。 第三章对 pcoim-system 进行了总体设计，并分别对 ss-system、ct-system 和 web-mis 的功能需求予以总体叙述。 第四章对 ct-system 的主要功能模块予以描述，包括 gprs 通信程序、多路串口 数据采集程序的实现、ct-system 界面设计和控制层与管理层之间通信协议的设计。 第五章对 web-mis 的功能模块予以详细设计并提供关键技术的实现方法。 第六章对论文内容进行了总结，提出了进一步的研究方向。 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2tan数字化测量方法研究数字化测量方法研究 2.1 测量方法比较及选定测量方法比较及选定 1 . 2 . 1 节中所提及到的 6 种电力电缆在线绝缘检测方法，各有优缺点，表 2 . 1 将 对其进行比较，以便为本系统选用合适的方法，电力电缆在线绝缘检测方法比较如 表 2 . 1 所示13581012： 表 2.1 电力电缆在线绝缘检测方法比较 方法 特征 优点 缺点 直流分量法 直流分量有可能反映劣 化的绝对值。 接线简单，不需要 专门的电源装置， 不接触高压部分 直流泄露电流值在纳安 级别，容易受到杂散电流 与护层绝缘电阻的影响； 测量时需要断开电缆中 性点接地线。 直流电压叠 加法 测得反映劣化的绝对值， 可能检测局部损坏。 抗干扰能力较强， 能够确切地检测出 贯 穿 水 树 枝 地 存 在。 需要叠加电源；测量时需 要断开电缆中性点接地 线。 交流低频电 压叠加法 通过微小先留检测后，进 行傅里叶变换后，能够看 到超低频调幅电压波，容 易看到电缆的绝缘情况。 树枝化越是严重， 检测效果越好。 需要叠加电源；需要微小 电流检测装置；测量时需 要断开电缆中性点接地 线。 tan法 在运行电压下能检测劣 化。 对于普遍性缺陷反 映较好。 不适合用于发现个别集 中性缺陷。 局部放电法 能检测出缺陷处发生的 局部放电。 检测效果好。 检测设备价格昂贵，且目 前检测技术还有待发展。 接地电流法 检测电缆接地线的电容 电流的增量。 只需要在接地线上 套以电流互感器、 检测简单。 需要研制合适的小电流 互感器； 多用于 110kv 以 上级别的电网系统。 胜利埕岛油田使用的是 35kv 及以下级别电力电缆供电，且钻井平台对电力系统 的安全运行要求比较高，对于测量是需要断开电缆中性点接地线的测量方法，如果 电网中的安全保护电路存在缺陷，测量时一旦是发生单相故障产生的中性点不平衡 造成过流现象，会产生严重的安全事故15，所以测量时需要断开电缆中性点接地线 的直流分量法、直流电压叠加法和交流低频电压叠加法被排除；而局部放电法由于 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 其检测设备极其昂贵，且检测技术还有待发展，所以不列入考虑；接地电流法虽然 接线方法比较简单，测量时也不需要断开电网接地端，但是符合要求的小电流互感 器市面上还不常见，而且接地电流法多用于 110kv 以上电网，因此也被排除。最后 剩下介质损耗角正切值检测法，由于其接线方法比较简单，测量时不需要断开中性 点的接地线，在安全性上也符合要求，所以本文选用介质损耗角正切值测量方法为 系统检测方法。 2.2 介质损耗角基础知识及介质损耗角基础知识及tan测量方法测量方法 2.2.1 介质损耗角的基本概念 按电介质的物理性质通常有三种电介质损耗形式：漏导损耗、极化损耗、局部放 电损耗，绝缘材料的介质损耗通常是指漏导损耗和极化损耗之和。 在直流电压下，可用泄露电流的大小来反映电介质的损耗，而在交流电压下，通 常用介质损耗角正切值来表示。在交流电压下，电力电缆的实际等效并联电路图和 电压电流相量图，如图 2.1、2.2 所示1： 图 2.1 电力电缆并联等效电路 图 2.2 电缆电路电流电压向量关系图 由图 2.1、图 2.2 可知： 1 tan r cgg i ir c = （2.1） tan r g uip uiq = （2.2） generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 () 2 iu = （2.3） 由式（2.1） 、式（2.2） 、式（2.3）分别可以得出： 1）tan的计算公式； 2）tan表示了绝缘材料中的有功功率和无功功率的比值； 3）就是流过绝缘材料的电流与绝缘材料上所施加的电压相位差的余角。 2.2.2 介质损耗角测量方法 介质损耗角的测量方法的来源于式（2.1）和式（2.3） ，式（2.1）和式（2.3）代 表了两种测量方式。式（2.1）中tan能够直接由电缆的绝缘电阻和电容计算得出， 这种测量方法最为直观，所以由其支持的西林电桥测量方法是最早测量tan的方 法。 1）西林电桥法 西林电桥是一种交流电桥，其原理接线图如图 2.3 所示16： 图 2.3 西林电桥原理接线图 图 2.3 中 u 为工频电源，cn为无损标准电容，r3、r4为无感电阻，被测电缆阻 抗为 zx，图中用 rx和 cx并联电路表示。调节 r3、c4，使电桥达到平衡，则有： 423x zzzz= （2.4） generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 求解式（2.4）可得出式（2.5） ： 44 1 tan xx c r c r = （2.5） 西林电桥法虽然能够直接测得tan，但是其电路本身也存在缺陷，容易受到杂 散电流和电源磁场干扰，即使是在 a、b 点对地进行屏蔽后，cx引线电容也会造成 介质损耗角正切值测量误差增大，影响测量结果，而且调节电桥平衡本身不是一件 很容易的事情，对操作人员的要求比较高17。所以在这种情况下，国内外纷纷研究 数字化测量方式，最早的数字化测量方法是基于硬件实现的，最具代表的就是过零 点检测比较法。 2）过零点检测比较法 过零点检测比较法来源于式（2.3） ，其主要原理是：测量施加在电缆绝缘材料上 的工频电压 u 和流过绝缘材料电流 i 波形信号过零点的时刻1t和2t，求得两者之间 的相位差2 t t = 18。 测量原理图，如图 2.4 所示： 图 2.4 过零点检测比较法原理图 从图 2.4 知，要得到t只需要测量经过逻辑变换的方波高电平的脉宽。一般采用 单片机外加高频脉冲来测t， n t f =，测得的分辨率为 2 tf ，其中 n 脉冲个 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 数，f为外加高频脉冲频率，t 为工频周期。 过零点检测比较法操作起来比较简单，但是由于实际电网中含有直流干扰、谐波 分量和零点漂移现象，所以测量值和实际值会有比较大的偏差。针对直流干扰和零 点漂移现象后来提出了双向过零点检测比较法，能将误差减少 10%19。 3）谐波分析法 上面介绍的西林电桥法、过零点检测比较法、双向过零点检测比较法都是基于硬 件实现的。现在计算机迅速发展，cpu 运算速度越来越快，使用软件编程方法处理 数据是数字信号处理的发展趋势。 使用软件分析处理数据， 硬件只需要完成采样和 a/d 转换， 通过编写上位机软件 算法处理干扰、谐波影响，这样能够大大减少硬件成本，调试程序也变得更为方便。 目前正在研究的软件法有正弦波参数法、高阶正弦拟合法、相关分析法和谐波分 析法20。 传统的谐波分析法的测量过程是同步采样施加在电缆绝缘材料上工频电压和绝 缘材料中电流的波形信号，然后经过离散傅里叶变换 dft（discrete fourier transform） ，得出波形信号中基波分量，从而求出，式（2.6） 、 （2.7）给出电网电 压和电流信号的时间表达式： ( )sin()kuk k u tuk t=+ （2.6） ( )sin()kik k i tik t=+ （2.7） ( )u t经过采样（采用周期为 t，采样的点数为 n） ，离散傅里叶变换之后，频域表 达式如式（2.8）所示： 2 1 0 2 ( )sin() k n jnt n kuk n k u kunte n = =+ g k = 1, 2, 3, n-1 （2.8） 由式（2.8）知，当 k=1 时，为基波分量的频域特性，可以得到其初相角u，同 理可以得到电流基波分量的初相角i，则() 2 iu = 21。 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2.3 现有介质损耗角测量法优缺点比较 从 2.2.2 节的分析看出，介质损耗角的测量方法实现主要分为硬件电路实现和软 件编程实现，硬件电路实现主要有西林电桥法、过零点检测比较法、双向过零点检 测比较法；软件编程实现主要有正弦波参数法、高阶正弦拟合法、相关分析法和谐 波分析法。 下面将上述几种方法的优缺点进行分析概括，如表 2.2 所示1618192021： 表 2.2 介质损耗角测量方法比较 检测方法名称 优点 缺点 西林电桥法 西林电桥法是最早用来测量tan的方 法，该方法具有直观的特点，调节电桥 平衡，立即可得出tan。 电桥容易受到杂散电流干扰， 即使采取屏蔽也可能有电磁 场干扰； 调节电桥平衡具有一 定难度， 需要经验丰富的操作 员。 过零点检测比 较法 过零点检测比较法是最早出现的数字 化测量tan的方法，该方法依赖硬件 电路实现，操作简单。 过零点比较法测量法对谐波 干扰非常敏感， 比较电压和总 电流过零点较难保证测量精 度； 不能很好的解决温度影响 而产生零点漂移现象而影响 测量精度。 双向过零点检 测比较法 双向过零点检测比较法是过零点检测 比较法的改进版，能够很好的解决谐波 干扰和零点漂移现象，测量精度比较 高。 硬件电路部分较为复杂， 提高 了测量成本。 正弦波参数法 由于电网波动， 同步采样比较 困难，会因谐波造成误差。 高阶正弦波拟 合法 高阶正弦波拟合法能够克服电网非同 步采样带来的影响。 计算量很大。 相关分析法 相关分析法能够减少采样点数，简化硬 件设计。 受噪声影响， 应用前需要预先 进行去噪声处理。 谐波分析法 谐波分析法是使用软件算法对采集的 信号进行分析，从而得出其基波分量， 计算，不受直流分量和谐波存在的干 扰，而且其硬件电路简单，节约了测量 成本。 由于电网波动， 同步采样比较 困难， 从而造成误差， 并且离 散傅里叶变换（dft）计算比 较复杂。 2.2.4 分析影响tan测量值的因素 从 2.2.3 节的分析，可以将影响tan测量值的因素分为两类，一是基于硬件测量 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 方法的影响因素；二是基于软件测量方法的影响因素。 1）基于硬件测量方法的影响因素有： （1）杂散电流、电磁场干扰； （2）电网中谐波分量干扰、零点漂移现象。 2）基于软件测量方法的影响因素有： （1）采样频率和采样精度（a/d 转换的量化误差） ； （2）电网频率波动使得很难达到同步采样，从而引起频谱泄露和栅栏效应，造 成信号初相角有很大差异，并最终影响测量准确度22。 2.3 改进的谐波分析法改进的谐波分析法 2.3.1 分析影响基波分量提取的因素 从 2.2.3 节介绍谐波分析法可知谐波分析法的精髓在于提取电网波形信号的基波 分量。 原始的谐波分析法使用 dft 对电网波形信号进行分离， 然后提取其基波分量， 但是电网中的各种影响因素使得该方法提取的基波分量与实际基波分量存在一定误 差。 经过查阅文献了解到对基波分量的提取产生影响的因素有：a/d 量化位数的影 响、采样频率的影响、采样点数的影响、谐波的影响、电网频率波动的影响、零点 漂移的影响和白噪声的影响2324。 下面逐一分析上述影响因素： 1）a/d 量化位数的影响 a/d 量化位数的影响主要来自于离散化采集的连续信号时，量化位数越多，量化 精度越高，但是增加量化位数的同时也使得计算复杂度增大，使得转换速度下降， 从文献24中得知使用 12 位的量化位数，能够很好的满足介质损耗角测量精度。 2）采样频率的影响 通过奈奎斯特采样定理知道，如果要重建采样信号，其采样频率需要大于原信号 中频率的最大值的 2 倍。电网中基波分量的频率为 50hz，同时电网中还存在 3 次、 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 次等高次谐波分量， 为了满足奈奎斯特采样定理采样频率应该要很大， 但是电网信 号中只有基波是需要的，所以只要基波分量能够完全重建即可，所以采样频率仍然 选用普遍使用的 1khz。 3）采样点数的影响 采样点数越多，信号的精确地越高，但是同样提高采样点数会带来计算复杂度的 增加，经过仿真采样点数为 200 时就能够满足要求。 4）谐波的影响 电网中谐波影响主要为 3 次谐波和 5 次谐波影响，谐波使得测得波形产生畸变， 可以使用离散傅里叶变换、fir 等滤波方式分离谐波分量。 5）零点漂移的影响 零点漂移主要由温度、湿度等影响造成电网波形中含有直流分量，从而使得波形 产生位移，可以使用离散傅里叶变换、fir 等滤波方式分离直流分量。 6）电网频率波动的影响 电网频率波动的影响主要是使得电网波形信号变成非平稳信号， 即电网频率随时 间的变化而变化，这种影响单纯使用离散傅里叶变换、fir 等滤波方式不容易滤去， 所以考虑使用小波变换滤去影响。 7）白噪声的影响 白噪声影响与电网频率波动影响相似，都是使得电网波形信号变成非平稳信号， 也需要考虑使用小波变换滤除影响。 查阅文献，有多种谐波分析法的修正方法，如：基于加汉宁窗插值的谐波分析法 24、 基于卡尔曼滤波和加窗插值的谐波分析法25和自适应调整采样频率修正 tan的 谐波分析法26等，以上方法能够很好的解决上述前 6 点影响，但是仍没能很好的解 决白噪声产生的影响。本文提出一种基于小波变换和凯泽窗插值的方法对电网信号 进行滤波处理。 2.3.2 基于小波变换和凯泽窗插值的谐波分析法 小波变换与傅里叶变换不同，其在空间域和时间域都是局部变化的。小波变换的 generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 思想是将信号通过不同的高通和低通滤波器族，分别对高频和低频信号进行处理， 重复上述动作，分离信号中不同频率成分27。 例如，如果对含有噪声的信号进行三层小波分解，得到 112213321scacdcacdcdcacdcdcd=+=+=+，a 部分为低频部分，d 部 分为高频部分，这样通过门限阈值对小波系数进行处理后，对处理过的小波系数做 逆变换重构信号，就能获得所需信号。门限阈值有软阈值处理和硬阈值处理两种方 式，这两种处理方式的差别在于：前者只保留较大的小波系数而将较小的置零；而 后者将较小的作线性化处理，著名的阈值形式有2log n tn= 28。 凯泽窗最早是由 j.f.kaiser 在 1966 年提出的，凯泽窗是一个可调的近似最大能量 比连续时窗函数，现在被广泛用于数字滤波器设计30。凯泽窗函数如式（2.9）所示： 2 0 0 2 1 (1) 1 ( ) ( ) n i n n i = （2.9） 式（2.9）中0( )ix是第一类修正零阶贝塞尔函数，可以通过截取无限序列 2 0 1 () 2 ( )1 ! k k x ix k = = +计算。n 是滤波器的阶数，调整值可以改变( )n频谱主瓣的 宽度和旁瓣的幅度，越大，旁瓣越小，但是主瓣宽度也相应增加。=5.44 的曲线 接近于汉宁窗，=8.5 的曲线接近于布莱克曼窗 31。 下面使用 matlab 对信号滤波模块进行仿真，具体步骤如下： 1）使用 fdatool 设计凯泽窗数字滤波器。 采样频率 s f 为 1khz，截止频率 1c f 为 49、 2c f51hz，值为 8，n 值为 40，则凯 泽窗的时域曲线图和幅频特性如图 2.5 所示： generated by foxit pdf creator foxit software for evaluation only. 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.5 凯泽窗的时域曲线图和幅频特性图 2）模拟离散化后的电网信号，并将其通过 3 层分解的小波变换，然后进行凯泽 窗插值。 简单起见，电网波形信号只取基波、3 次谐波、5 次谐波、直流分量和高斯白噪 声，3 次谐波分量为基波的 10