变电站容性设备介损在线监测系统的设计与实现

变电站容性设备介损在线监测系统的设计与实现

0在线监测的应用高压设备的安全运行是影响能源系统、稳定和运行的重要因素。高压设备的运行不仅会造成设备本身的损坏，还会造成许多损失。据文献统计,“八五”期间,我国主要电网中由于电气设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的26.3%。目前,我国变电站电气设备的检测工作,主要仍按《电气设备预防性试验规程》要求定期进行预防性试验。根据试验的结果来判断设备的运行状况,从而确定其是否可以继续投入运行。长期以来坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用,但随着电力系统大容量化、高电压化和结构复杂化,对电力系统的安全可靠性指标要求也越来越高。这种传统的试验与诊断方法已越来越不适应,主要表现在:试验时需要停电、试验周期长、试验时间集中、工作量大。且离线测试与运行测试存在诸多偏差和不确定因素,在现场曾多次发生预防性试验合格后不久,设备发生事故。从上世纪90年代开始,出现以数字采集、传输和处理技术为核心的在线监测系统,监测内容丰富、信息量大、处理速度快,代表了当今在线监测的发展方向[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。本文研发的变电站容性设备在线监测系统采用全球定位系统(GPS)进行高精度的同步授时采样,利用紫蜂(Zigbee)网络进行变电站内的数据传输,能够在线实时、准确监测套管的介损和电容量,专家软件根据建立的分析模型及时进行预报警,可有效地发现容性设备的整体受潮劣化变质以及局部缺陷等,能够起到事故预知的作用。1系统的原则和一般结构1.1容性设备局部缺陷绝缘材料的介质损失角正切(tanδ)是反映高压电气设备绝缘性能的一项重要指标,通过测量相角差δ可发现电力设备绝缘系统的整体性缺陷或较大的集中性局部缺陷。由于实际运行的容性设备并非理想介质,故此流经末屏的电流与容性设备高压端电压的相位差将<π/2。介损在线测量是通过同时取样被测设备的泄漏电流i和CVT(或TV)二次电压U,然后经过专门的相位差计算程序,计算出δ和tanδ。电容量C=i/fkU,式中k为CVT(或TV)电压比,f为频率。1.2基于模拟的数字量的监控整个系统由省级监控中心、变电站监控中心、Zigbee无线网络通信和现场监测分机等4部分组成,系统拓扑图见图1。现场监测分机采集的泄漏电流模拟量,经过放大、补偿等处理后,由监测终端设备的A/D(模拟/数字)转换单元转换为数字量,经过NiosII数据处理单元处理,由Zigbee无线网络模块传输至监控中心,由专家软件将数据存放在SQLServer数据库中,并可以通过专家软件实现对设备运行状态的显示和打印、分析和诊断。监控中心通过Zigbee无线网络来控制现场采样单元,并完成数据的读取。2gps和zig碧的性能2.1伪随机码使用GPS由均匀分布在6条轨道上的24颗卫星(其中3颗备用)组成,在地球上的每一个位置均能接收到4～6颗卫星的信号,卫星绕地球一周12h,每秒通过L1、L2两个波段发射3种伪随机码:C/A码(粗码)、P码(精码)和Y码(加密的P码)。C/A码一次定位精度25m,多次定位精度8m,定时精度100ns,全世界都可以无偿使用。P码一次定位精度10m,多次定位精度可以达cm级,定时精度10ns,只能美国及其盟国军事和授权的民用部门使用。现有的GPS模块具有自同步功能,可以产生精度较高的同步沿,同步误差<1μs,因此采用GPS进行同步触发,完成数据采集。2.2zifbe和zrtbe之间的协议ZigBee无线网络技术是由ZigBee联盟发起并制定的标准。该联盟成立于2001-08,是一个高速增长的非牟利业界组织,目的是为消费者提供更富弹性、更易用的电子产品。2004-10,ZigBee联盟发布了ZigBee协议1.0版本。2005-12,发布了ZigBee协议1.1版本。ZigBee使用免费的2.4GHz与900MHz频段,传输速率为20～250kb/s。本文选择最佳的芯片组合来设计ZigBee无线硬件平台,已经研制出标准的ZigBee无线网络模块,并开发了缩减版的ZigBee无线网络协议。3现场监控机的设计3.1工频监控终端的实现现场监测分机获得容性设备的电流模拟量,并将其分为两路,一路经过放大、补偿等处理后,送入现场可编程门阵列(FPGA)内测频逻辑完成信号测频;另一路由高精度A/D转换器转换为数字量,送入FPGA中,经过NiosII数据处理单元处理,由通讯模块以Zigbee传输方式传输到主控室内的计算机工作站上。监测终端具备自检功能,在自检功能被启动时,信号选择模块切换至工频信号发生器,NiosII对此信号进行处理。各监测分机之间通过MotoloraM12+GPS实现精确同步。其硬件框图见图2。3.1.1深度负反馈自动补偿考虑到现场安装、安全运行的实际情况,研发了电磁式穿芯小电流传感器,选用起始导磁率高,损耗小的坡莫合金做铁心,采用深度负反馈技术,实现对铁心全自动补偿,使铁心工作在理想的零磁通状态。该传感器能够准确检测100μA～700mA的工频电流。相位变换误差≤0.01°,不需要任何校正及修改,所有设备一样,互换性极强。具有极好温度特性和电磁场干扰能力,完全满足复杂电站现场干扰下的设备取样的精确度。3.1.2收器gps授时模块设计中选择了摩托罗拉(Motorola)M12+Timing授时模块,M12+TimingOncoreTM接收器是一款具有12通道GPS授时模块,可同时跟踪12颗卫星,能产生高达ns级的同步授时。主要特点包括高精度,可编程,带有每秒一个脉冲或每秒100个脉冲的时序输出精确的GPS,完全校准到协调世界时间(UTC),无时钟间隔信息性能。M12M更利用了Motorola的时间RAIM算法(接收器自主检测),确保了GPS测量的有效性和可靠性。3.1.3a/d转换芯片控制A/D完成同步高速整数倍信号采样和对工频信号的频率测量,这需要高速设备进行控制。FPGA在高速数据采集方面有单片机和数字信号处理(DSP)无法比拟的优势,如具有时钟频率高,内部延时小,全部控制逻辑由硬件完成,速度快,效率高,组成形式灵活等特点。因此在本设计中选用ALTERA公司的FPGA器件EP1C6Q240C8实现对A/D转换芯片ADS8505的实时采样控制和工频电压频率的测量,完成数据的缓冲、处理、传输等功能。利用ALTERA公司提供的开发软件QuartusII进行逻辑设计,在QuartusII平台下,使用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)设计工频频率测量模块和A/D采样的逻辑控制时序。在A/D采样控制模块中,软核微处理器NiosII收到监控中心通过Zigbee网络发出的采集命令后,读GPS的时间,当读到设定的时间后使能采集模块(sample_enable变高),采集模块开始等待GPS的同步脉冲1pps(每秒脉冲),作为开始采样的触发信号,根据微处理器给定采样速率samplerate_divdata[12..0]对电网信号进行500点采样,存放到静态随机存储器(SRAM)里,然后给微处理器发出一个采样完毕信号finished,微处理器从SRAM中取出500点采样值。3.1.4mfreq模块整个测评控制模块采用同步模式,工作时序见图3。由系统始终CLK上升沿同步触发;信号频率freqin经过D触发器2倍频,成为信号freqin_mfreq;在mfreq模块中,当freqin_mfreq为高时进行计数,当freqin_mfreq为低时对计数器清零;当freqin_mfreq为低,且enable为高时,输出有效计数值(一个信号周期的CLK时钟计数值)。enable信号应持续两个信号周期以上,才能保证输出有效的计数值。3.2z空间采集系统程序现场监测分机软件主要功能是根据中心指令进行同步数据采集,然后通过Zigbee无线通信将数据打包上传。系统设有手动自检、实时采集功能,采用中断模式触发,其主程序流程图见图4。图中,pps表示间隔1s的脉冲信号。4可视化显示、分析专家软件分为服务器端和客户端两部分。服务器端主要完成采集数据的接收、解析并存入数据库系统;客户端主要是对采集数据做全方位、多角度的可视化显示、分析等。专家软件界面见图5。专家软件采用先进的模糊控制技术和灰色系统技术,在分析了各种因素影响介损机理的基础上,提出根据不同因素影响介损值的变化来判断绝缘状况,考虑到知识的不完备性,量化介损序列变化与各因素序列变化的接近性,通过对关联度排序和模糊输出实现准确诊断。生产厂家和运行管理部门(客户端)只需要安装浏览器软件就可以对系统进行访问,从而方便地实现了远程维护和远程监测。5试验结果5.1介质损耗因数试品用瑞士2811电桥检测AI-6201介质损耗因数标准器,并由AI-6201介质损耗因数标准器对试品的信号采集端口施加信号,共计25次,间隔时间为60s,试品在技术规范内性能正常。5.2试验数据试验数据见表1,同相设备介损测量值与初始测量值比较,变化范围≤±0.3%,满足系统设计要求。6高效测量数据采集