變電站容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

變電站容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

0在線監(jiān)測的應用高壓設備的安全運行是影響能源系統(tǒng)、穩(wěn)定和運行的重要因素。高壓設備的運行不僅會造成設備本身的損壞，還會造成許多損失。據(jù)文獻統(tǒng)計,“八五”期間,我國主要電網(wǎng)中由于電氣設備故障而直接引發(fā)的電網(wǎng)事故約占事故總量的26.3%。目前,我國變電站電氣設備的檢測工作,主要仍按《電氣設備預防性試驗規(guī)程》要求定期進行預防性試驗。根據(jù)試驗的結果來判斷設備的運行狀況,從而確定其是否可以繼續(xù)投入運行。長期以來堅持預防性試驗對我國電力系統(tǒng)的安全運行起到了很大的作用,但隨著電力系統(tǒng)大容量化、高電壓化和結構復雜化,對電力系統(tǒng)的安全可靠性指標要求也越來越高。這種傳統(tǒng)的試驗與診斷方法已越來越不適應,主要表現(xiàn)在:試驗時需要停電、試驗周期長、試驗時間集中、工作量大。且離線測試與運行測試存在諸多偏差和不確定因素,在現(xiàn)場曾多次發(fā)生預防性試驗合格后不久,設備發(fā)生事故。從上世紀90年代開始,出現(xiàn)以數(shù)字采集、傳輸和處理技術為核心的在線監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測內容豐富、信息量大、處理速度快,代表了當今在線監(jiān)測的發(fā)展方向[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。本文研發(fā)的變電站容性設備在線監(jiān)測系統(tǒng)采用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行高精度的同步授時采樣,利用紫蜂(Zigbee)網(wǎng)絡進行變電站內的數(shù)據(jù)傳輸,能夠在線實時、準確監(jiān)測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進行預報警,可有效地發(fā)現(xiàn)容性設備的整體受潮劣化變質以及局部缺陷等,能夠起到事故預知的作用。1系統(tǒng)的原則和一般結構1.1容性設備局部缺陷絕緣材料的介質損失角正切(tanδ)是反映高壓電氣設備絕緣性能的一項重要指標,通過測量相角差δ可發(fā)現(xiàn)電力設備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷。由于實際運行的容性設備并非理想介質,故此流經(jīng)末屏的電流與容性設備高壓端電壓的相位差將<π/2。介損在線測量是通過同時取樣被測設備的泄漏電流i和CVT(或TV)二次電壓U,然后經(jīng)過專門的相位差計算程序,計算出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)控整個系統(tǒng)由省級監(jiān)控中心、變電站監(jiān)控中心、Zigbee無線網(wǎng)絡通信和現(xiàn)場監(jiān)測分機等4部分組成,系統(tǒng)拓撲圖見圖1?，F(xiàn)場監(jiān)測分機采集的泄漏電流模擬量,經(jīng)過放大、補償?shù)忍幚砗?由監(jiān)測終端設備的A/D(模擬/數(shù)字)轉換單元轉換為數(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)庫中,并可以通過專家軟件實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的顯示和打印、分析和診斷。監(jiān)控中心通過Zigbee無線網(wǎng)絡來控制現(xiàn)場采樣單元,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,在地球上的每一個位置均能接收到4～6顆衛(wèi)星的信號,衛(wèi)星繞地球一周12h,每秒通過L1、L2兩個波段發(fā)射3種偽隨機碼: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cm級,定時精度10ns,只能美國及其盟國軍事和授權的民用部門使用?，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)絡技術是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)起并制定的標準。該聯(lián)盟成立于2001-08,是一個高速增長的非牟利業(yè)界組織,目的是為消費者提供更富彈性、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計ZigBee無線硬件平臺,已經(jīng)研制出標準的ZigBee無線網(wǎng)絡模塊,并開發(fā)了縮減版的ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議。3現(xiàn)場監(jiān)控機的設計3.1工頻監(jiān)控終端的實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測分機獲得容性設備的電流模擬量,并將其分為兩路,一路經(jīng)過放大、補償?shù)忍幚砗?送入現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內測頻邏輯完成信號測頻;另一路由高精度A/D轉換器轉換為數(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)街骺厥覂鹊挠嬎銠C工作站上。監(jiān)測終端具備自檢功能,在自檢功能被啟動時,信號選擇模塊切換至工頻信號發(fā)生器,NiosII對此信號進行處理。各監(jiān)測分機之間通過MotoloraM12+GPS實現(xiàn)精確同步。其硬件框圖見圖2。3.1.1深度負反饋自動補償考慮到現(xiàn)場安裝、安全運行的實際情況,研發(fā)了電磁式穿芯小電流傳感器,選用起始導磁率高,損耗小的坡莫合金做鐵心,采用深度負反饋技術,實現(xiàn)對鐵心全自動補償,使鐵心工作在理想的零磁通狀態(tài)。該傳感器能夠準確檢測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,所有設備一樣,互換性極強。具有極好溫度特性和電磁場干擾能力,完全滿足復雜電站現(xiàn)場干擾下的設備取樣的精確度。3.1.2收器gps授時模塊設計中選擇了摩托羅拉(Motorola)M12+Timing授時模塊,M12+TimingOncoreTM接收器是一款具有12通道GPS授時模塊,可同時跟蹤12顆衛(wèi)星,能產(chǎn)生高達ns級的同步授時。主要特點包括高精度,可編程,帶有每秒一個脈沖或每秒100個脈沖的時序輸出精確的GPS,完全校準到協(xié)調世界時間(UTC),無時鐘間隔信息性能。M12M更利用了Motorola的時間RAIM算法(接收器自主檢測),確保了GPS測量的有效性和可靠性。3.1.3a/d轉換芯片控制A/D完成同步高速整數(shù)倍信號采樣和對工頻信號的頻率測量,這需要高速設備進行控制。FPGA在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機和數(shù)字信號處理(DSP)無法比擬的優(yōu)勢,如具有時鐘頻率高,內部延時小,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。因此在本設計中選用ALTERA公司的FPGA器件EP1C6Q240C8實現(xiàn)對A/D轉換芯片ADS8505的實時采樣控制和工頻電壓頻率的測量,完成數(shù)據(jù)的緩沖、處理、傳輸?shù)裙δ堋＠肁LTERA公司提供的開發(fā)軟件QuartusII進行邏輯設計,在QuartusII平臺下,使用超高速集成電路硬件描述語言(VHDL)設計工頻頻率測量模塊和A/D采樣的邏輯控制時序。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)絡發(fā)出的采集命令后,讀GPS的時間,當讀到設定的時間后使能采集模塊(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,根據(jù)微處理器給定采樣速率samplerate_divdata[12..0]對電網(wǎng)信號進行500點采樣,存放到靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)里,然后給微處理器發(fā)出一個采樣完畢信號finished,微處理器從SRAM中取出500點采樣值。3.1.4mfreq模塊整個測評控制模塊采用同步模式,工作時序見圖3。由系統(tǒng)始終CLK上升沿同步觸發(fā);信號頻率freqin經(jīng)過D觸發(fā)器2倍頻,成為信號freqin_mfreq;在mfreq模塊中,當freqin_mfreq為高時進行計數(shù),當freqin_mfreq為低時對計數(shù)器清零;當freqin_mfreq為低,且enable為高時,輸出有效計數(shù)值(一個信號周期的CLK時鐘計數(shù)值)。enable信號應持續(xù)兩個信號周期以上,才能保證輸出有效的計數(shù)值。3.2z空間采集系統(tǒng)程序現(xiàn)場監(jiān)測分機軟件主要功能是根據(jù)中心指令進行同步數(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)設有手動自檢、實時采集功能,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。4可視化顯示、分析專家軟件分為服務器端和客戶端兩部分。服務器端主要完成采集數(shù)據(jù)的接收、解析并存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng);客戶端主要是對采集數(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。專家軟件采用先進的模糊控制技術和灰色系統(tǒng)技術,在分析了各種因素影響介損機理的基礎上,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,通過對關聯(lián)度排序和模糊輸出實現(xiàn)準確診斷。生產(chǎn)廠家和運行管理部門(客戶端)只需要安裝瀏覽器軟件就可以對系統(tǒng)進行訪問,從而方便地實現(xiàn)了遠程維護和遠程監(jiān)測。5試驗結果5.1介質損耗因數(shù)試品用瑞士2811電橋檢測AI-6201介質損耗因數(shù)標準器,并由AI-6201介質損耗因數(shù)標準器對試品的信號采集端口施加信號,共計25次,間隔時間為60s,試品在技術規(guī)范內性能正常。5.2試驗數(shù)據(jù)試驗數(shù)據(jù)見表1,同相設備介損測量值與初始測量值比較,變化范圍≤±0.3%,滿足系統(tǒng)設計要求。6高效測量數(shù)據(jù)采集