智能變電站電容型設備絕緣狀況在線監測

鄧凸，黃新波，石杰(西安工程大學，西安市710048)

智能變電站電容型設備絕緣狀況在線監測

鄧凸，黃新波，石杰
(西安工程大學，西安市710048)

為保證變電站內電容型設備安全可靠的運行，設計研發了一套智能變電站電容型設備絕緣在線監測系統。系統遵循IEC61850協議給出具體軟硬件設計，采用IRIG-B碼同步時鐘實現設備的異地同步采樣，運用智能電子設備(intelligent electronic device，IED)實現設備之間數據的無縫連接，通過故障診斷算法對采集的數據進行分析，進而判斷設備的絕緣情況。運行結果表明，該系統可以精確地測得電容型設備的泄漏電流、介質損耗、等值電容等反應電容型設備運行狀態的信息，并可通過IEC61850協議將數據傳輸至在線監測數據中心。

智能變電站;IEC61850;智能電子設備;介質損耗;在線監測

0 引言

變電站內設備的安全運行是我國經濟快速發展的基礎，電容型設備占變電站設備總量的30%～40%，其絕緣狀況的好壞直接關系到整個變電站的安全運行［1-2］，因此對其進行在線監測具有重要意義。隨著我國智能電網戰略的提出，智能化變電站要求站內設備的監測滿足采集信號數字化、通信方式網絡化、信息共享標準化。傳統的狀態檢修一方面不能及時發現故障，另一方面不能滿足智能化變電站內信息及資源共享要求。本系統針對智能變電站電容型設備在線監測特點，給出系統整體結構以及智能監測終端軟硬件設計，同時遵循IEC61850標準［3-4］，給出相應智能電子設備(intelligent electronic device，IED)設計方案，使系統通信協議完全符合國網要求。

電容型設備絕緣在線監測的主要參數為介質損耗因數tanδ(簡稱介損)，是介質損耗引起的有功電流分量和設備總電容電流之比，僅取決于材料的特性而與材料尺寸、形狀無關，所以tanδ作為反映設備整體絕緣狀況的參數是非常有效的。通過測量tanδ，可以反映出電氣設備絕緣的一系列缺陷，如絕緣受潮、劣化變質、油或浸漬物臟污以及絕緣中有氣隙放電等，對發現絕緣的整體劣化較為靈敏，但對于局部缺陷卻不易用測tanδ的方法發現。設備絕緣的體積越大，其局部缺陷越不易發現。而測量介質電容量Cx或流過介質的電流I，除了能給出有關可引起極化過程改變的介質結構變化的信息(例如均勻受潮或嚴重缺油)外，還能發現嚴重的局部缺陷(絕緣部分擊穿)，因此，從絕緣特性看，綜合監測tanδ、I和Cx可以更為全面地了解絕緣狀況。

一般來說電容型設備介質損耗因數tanδ都很小，噪聲干擾、諧波頻率變化、諧波波形畸變率等因素都會對介質損耗因數的測量產生一定的影響［5-6］。針對此問題，本文提出采用絕對介損測量法進行測量，并利用諧波分析法對測量信號進行分析。在保障了采集精度的同時，還通過灰關聯理論進行故障診斷，大大提高了電容型設備在線監測結果的準確性和可靠性。

1 原理與方案設計

1.1 介質損耗和電容量的測量方法

運行中的電容型設備的主絕緣承受高壓Ux，有泄漏電流Ix流過，絕緣電介質在交變電場下會產生電導損耗和極化損耗，它們共同產生電介質損耗，因此泄漏電流中含有有功分量和無功分量。

本設計采用絕對測量法對介損進行測量。絕對測量方式是通過直接測量電容型設備所承受的母線電壓Ux和末屏泄漏電流Ix，進而計算出電容型設備的介損和電容量［7-8］，如圖1所示。

介質損耗因數:

式中，ΦUx、ΦIx分別為一次高壓Ux和泄露電流Ix的初相角;Ix、Ux為有效值;ω為角頻率，根據測得的工頻電壓頻率f進行計算。

1.2 介質損耗的數字化提取

本設計采用諧波分析法對采集到的電壓和電流信號進行處理，分別提取出兩者的初相角，進而得到介質損耗角［9-10］。

其原理是將獲得的模擬信號轉化為數字信號，然后采用數字頻譜分析的方法求出這2個信號的基波，進而通過對基波相位的比較求出介損tanδ。實際上是利用滿足狄里赫利(Dirichlet)條件(即給定的周期性函數在有限的區間內只有有限個第1類間斷點和有限個極大值和極小值)的電網電壓U(t)與流過設備絕緣的電流I(t)進行傅立葉級數分解，其表達式為

其中:ω=2πf，f為電網頻率;U0，I0分別為電壓、電流的直流分量;Uk，Ik分別為電壓、電流的各次諧波幅值;φuk、φik分別為電壓、電流的各次諧波初相角(k=1，2，3，…，∞)。

將采集模擬信號經A/D轉換后得到電壓信號和電流信號的離散序列用x(n)和y(n)表示(0≤n≤N-1，N采樣點數)，對電壓x(n)序列進行離散傅里葉變換處理:

因此可知電壓信號的實部和虛部分別為

根據實部和虛部就可以計算得到電壓信號的相位信息:

同樣的方法可以得到電流信號的相位β1，電容型設備在線監測IED再根據介質損耗因數計算公式得到tanδ:

此方法主要是對基波信息的提取，它很好地抑制了諧波分量的影響，提高了介損測量精度［11-12］。

1.3 故障診斷原理

由于介損損耗因數在0.001～0.030，數據值很小，很容易受到噪聲干擾。系統通過對智能變電站容性設備絕緣運行情況分析發現:變電站容性設備在絕緣狀況良好的情況下，外界環境因素尤其濕溫度對介損數據的影響表現明顯一些。然而在設備絕緣性能下降時，隨著設備本身溫度的升高，此時設備本身的溫度對tanδ的影響會比外界溫濕度的影響大。鑒于以上，本系統采用灰關聯方法，通過介損序列和外界各因素序列之間存在的關系，對變電站容性設備絕緣性能進行準確分析和判斷［13］。

(1)建立被測數據序列和比較數據序列模型:把監測到的介質損耗因數tanδ序列作為被測序列，用x0表示，現場環境溫濕度作為比較序列用xj表示:

其中k=1，2，…，n;j=1，2，3，4;xj(k)分別代表現場溫度、濕度、設備本身溫度以及設備表面污穢等因素。

(2)確定二者之間的關聯系數:

(3)求得二者的關聯度

通過關聯度對二者之間的相關性程度進行判斷，再依次求得各影響參數相應的關聯系數和關聯度，最終確定設備本身溫度、外界環境溫濕度以及污穢影響中哪一個更接近監測序列tanδ的變化趨勢，進而對容性設備絕緣性能進行準確判斷。

1.4 系統總體方案

根據智能變電站系統結構，該系統功能的實現也分為3個部分:過程層現場監測終端、間隔層電容型設備在線監測IED、站控層后臺監控主機，系統整體結構如圖2所示。

整個系統的工作流程如下:站控層監控主機服務器發出采集指令，經間隔層電容型設備IED通過RS485傳給每一個過程層電容型設備監控終端和基準電壓監測終端。各個終端接到采集指令后，獲取IRIG-B碼時鐘信號作為同步時鐘，同時刻采集基準電壓和泄漏電流信號。當各個終端數據采集、處理完畢后，電容型設備IED會通過輪詢方式向各個監測終端索要采集數據，并對上傳數據進行計算處理，求得介質損耗、泄漏電流、等值電容等信息，并打包將數據信息以IEC61850協議上傳給監控主機。監控主機收到數據后經過專家軟件對數據進行分析，進而對設備運行狀態進行判斷并將數據存入數據庫作歷史分析之用。

2 系統的實現

變電站現場環境復雜，介損測量精度受外界因素影響很大，因此對監測設備有很高要求。本系統現場監測終端采用FPGA+DSP雙處理器結構，通過IRIG-B碼實現不同設備異地同步采樣。電容型設備在線監測IED采用ARM+DSP結構，具有很好的控制能力和運算能力，進而確保監測結果的準確性。

2.1 監測終端硬件設計

監測終端設備采用FPGA+DSP雙板雙處理器結構。FPGA單元以Nios II軟核為核心，完成對基準信號和被測信號的頻率測量、同步時鐘的解碼，A/D轉換電路的控制以及RS232串口通信等功能。系統通過IRIG-B碼同步時鐘完成對泄漏電流和基準電壓信號的異地同步采集。

DSP單元主要功能包括:對FPGA板上傳的數據進行快速傅里葉變換，并定時向FPGA板發送握手信號以判斷其是否正常工作，在設備運行異常時對其進行復位。此外，DSP板通過RS485和電容型設備在線監測IED進行指令和數據的通信。

2.2 監測終端軟件設計

2.2.1 NiosII系統設計及實現

本系統選擇Nios II軟核嵌入式系統，通過SOPC Builder的開發平臺對系統軟、硬件電路進行設計和控制。該設計平臺通過自帶的Flash編程器實現對Flash的編程操作。

主要功能:在收到實時采集指令時，通過IRIG-B碼同步時鐘對基準電壓信號和泄漏電流信號進行同步數據采集，對信號進行數字化處理。在收到數據發送命令時通過串口將采集到的數據傳送給DSP單元。

2.2.2 邏輯電路設計

本系統中FPGA內部邏輯電路設計主要包含3個部分:測頻單元、B碼時鐘解析單元、AD采樣邏輯單元。

(1)測頻邏輯單元設計

在信號經過方波化后，要想對其頻率進行測量必須對高低電平同時進行計量，因為存在電平的變化，因此會影響測量精度。本系統設計將此方波信號通過D觸發器2分頻得到頻率信號2freq_in，這樣只要單一測出分頻后信號的高電平或者低電平，就可以得知信號的真實頻率。

(2)A/D采樣邏輯單元設計

系統處理器在收到電容型設備在線監測IED下發的采集指令時，系統直接置位數據采集使能模塊。數據采集存儲模塊在使能模塊被觸發后開始等待IRIG-B碼時鐘產生的同步秒脈沖1 pps，通過系統測量的信號頻率和設定的采樣點數計算出的A/D采樣率，在同步秒脈沖到來時實現對被測信號進行512點采集。FPGA本身自帶內部存儲單元RAM，對采集的數據進行存儲。在完成第512個點的采樣后，完成信號自動將采集數據傳送給外部數據存儲單元。

(3)IRIG-B碼解析邏輯設計

傳統的IRIG-B碼時間信息解析是通過IRIG-B碼芯片實現的，本系統在項目研發設計中發現IRIGB碼解碼芯片雖然可以準確地解析出接收設備的時間信息，但不同芯片之間會有不穩定的誤差，產生的1 pps信號之間存在接近毫秒級的誤差，直接影響到介質損耗監測的精度。因此本系統采用FPGA實現對IRIG-B碼時間解析，并產生同步秒脈沖1 pps信號。

通過系統仿真可以看出，處理器可以很好地對IRIG-B碼信號進行時間和同步觸發信號的解析，在實際電路中用示波器測量，最大誤差不超過100 ns。

2.3 電容型設備在線監測IED設計

智能變電站電容型設備在線監測IED主要實現的功能有:

(1)通信功能，接收電容型設備在線監測裝置采集到的監測數據以及傳送站控層服務器的采集命令;

(2)對監測終端采集到的數據進行分析，并對故障信息進行存儲以及本地顯示;

(3)嵌入IEC61850協議，實現變電站的信息共享以及設備的互操作性。

2.3.1 IED設計

電容型設備在線監測IED不僅需要實時準確地接收站控層的采集命令，并及時下發給過程層電容型設備監測終端和基準電壓監測終端，還要對過程層上傳的監測數據進行計算，對計算得到的異常數據進行分析、存儲和預警。同時遵循IEC61850協議標準及時將數據發送到站控層服務器。具體結構硬件圖如圖4所示。

設計采用ARM+DSP雙CPU結構為硬件核心。其中ARM采用ARM 9系列S3C2440A芯片，附加外圍的鍵盤、液晶、以太網通信等硬件設備，用以完成整個IED設備的管理和控制。利用DSP高速運算能力和多種片上外設的特點完成對電容型設備采集來的數據進行計算和分析。DSP與ARM采用SPI通信方式。

電容型設備IED的工作流程如下:在ARM接收到上層服務器的采集指令時，通過DSP下發給現場在線監測裝置。在現場監測裝置完成對基準電壓信號和末屏泄漏電流信號同步采集并數字化處理后，DSP通過RS485總線輪詢方式依次讀取各個終端的監測數據，并計算出相應的介損值、泄漏電流幅值等，再以SPI通信方式將數據信息發送給ARM系統，ARM系統按照事先設定的程序進行存儲和顯示，在對數據信息進行封裝處理后通過以太網通信方式上傳到站控層服務器。

2.3.2 IEC61850的應用

IEC61850是目前國內最完善的對外開放的變電站通信網絡與系統的協議標準。根據智能變電站的發展要求，間隔層的智能電子設備IED要具備互操作性，尤其電容型設備在線監測過程中，實現各監測設備之間的信息共享尤為重要。通過IEC61850協議的實現，可以很好地滿足上述要求。此外，根據智能變電站的通信要求，站內電容型設備絕緣狀況在線監測數據傳輸時也要遵循IEC61850通信標準［14-15］。

電容型設備在線監測IED根據IEC61850標準對于同一個功能對象相關的數據以及數據屬性建模在該功能對象中的原則，表達了哪些監測數據需要通信以及如何進行數據通信。對IED進行建模，首先要對IED做出完整的功能描述，將每一個斷路器設備描述為一個IED對象，將最小功能單元建模為一個邏輯節點對象。圖5是電容型設備IED分層模型，表1是根據IEC61850協議定義的所有邏輯節點的描述。

3 系統運行實例與分析

本系統已在變電站成功安裝運行，其中監測項目主要包括對電流互感器及變壓器套管絕緣在線監測。監測主要參數有:介質損耗、末屏泄漏電流、阻性電流、電容型電流及等值電容。

3.1 現場安裝實例

電容型設備絕緣狀況在線監測安裝圖如圖6、7所示。

3.2 現場運行分析

站控層主機上安裝專家軟件系統，實現對監測終端上傳數據的分析處理，并通過故障診斷算法對采集來的數據進行故障診斷。在監測數據異常時，能夠實時發送預警信息，從而達到實時監測、實時預警的目的。以CVT為例，圖8是監測數據顯示頁面。

該頁面以報表形式顯示選定時間下監測設備的運行信息，最新采集數據在上，歷史數據在下。圖中可以得知CVT運行時的介質損耗、泄漏電流、等值電容等信息，此外還對設備運行電壓和系統頻率進行了顯示。

圖9 為A、B、C三相介質損耗變化趨勢圖，其中藍顏色代表CVT A相介損值，粉顏色代表CVT B相介損值。從圖中可以看出，介質損耗值在0.004到0.020之間變化。因為CVT A、B、C三相運行在同等級電壓下，而且運行環境也近似相同，因此，介損序列變化趨勢也大致相同。

圖10為A、B、C三相泄漏電流變化趨勢圖，泄漏電流也是反映設備絕緣的重要參數之一，圖中泄漏電流值在312～320 mA變化，通過電流值的大小以及變化趨勢可以判斷設備絕緣性能是否良好，同時也和介損數據互相驗證彼此的有效性。

4 結論

本文提出了一種基于IEC61850協議，借助智能電子設備IED的智能變電站電容型設備在線監測與故障診斷系統，系統由智能監測終端、電容型設備在線監測IED和后臺主機組成。通過IRIG-B碼高精度授時實現各現場監測終端的異地同步觸發，同步誤差小于100 ns。采用RS485總線傳輸的方式實現電容型設備現場監測單元與IED之間的指令傳輸和數據通信，克服了變電站高壓環境下的電磁干擾問題，保證數據傳輸的可靠性和實時性。后臺軟件的故障診斷算法可以準確地對設備運行狀態進行判斷。通過在寧夏變電站掛網運行結果表明，本系統可以精確測得變電站電容型設備在線運行情況，確保設備安全穩定的運行，為變電站安全運行提供了可靠的保證。

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(編輯:劉文瑩)

On-Line Monitoring System for Capacitive Equipment Insulation Condition in Intelligent Substation

DENG Tu，HUANG Xinbo，SHIJie
(Xi＇an Polytechnic University，Xi＇an 710048，China)

To ensure the safely and reliably operation of capacitive equipments，an on-line monitoring system for capacitive equipment insulation in intelligent substation was developed.The insulation situation was estimated accurately through designing the software and hardware based on the IEC61850 protocol，using IRIG-B code synchronous clock to achieve long-distance synchronous sampling，using intelligent electronic device(IED)to achieve seam less connection of data between devices，and using fault diagnosis algorithm to achieve data analysis.Running results show that the system notonly can accurately monitor the running state information of capacitive equipments，such as leakage current，dielectric loss，equivalent capacitance and so on，but also can transmit data to the on-line monitoring data center through the IEC61850 protocol.

intelligent substation;IEC61850;intelligent electronic devicei(IED);dielectric loss;on-linemonitoring

TM 76

A

1000－7229(2014)11－0038－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.007

2014-07-22

2014-09-03

鄧凸(1988)，男，碩士研究生，研究方向為智能電網在線監測理論與關鍵技術研究;

黃新波(1975)，男，博士(后)，教授，研究方向為智能電網輸變電設備在線監測理論與關鍵技術的研究;

石杰(1990)，男，碩士研究生，研究方向為智能電網在線監測理論與關鍵技術研究。

教育部“新世紀優秀人才支持計劃”(NCET-11-1043);陜西省教育廳產業化培育項目(2013JC13);陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014XT-07);陜西省重點科技創新團隊計劃(2014KCT-16)。