电容器介质损耗测量技术研究毕业设计论文Word格式.docx

电容器介质损耗测量技术研究毕业设计论文Word格式.docx

《电容器介质损耗测量技术研究毕业设计论文Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容器介质损耗测量技术研究毕业设计论文Word格式.docx（57页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电力系统高压电力设备,若按照绝缘结构来进行分类,电容型设备占很大部分,还包括电流传感器、套管、耦合电容器、电容式电压互感器等,其中容性设备在变电站中占40%~50%,他们的安全运行情况将直接影响电力系统的安全、稳定和经济运行,随着电压等级和设备容量的增大,设备故障的检修时间越来越长,费用也越来越高,严重影响了电网供电的可靠性[16]。

对电气设备定期进行绝缘预防性试验,虽然可以发现许多绝缘缺陷,但仍然存在着试验时需要停电、试验周期长、试验方法的有效性不够等问题,在现场仍出现了预防性试验不久就发生绝缘故障的情况。

基于运行情况时的电力电容器设备绝缘在线监测法具有不需要停电、有效性高、实时监测等优点。

由于绝缘介质损耗因数tanδ对反映电力设备早期的缺陷比较灵敏有效,电力行业制定了相关标准《DL/T595-1996电力设备预防性试验规程》对不同种类的电力设备规定了tanδ最大容许值的标准,对介质损耗的监测是电力设备绝缘监测的主要方法，虽然可根据tanδ测量结果来分析判断绝缘状态,但由于在正常时tanδ值比较小,其数量级一般为10－3,对测量的精确性和稳定性有很高的要求,并且由于在运行现场受各种因素的影响,所测到的tanδ值总会有一定的误差,如果不能处理好这些问题,将不能很好地实现电气设备绝缘的在线监测[15]。

随着电力系统向超高压、大容量的方向发展，由电气设备故障引发的电力系统事故所造成的危害也越发严重，因此开展对电容型设备这种重要的输变电设备的绝缘在线监测与故障诊断任务对于全面实现状态检修具有十分重要的现实意义；

而介质损耗因数角tanδ是反映电容型设备绝缘条件的重要参数，可以通过对tanδ的测量来及时发现电力设备中的劣化变质、绝缘受潮及局部缺陷等问题，从而保证电力系统的安全运行，因此实现介质损耗的在线监测具有重要的意义。

二国内外现状

对介损测量方法的研究,一直是一个热点,常见的测量方法主要通过硬件和软件两种途径实现。

下面对这两大类介损检测方法的原理和性能以及不足进行较为详细的分析。

1.硬件方法

“硬件方法”也称为直接测量法,主要有过零比较法和基于电桥平衡原理的介损测量方法等。

1.1过零比较法

过零比较法是根据电压、电流信号过零点的时间差或电压、电流归一化后过零点附近两信号幅值差获得信号的相角差,该算法原理简单、容易实现,但是精确度较低,容易受谐波、噪声、频率波动和电压变化等的影响,多用于介损测量仪[1]。

双极性过零比较法通过对信号在一个周期内两次过零时电压与电流信号的时间差求平均,分析了影响过零比较法的关键因素,指出即便含有很少的3次谐波,对介损的测量影响仍很大,最后通过仿真证明了两次求平均可减少直流和3次谐波导致的误差,同时对过零点相位法和根据归一化后信号过零点附近幅值差获得的两信号相位差的算法进行了比较,得到了一些结论[2]。

2.软件方法

软件方法”也称为信号重建法,它是将放大、处理后的传感器信号离散采样,经高速A/D变换成为数字量,然后通过数字信号处理技术处理后获得测量结果。

主要以谐波分析法为代表,他根据i、u的采样数据重建正弦信号,再由波形参数求得φ,如傅里叶分析法、高阶正弦拟合法和相关系数法等。

这些算法必须满足一个假设:

即必须为同步采样,即采样频率为信号基波频率的整数倍,然而,由于频率波动等因素使得同步采样很难满足,于是很多学者对这些算法进行了改进。

2.1傅里叶分析法

对一个具有各次谐波的周期信号通过对有限长度的数字信号进行FFT变换,求取其频谱特性,对电流信号和电压信号进行FFT变换,可得到电流基波初相角

、电压基波初相角

求取的介质损耗角的公式为

）

通过FFT变换计算tanδ时,由于需要对有限长度的信号处理,相当于对原始信号乘以一个矩形窗。

这样信号处理带来了泄露和栅栏效应。

当电网频率漂移时,即使在硬件上通过一定的频率跟踪措施,如锁相环等,但仍不能实现严格的同步采样。

由于存在非同步采样,计算结果产生较大的误差,严重时,无法满足tanδ的测量要求。

傅里叶分析法在介质损耗测量中应用最为广泛,但是在非同步采样下,却会产生频谱泄露和栅栏效应。

在含有3次谐波且频率存在波动的情况下,对采用傅里叶算法计算出介损的误差进行了分析,表明介损测量误差随3次谐波的增加线性增加。

很多学者对采样加窗插值算法进行了研究,加窗可以减轻频谱的泄露,插值可以减轻栅栏效应[3]。

加窗插值算法有很多种,其中应用最广的是加Hanning窗插值谐波分析法[4]和加Blackman-Harris窗插值谐波分析法[5],前者的优点是可以较大程度减轻频谱泄露和栅栏效应,并且增加的计算量较小、编程实现比较容易,后者用4项的Blackman-Harris窗,他的旁瓣衰减为-92db,谐波间的干扰可有效衰减掉,介损精确度得到大幅度的提高,但该算法要求解6~7阶的一元方程,计算和编程实现比较困难[6]。

通过仿真分析给出了这两种算法在频率波动、谐波变化、直流分量变化、采样频率变化、A/D量化位数变化、采样点数变化、介损角真实值变化、白噪声及脉冲噪声变化时介损误差的变化情况[7]。

为了消除频率波动的影响,提出了修正理想采样频率的谐波分析法,该方法对采样序列进行修正,使得介损的测量精度得到了提高[8]。

还有一种采样基波相位分离法,该方法原理也是基于傅里叶变化的,不同的是他根据获得频率仅计算基波分量,该方法根据获得频率进行了整周期的积分,有效减少了非整周期采样造成的误差,计算所得介损具有很高的精确度,同时他具有对采样时间长度要求不高、原理简单、计算量小、实现容易,比常规的傅里叶算法准确[9]。

频谱泄露对消算法格局相距1/4个周波的信号频谱消除基波负频分量和3次谐波存在的频谱泄露,能很大程度减轻非同步导致的误差计算,具有很好的应用前景[10]。

通过仿真得知准同步傅里叶算法计算所得介损误差的绝对值小于0.0002%,能满足±

0.1%的要求,同时将准同步系数与正弦、余弦的乘积存入存储器,减少了计算量[11]。

2.2高阶正弦拟合法

文献[11,12]介绍了高阶正弦拟合法。

该方法是对采集的数据进行最小二乘高阶拟合。

即要求:

的值最小。

求解的该方程组是一个非线性方程组,计算量大,采用Levenberg-Marquardt算法作为优化算法计算最小二乘问题可以有效提高算法的精确度和速度。

2.3相关函数法

相关函数法可以较好地解决FFT在非整周期采样时的频谱泄露问题,但是对前置的带通滤波器有较高的要求；

用抛物插值积分公式构造插值函数[13]计算相关函数,仿真证明了该方法可以减少离散积分的误差。

针对相关函数法在非整周期采样时产生较大误差的问题,提出根据同向过零获得整周期信号、采样线性插值修正积分区间的方法,减少了非周期采样带来的介损测量误差；

正是上述本质性的困难,造成现有数字化算法从理论上难以克服电压谐波、电网频率波动、非同步采样与非整周期采样等因素的综合影响,因此有待于研究基于其他原理的新型数字化算法[14]。

三研究路线

1、研究内容

本设计针对介损tanδ测量稳定度不够、精度不高等问题，研制了基于DSP的电容型设备绝缘在线监测系统。

对于谐波分析法存在的不足，提出了改进型的谐波分析法计算介损tanδ。

利用Hilbert变换构造解析变换以消除信号中的负频率成分；

设计加Hanning窗的FIR低通滤波器以滤除干扰信号；

另外，采用加窗插值的全波傅立叶算法来修正频率波动给相角测量造成的误差。

最终需要实现能高精度在线检测出电容器介质损耗tanδ的检测系统

2、研究路线和技术方案

1.技术方案

设计以TMS320F2812型DSP为数据处理、逻辑控制核心的硬件电路，主要包括：

微电流传感器、电压传感器、前置处理电路、AD7656采样电路、供电电源等模块。

软件方面，基于模块化的程序开发思想，实现数据采样、解析滤波、FIR数字低通滤波、改进型全波傅立叶算法等功能。

最后，在实验室环境或者simulink环境下建立设备模型验证所研制的系统能否对介损tanδ进行有效、可靠地在线监测。

将传统谐波分析法、基于Hanning窗插值的改进型谐波分析法计算值与介损理论值相比较，分析两种介损计算方法的性能，并对不同实验模型测量得到的介损tanδ进行在线监测。

实验结果证明了该系统在测量介损tanδ时具有较高的稳定性和精确度。

2.研究路线

1.介损tanδ在线监测方法的研究

分析传统谐波分析法的原理及存在的不足，提出基于加窗插值的改进型谐波分析方法去除由于频率波动所导致的测量误差；

同时，利用解析滤波消除信号初相角差异带来的计算误差。

本设计选取的研究方案是采用基于Hanning窗插值的改进型谐波分析法，通过大量阅读文献了解谐波分析法的基本原理。

推导出介质损耗角的计算公式，以及了解测量方法的优缺点，以及在测量过程中会遇到的情况。

2.信号的预处理的研究

实际运行中的基波频率不断变动将影响介损测量结果，针对初相角差异和谐波干扰两个引起误差的因数，分别采取措施对采样信号进行预处理：

利用解析滤波算法消除信号初相角不同造成的计算误差，设计FIR数字低通滤波器以消除信号中谐波带来的影响。

然后，提出基于Hanning窗插值的全波傅立叶算法对波动的系统频率进行修正，进而得到修正后的介损角，并通过Matlab仿真验证了算法的性能。

内容涉及解析滤波和数字低通滤波，以及带窗函数的FIR滤波器的设计。

这一章内容设计《信号与系统》学科，其中有不少内容是课题上没有学过的，但是可以通过自学教材了解这章内容。

在设计的过程中可能会用到MATLAB等相关软件。

均需要自学。

3.检测系统的总体硬件设计

本节相关的电路的涉及到《模拟电子电路》以及《数字电自电路》学科，同时还有会用到DSP设计。

由于我没有学过DSP，但是我能熟练掌握单片机，因此自学DSP应该不成问题。

本章还涉及到了电流传感器和电压传感器的选择，这个可以根据工程实例作类似选择解决。

用到的A/D转换器等芯片需要对它们的各个端口功能熟练掌握。

在传感器选择之后需要分别对他们进行误差分析，相关内容需查询《检测技术》学科文献，后设计补偿电路。

在监测系统整体框架的指导下，分别对系统的前置处理电路、A/D采样电路、CAN总线通信模块及电源模块等硬件进行设计并给出了电路图。

4.检测系统的总体软件设计

然而要想实现准确测量介损值，并通过绝缘诊断策略准确地评估设备的绝缘状态，除了

精密的硬件外，还需要能有效协调并控制硬件装置工作的软件程序。

在程序的控制下，由微电流传感器和电压互感器测量到泄漏电流和现场电压，通过一系列的数据预处理后经过AD模数转换芯片进行模数转换，将数据传输到DSP处理芯片，运用之前介绍的基于Hanning窗插值的全波傅立叶算法计算出tanδ，最后经通过数据处理和后续相关程序准确判断电容型设备的绝缘状态。

因此，在设计电容型设备绝缘在线监测系统的软件程序时，尤其要重视程序本身的高效、简洁及可扩展性，才能使在线监测系统快速、准确地判断设备的绝缘状态。

电容型设备绝缘在线监测系统的软件设计可以采用模块化设计，主要分为系统控制

主程序、中断服务子程序、数据分析及诊断子程序以及图形界面等几大模块内容。

最后测量得到tanδ。

内容设计到DSP的编程，可阅读同类程序的设计编写，使最后的程序满足要求。

本研究主要介绍电容型设备在线绝缘监测系统的软件设计，首先说明了系统软件设计的整个框架，考虑到程序模块化设计的需要，然后分别就系统控制主程序、服务中断子程序以及数据分析及诊断子程序等模块给出了设计实现方法，并给出了各个子程序的流程图。

模块化设计不但简化了代码量，而且提高了程序的高效及可扩展性。

通过软件的合理设计，使得绝缘在线监测系统的硬件部分能在软件的控制下进行有效的介损在线监测。

5.结果验证

在完成设计后，可以对实物进行仿真分析，或者用simulink等相关软件进行模拟分析，验证检测得到的tanδ与理论值是否接近，来验证本设计所提出的方法是不是能满足工程要求，实现电容器绝缘介质的在线检测。

分别利用传统全波傅立叶算法和改进型全波傅立叶算法计算介损值，并与理论介损值相比较，进行误差分析，对比两种算法的性能。

然后，选取多组不同的电阻电容值（理论介损值范围0.001~0.02之内），将多种模型参数的介损值进行比较，进一步分析了两种算法的区别和优越性，从而验证本文研制的基于改进型全波傅立叶算法的绝缘在线监测系统的有效性。

四工作进度安排

第一阶段：

3月13日~3月31日，完成tanδ在线监测方法及信号处理技术的研究。

内容包含传统谐波分析法的基本原理，解析滤波，数字滤波器的设计以及相关matlab仿真，同时还有基于Hanning窗插值的全波傅立叶算法的技术研究。

并对两种方法进行仿真比较。

第二阶段：

4月1日~4月21日，完成检测系统的总体硬件设计。

包含绝缘在线监测系统的总体结构设计，以及电流电压传感器的选择，以及传感器误差分析和相关补偿电路的设计，另外还有相关电源电路以及相关通信电路的简单设计。

第三阶段：

4月22日~5月12日，完成检测系统的总体软件设计。

对程序的总体有个大致的设计框架，分别对控制主程序、A/D采样子程序、信号预处理子程序、数据分析计算子程序以及进行图形界面几大模块分别采取模块设计。

分开编译程序代码，最后进行总体编写，校验，让整个系统满足相关功能。

第四阶段：

5月13日~5月20日，完成结果验证。

在完成总体设计后，需要分别利用传统全波傅立叶算法和改进型全波傅立叶算法计算介损值，并与理论介损值相比较，进行误差分析，对比两种算法的性能。

然后，选取多组不同的电阻电容值。

将多种模型参数的介损值进行比较，进一步分析了两种算法的区别和优越性，从而验证本文研制的基于改进型全波傅立叶算法的绝缘在线监测系统的有效性。

第五阶段：

5月21日~deadline，完成毕业设计的一切后续任务，结题。

完成毕业设计报告以及毕业设计答辩，分析本设计相关不足之处，提出后续改进意见。

结题

参考文献

[1]金志俭,肖登明,王德耀.绝缘介质损耗角的数字化测量方法[J].高电压技术,1999,25

（1）:

49-52.

[2]蔡国雄,甄为红,杨晓洪.测量介质损耗的数字化过零点电压比较法[J].电网技术,2002,26（7）:

15-18.

[3]尚勇,杨敏中,王晓蓉,等.谐波分析法介质损耗因数测量的误差分析[J].电工技术学报,2002,17（3）:

67-71.

[4]柴旭峥,关根志,文习山,等.tanδ高准确度测量的加权插值FFT算法[J].高电压技术,2003,29

（2）:

32-33,37.

[5]王楠,律方成,梁英,等.基于高精度DFT·

48·

的介损数字测量方法[J].高电压技术,2003,29（4）:

3-5,8.

[6]徐志钮,律方成,赵丽娟.基于加汉宁窗插值的谐波分析法用于介损角测量的分析[J].电力系统自动化,2006,30

（2）:

81-85.

[7]徐志钮,律方成,李和明.加布莱克曼-哈里斯窗插值谐波分析法用于介损角测量的仿真分析[J].电力自动化设备,2007,33（3）:

104-108.

[8]王楠,律方成等.基于修正理想采样频率的谐波分析法在介损在线测量中的应用[J].电测与仪表,2003,40（7）:

12-15.

[9]陈楷,胡志坚,王卉,等.介损角的非同步采样算法及其应用[J].电网技术,2004,28（18）:

58-61.

[10]张介秋,梁昌洪,韩峰岩,等.介质损耗因数测量的频谱泄漏对消算法[J].高电压技术,2004,30（10）:

23-26.

[11]李和明,徐志钮,律方成.两种高精度介损角算法的比较和分析[J].电测与仪表,2007,44（51）:

14～16,55.

[12]王微乐,李福琪.测量介质损耗角的高阶正弦拟合算法[J].清华大学学报:

自然科学版,2001,41（9）:

5～8.

[13]王楠,律方成等.相关函数法计算容性设备介质损失角正切[J].华北电力大学学报,2001,28（3）:

22-25.

[14]左志强,徐阳,等.计算电容型设备介质损耗因数的相关函数法的改进[J].电网技术,2004,28（18）:

53-57.

[15]孙春雷,陈照强.电力设备介质损耗在线监测技术综述[J].科技创新导报,2010,27:

97-98.

[16]王瑞闯,肖仕武.容性设备介质损耗在线监测方法的研究及几点建议[J].电力电容器与无功补偿,2009,30（4）:

45-49.

摘要

而介质损耗因数角tanδ是反映电力电容型设备绝缘状况的重要参数，可以通过对tanδ的测量来及时发现电力设备中的劣化变质、绝缘受潮及局部缺陷等问题，从而保证电力系统的安全运行，因此实现介质损耗的在线监测具有重要的意义。

在电力电容器中，tanδ是一个很小的值，δ为0.001～0.030rad。

误差的绝对值为0.001～0.003rad。

实际测量时计算结果很容易因误差而被湮没。

因此准确测量电容器的介质损耗因数是最为关键的问题。

基于传统的快速FFT傅里叶变换法由于抗干扰能力强、硬件环节少，目前已成为电力电容器计算介质损耗角的主要方法。

但在利用这种分析方法计算介质损耗角时，由于需要对连续的工频周期信号进行截断和非同步采样，这将会产生频谱泄漏和栏栅效应，从而影响到测量精度。

因此，需要对电网电压以及电流信号进行同步采集。

本文对于谐波分析法（快速FFT变换法）存在的不足，提出了改进型的谐波分析法计算介质损耗tanδ。

对于实际采集的电压电流离散采样信号，首先利用希尔伯特（Hilbert）变换构造解析变换信号以消除信号中的负频率部分；

设计加汉宁窗（Hanning）窗的FIR低通滤波器以滤除谐波干扰信号；

然后，采用加窗插值法的全波傅立叶算法来修正频率波动给相角测量造成的误差。

最后，在Matlab/Simulink环境下建立设备模型验证所研制的系统能否对介质损耗tanδ进行有效、可靠地在线监测。

将模型模拟得到的波形数据利用本文提出的研究方法进行计算与并与介质损耗理论值相比较，并对实际模型得到的测量数据计算得到的介质损耗tanδ进行在线监测。

实验结果证明了该系统在测量介质损耗tanδ时具有较高的稳定性和精确度。

关键词：

电容型设备绝缘在线监测介质损耗因数改进型谐波分析法

Abstract

Alongwiththedevelopmentofultrahighvoltageandlargecapacityinpowersystem,thepowersystemaccidentcausedbyelectricalequipmentfaultcausesmoreandmoreseriousloss.Capacitiveequipmentisimportanttopowertransmissionandtransformationunit,sotheon-lineinsulationmonitoringandfaultdiagnosisisofgreatpracticalforrealizationofstatemaintenance.Tohighvoltagecapacitiveequipment,thedielectriclossfactortandeltaisasignificantparameterwhichcanreflecttheinsulatingcondition.Bymeasuringtandelta,theinsulationmoistened,deteriorationandlocaldefectscanbefoundtoensurethesafeoperationofpowersystem,therefore,theon-lineinsulationmonitoringoftandeltaisespeciallyimportant.

Intheelectricpowercapacitor,tandeltaisasmallvalue,whichvariesfrom0.001to0.001rad.Theabsolutevalueoferroris0.001~0.002rad,whichmakestheactualmeasurementvalueiseasytobeinundatedbyerror.Therefore,accuratemeasurementofthedielectriclossfactorofpowercapacitoristhekeyproblem.BasedonthetraditionalfastFouriertransform（FFT）,theharmonicanalysismethodwithlesshardwarelink,stronganti-interferenceability,hasbecomethemainmethodtocomputetheelectricpowercapacitordielectriclossAngle.ButintheuseoftheharmonicanalysismethodtocalculatethedielectriclossAngle,asaresultofcontinuouspowerfrequencyperiodicsignaloftruncationandnonsynchronoussampling,willproducefrequencyspectrumleakageandfenceeffect,thusaffectingmeasurementprecision.Therefore,powergridvoltageandcurrentsignalsneedstobesynchronoussampled.

Fordeficienciesofharmonicanalysis,thispaperputsforwardanimprovedharmonicanalysis,whichcancalculatethetandeltaofdielectricloss.Foractualacquisitionofdiscretesamplingvoltageandcurrentsignals,usingtheHilberttrans