变压器套管介质损耗在线监测装置_王卓
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( 西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048)
摘要： 设计了一种变压器电容型套管介质损耗在线监测装置。针对谐波分析法，提出利用 IＲIG-B 码授时实现异
地高精度同步采样，并采用 EIA-485 总线实现监测装置与套管智能电子设备( intelligent electronic devices，IED) 之
基于 FPGA 组建的可编程片上系统（ system-ona-programmable-chip，SOPC） 结 合 硬 件 控 制 逻 辑， 集采样控制、处理、缓冲存储、传输控制、通信于 一个芯片内，编程配置灵活，开发周期短，系统简 单，具有高集成度、体积小、功耗低、输入输出端 口多等优点，能够很好地满足高速采集对实时性和 同步性的要求。
间通信的介质损耗测量方案。采用内嵌处理器软核 Nios Ⅱ的现场可编程门阵列器件 EP1C6Q240I7 完成对模数转
换采样芯片 ADS8505 的控制，采用数字信号处理器 TMS320F28335 对信号进行快速傅里叶变换等处理，监测终
端将数据信息通过 EIA-485 总线传送至套管 IED。试验结果表明，该装置介质损耗测量的精确度和稳定度都比传
决了介质损耗测试精度及其稳定性问题。套管末屏 电流信号经该传感器转换为幅值绝对值不高于10 V 的电压信号，并通过程控放大器自适应处理为标准 化信号，然后输出幅值为 1 ～ 10 V 的信号。 3. 1. 2 信号调理电路
考虑到高次谐波的影响，经程控放大器标准化 处理后的末屏电流信号在送入 FPGA 芯片内，测频 逻辑在测频前需要对信号进行滤波、方波化，以适 应 FPGA 的逻辑电平输入。 3. 2 智能处理单元 3. 2. 1 微处理器
SＲAM—静态随机存储器，static ＲAM 的缩写。
图 2 监测终端原理框图
3. 1 信号采集单元 3. 1. 1 信号提取与预处理
由于变压器套管的泄漏电流很小，大都在毫安 级甚至微安级，故传统的无源传感器无法保障相位 变换误差的精确度和稳定性，难以满足测量要求。 本文采用电磁式有源穿心小电流传感器，它采用起 始磁导率高、损耗小的坡莫合金作铁心材料，能够 准确检测 100 ～ 700 000 μA 的工频电流，且相位变 换误差不大于 0. 01°，不需要任何校正及修改，具 有良好的温度特性和电磁场抗干扰能力，较好地解
X（ k）
= ∑x（ n） n =0
cos
2πkn N
+ jsin
－ 2πkn N
，（ 3）
式中 X（ k） 为 x（ n） 的傅里叶变换值。
由式（ 3） 可知：
{ ∑ XＲ（ k）
=
N －1 n =0
x（
n）
cos
2πNkn，
∑ XI（ k）
=
N －1 n =0
x（
n）
sin
－
2Nπkn.
（ 4）
套管是变压器的重要组成部分，某研究表明套 管故障占变压器故障的 40% ，还有数据显示 52% 的套管故障是很严重的甚至引发火灾。因此，对电 容型套管进行介质损耗在线监测技术的研究具有很 高的理论和应用价值。我国从 20 世纪中期开始，
收稿日期： 2013-01-21 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划，2009CB724507_ 3） ， 陕西省科学技术研究发展项目（ 2011KJXX09） ，西安市科技计划项 目（ CXY1104） ，陕西省教育厅产业化培育项目 （ 2010JC08 ） ，教育 部“新世纪优秀人才支持计划“（ NCET-11-1043）
初相位。
电容型套管的介质损耗因数计算式为
[ ] tan δ = tan
π 2
－ （ φi1
－ φu1 ）
.
（ 2）
式中： tan δ 为介质损耗因数，φu1、φi1 分别为电压、 电流的基波初相位。由式（ 2） 可知，求解电容型套
管 tan δ 的关键是去除系统的谐波干扰，准确求得
u（ t） 和 i（ t） 的初相位。实际获得的 u（ t） 和i（ t） 是经
WANG Zhuo，HUANG Xinbo，DENG Tu，WANG Zhaoyang （ College of Electronics and Information，Shaanxi，Xi’an Polytechnic University，Xi’an，710048，China）
Abstract： This paper designs a kind of capacitive typed dielectric loss on-line monitoring apparatus for transformer． Aiming at harmonic analysis method，it proposes to use IＲIG-B code time service to realize high-precision synchronous sampling between different places and EIA-485 bus to realize dielectric loss measuring scheme of communication between monitoring apparatus and intelligent electronic devices． It applies FPGA array EP1C6Q240I7 of embedded soft core processor NiosⅡto finish control of ADC sampling chip ADS8505 and digital signal processor TMS320F28335 to proceed Fast Fourier Transform while the monitoring terminal transforms data information to the bushing IED through EIA-485 bus． The testing result shows that this device may improve precision and stability of dielectric loss measuring compared with conventional equipment． Key words： transformer； bushing； dielectric loss； on-line monitoring； harmonic analysis method； IＲIG-B code； FPGA
装置 在 数 字 信 号 处 理 器 （ digital signal processor，
DSP） 中采用快速傅里叶变换（ fast Fourier transform，
FFT） 算法［13］对数据进行处理，运算时间缩短 1 ～ 2
个数量级。
2 系统结构
整个变压器套管介质损耗在线监测系统由过程 层、间隔层和站控层［14 － 15］组成，如图 1 所示。过 程层主要由监测装置组成，包含信号采集单元和智 能处理单元两部分，信号采集单元完成对检测信号 的现场提取、预处理和信号调理，智能处理单元则 主要 由 数 据 中 央 处 理 单 元、 模 数 转 换 采 样 模 块、
过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假设
分别用 x（ n） 和 y（ n） （ 0≤n≤N － 1，N 为序列的总
长度，对应于离散波形的总采样点数） 表示，以 x
（ n） 为 例， 经 离 散 傅 里 叶 变 换 （ discrete Fourier
transform，DFT） 后可得
( ) N－1
第 26 卷 第 4 期 2013 年 4 月
广东电力 GUANGDONG ELECTＲIC POWEＲ
doi： 10. 3969 / j. issn. 1007-290X. 2013. 04. 015
Vol. 26 No. 4 Apr. 2013
变压器套管介质损耗在线监测装置
王卓，黄新波，邓凸，王朝阳
就根据原中华人民共和国水利电力部颁发的《电气 设备预防性试验规程》对电气设备进行定期的停电 试验［1 － 3］、检修和维护，大量严重受潮和有明显缺 陷的设备被检查出来。但是，这种停电检修和试验 是定期进行的，难以及时反映设备内部绝缘的潜伏 性故障，具有一定的盲目性，同时也浪费了大量的 人力和物力，而且试验电压往往要低于运行电压， 故其等效性相对较差，对某些缺陷反映不够灵敏， 不能完全适应电网安全、经济、稳定运行的需求。 因此，基于状态的维修方式逐步代替基于时间的维 修方式，这是电力系统设备维修发展的必然趋势，
3 监测装置设计
笔者早前设计的变电站容性设备介质损耗在线 监测系统是基于现场可编程门阵列 （ field-programmable gate array，FPGA） 设计的，数据处理在监控 后台完成。而本文的变压器套管介质损耗在线监测 装置采用 FPGA + DSP 结构，在前端装置就可以就 地完成 数 据 处 理。FPGA 负 责 现 场 电 流 信 号 的 采 样，它具有采集精度高的特点； DSP 则负责运算和 数据传输，具有计算速度快的优点。系统采用双层 板结构，硬件原理如图 2 所示。
式中 XＲ（ k） 、XI（ k） 分别为 X（ k） 的实部和虚部。
由式（ 4） 可以看出，序列 x（ n） 即 φuk，其计算
式为
φuk
=
arctan XI（ k） . XＲ（ k）
（ 5）
同理可以得出 φik，进而根据式（ 2） 求取 tan δ。 由于 DFT 运算时间长，占用资源多，因此本
第4 期
王卓，等： 变压器套管介质损耗在线监测装置
73
而电气设备绝缘在线监测技术作为实行状态维修的 前提，已成为近年来国内外高电压领域的研究热 点［4 － 6］。
介质损耗因数是反映绝缘介质损耗大小的特征 参量［7］，其仅取 决 于 绝 缘 材 料 的 介 电 特 性， 与 介 质的尺寸无关，因此可间接通过在线监测介质损耗 因数来判断电力设备的绝缘情况［8 － 9］。本文研发的 变压器套管介 质 损 耗 在 线 监 测 装 置［10］ 采 用 谐 波 分 析法［11］作为 测 量 方 案，利 用 IＲIG-B 码［12］ 进 行 异 地同步授时采样，通过 EIA-485 总线将数据传送至 套管的智能电子设备（ intelligent electronic devices， IED） 。
∑ = U0 + Uk sin（ kωt + φuk ） ， k =1 ∞
（ Baidu Nhomakorabea）
∑ i（ t） = I0 + Iksin（ kωt + φuk） ．
k =1
式中： U0 、I0 分别为电压、电流的直流分量，Uk、
Ik 分别为第 k 次谐波电压、电流的幅值，ω 为电网
角频率，φuk、φik 分别为第 k 次谐波电压、电流的
1 系统测量原理
谐波分析法的原理： 通过传感器等装置分别测
量运行电压和流经试品的电流，将获得的模拟信号
转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求
出这两个信号的基波，通过比较基波的相位求出介
质损耗角 δ。
对电网电压 u（ t） 与流过设备绝缘的电流 i（ t）
进行傅里叶级数分解，其表达式为：
∞
{u（ t）
VT—电压互 感 器，voltage transformer 的 缩 写； GPS—全 球 定 位 系 统，global position system 的缩写。
图 1 变压器套管介质损耗在线监测系统的结构
74
广东 电 力
第 26 卷
EIA-485 模块和电源模块构成，其中 EIA-485 模块 可完成与 IED 的通信。间隔层的实体为变压器套 管 IED，由 EIA-485 模块控制现场采集单元，并读 取数据，再通过以太网以 IEC 61850 系列标准协议 将数据上传至站控层监控中心。站控层可以实现站 内所有的远程监控。
统装置有很大的提高。
关键词： 变压器; 套管; 介质损耗; 在线监测; 谐波分析法; IＲIG-B 码; 现场可编程门陈列
中图分类号： TM934. 32
文献标志码： A
文章编号： 1007-290X( 2013) 04-0072-05
Dielectric Loss of Transformer Bushing On-line Monitoring Apparatus
摘要： 设计了一种变压器电容型套管介质损耗在线监测装置。针对谐波分析法，提出利用 IＲIG-B 码授时实现异
地高精度同步采样，并采用 EIA-485 总线实现监测装置与套管智能电子设备( intelligent electronic devices，IED) 之
基于 FPGA 组建的可编程片上系统（ system-ona-programmable-chip，SOPC） 结 合 硬 件 控 制 逻 辑， 集采样控制、处理、缓冲存储、传输控制、通信于 一个芯片内，编程配置灵活，开发周期短，系统简 单，具有高集成度、体积小、功耗低、输入输出端 口多等优点，能够很好地满足高速采集对实时性和 同步性的要求。
间通信的介质损耗测量方案。采用内嵌处理器软核 Nios Ⅱ的现场可编程门阵列器件 EP1C6Q240I7 完成对模数转
换采样芯片 ADS8505 的控制，采用数字信号处理器 TMS320F28335 对信号进行快速傅里叶变换等处理，监测终
端将数据信息通过 EIA-485 总线传送至套管 IED。试验结果表明，该装置介质损耗测量的精确度和稳定度都比传
决了介质损耗测试精度及其稳定性问题。套管末屏 电流信号经该传感器转换为幅值绝对值不高于10 V 的电压信号，并通过程控放大器自适应处理为标准 化信号，然后输出幅值为 1 ～ 10 V 的信号。 3. 1. 2 信号调理电路
考虑到高次谐波的影响，经程控放大器标准化 处理后的末屏电流信号在送入 FPGA 芯片内，测频 逻辑在测频前需要对信号进行滤波、方波化，以适 应 FPGA 的逻辑电平输入。 3. 2 智能处理单元 3. 2. 1 微处理器
SＲAM—静态随机存储器，static ＲAM 的缩写。
图 2 监测终端原理框图
3. 1 信号采集单元 3. 1. 1 信号提取与预处理
由于变压器套管的泄漏电流很小，大都在毫安 级甚至微安级，故传统的无源传感器无法保障相位 变换误差的精确度和稳定性，难以满足测量要求。 本文采用电磁式有源穿心小电流传感器，它采用起 始磁导率高、损耗小的坡莫合金作铁心材料，能够 准确检测 100 ～ 700 000 μA 的工频电流，且相位变 换误差不大于 0. 01°，不需要任何校正及修改，具 有良好的温度特性和电磁场抗干扰能力，较好地解
X（ k）
= ∑x（ n） n =0
cos
2πkn N
+ jsin
－ 2πkn N
，（ 3）
式中 X（ k） 为 x（ n） 的傅里叶变换值。
由式（ 3） 可知：
{ ∑ XＲ（ k）
=
N －1 n =0
x（
n）
cos
2πNkn，
∑ XI（ k）
=
N －1 n =0
x（
n）
sin
－
2Nπkn.
（ 4）
套管是变压器的重要组成部分，某研究表明套 管故障占变压器故障的 40% ，还有数据显示 52% 的套管故障是很严重的甚至引发火灾。因此，对电 容型套管进行介质损耗在线监测技术的研究具有很 高的理论和应用价值。我国从 20 世纪中期开始，
收稿日期： 2013-01-21 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划，2009CB724507_ 3） ， 陕西省科学技术研究发展项目（ 2011KJXX09） ，西安市科技计划项 目（ CXY1104） ，陕西省教育厅产业化培育项目 （ 2010JC08 ） ，教育 部“新世纪优秀人才支持计划“（ NCET-11-1043）
初相位。
电容型套管的介质损耗因数计算式为
[ ] tan δ = tan
π 2
－ （ φi1
－ φu1 ）
.
（ 2）
式中： tan δ 为介质损耗因数，φu1、φi1 分别为电压、 电流的基波初相位。由式（ 2） 可知，求解电容型套
管 tan δ 的关键是去除系统的谐波干扰，准确求得
u（ t） 和 i（ t） 的初相位。实际获得的 u（ t） 和i（ t） 是经
WANG Zhuo，HUANG Xinbo，DENG Tu，WANG Zhaoyang （ College of Electronics and Information，Shaanxi，Xi’an Polytechnic University，Xi’an，710048，China）
Abstract： This paper designs a kind of capacitive typed dielectric loss on-line monitoring apparatus for transformer． Aiming at harmonic analysis method，it proposes to use IＲIG-B code time service to realize high-precision synchronous sampling between different places and EIA-485 bus to realize dielectric loss measuring scheme of communication between monitoring apparatus and intelligent electronic devices． It applies FPGA array EP1C6Q240I7 of embedded soft core processor NiosⅡto finish control of ADC sampling chip ADS8505 and digital signal processor TMS320F28335 to proceed Fast Fourier Transform while the monitoring terminal transforms data information to the bushing IED through EIA-485 bus． The testing result shows that this device may improve precision and stability of dielectric loss measuring compared with conventional equipment． Key words： transformer； bushing； dielectric loss； on-line monitoring； harmonic analysis method； IＲIG-B code； FPGA
装置 在 数 字 信 号 处 理 器 （ digital signal processor，
DSP） 中采用快速傅里叶变换（ fast Fourier transform，
FFT） 算法［13］对数据进行处理，运算时间缩短 1 ～ 2
个数量级。
2 系统结构
整个变压器套管介质损耗在线监测系统由过程 层、间隔层和站控层［14 － 15］组成，如图 1 所示。过 程层主要由监测装置组成，包含信号采集单元和智 能处理单元两部分，信号采集单元完成对检测信号 的现场提取、预处理和信号调理，智能处理单元则 主要 由 数 据 中 央 处 理 单 元、 模 数 转 换 采 样 模 块、
过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假设
分别用 x（ n） 和 y（ n） （ 0≤n≤N － 1，N 为序列的总
长度，对应于离散波形的总采样点数） 表示，以 x
（ n） 为 例， 经 离 散 傅 里 叶 变 换 （ discrete Fourier
transform，DFT） 后可得
( ) N－1
第 26 卷 第 4 期 2013 年 4 月
广东电力 GUANGDONG ELECTＲIC POWEＲ
doi： 10. 3969 / j. issn. 1007-290X. 2013. 04. 015
Vol. 26 No. 4 Apr. 2013
变压器套管介质损耗在线监测装置
王卓，黄新波，邓凸，王朝阳
就根据原中华人民共和国水利电力部颁发的《电气 设备预防性试验规程》对电气设备进行定期的停电 试验［1 － 3］、检修和维护，大量严重受潮和有明显缺 陷的设备被检查出来。但是，这种停电检修和试验 是定期进行的，难以及时反映设备内部绝缘的潜伏 性故障，具有一定的盲目性，同时也浪费了大量的 人力和物力，而且试验电压往往要低于运行电压， 故其等效性相对较差，对某些缺陷反映不够灵敏， 不能完全适应电网安全、经济、稳定运行的需求。 因此，基于状态的维修方式逐步代替基于时间的维 修方式，这是电力系统设备维修发展的必然趋势，
3 监测装置设计
笔者早前设计的变电站容性设备介质损耗在线 监测系统是基于现场可编程门阵列 （ field-programmable gate array，FPGA） 设计的，数据处理在监控 后台完成。而本文的变压器套管介质损耗在线监测 装置采用 FPGA + DSP 结构，在前端装置就可以就 地完成 数 据 处 理。FPGA 负 责 现 场 电 流 信 号 的 采 样，它具有采集精度高的特点； DSP 则负责运算和 数据传输，具有计算速度快的优点。系统采用双层 板结构，硬件原理如图 2 所示。
式中 XＲ（ k） 、XI（ k） 分别为 X（ k） 的实部和虚部。
由式（ 4） 可以看出，序列 x（ n） 即 φuk，其计算
式为
φuk
=
arctan XI（ k） . XＲ（ k）
（ 5）
同理可以得出 φik，进而根据式（ 2） 求取 tan δ。 由于 DFT 运算时间长，占用资源多，因此本
第4 期
王卓，等： 变压器套管介质损耗在线监测装置
73
而电气设备绝缘在线监测技术作为实行状态维修的 前提，已成为近年来国内外高电压领域的研究热 点［4 － 6］。
介质损耗因数是反映绝缘介质损耗大小的特征 参量［7］，其仅取 决 于 绝 缘 材 料 的 介 电 特 性， 与 介 质的尺寸无关，因此可间接通过在线监测介质损耗 因数来判断电力设备的绝缘情况［8 － 9］。本文研发的 变压器套管介 质 损 耗 在 线 监 测 装 置［10］ 采 用 谐 波 分 析法［11］作为 测 量 方 案，利 用 IＲIG-B 码［12］ 进 行 异 地同步授时采样，通过 EIA-485 总线将数据传送至 套管的智能电子设备（ intelligent electronic devices， IED） 。
∑ = U0 + Uk sin（ kωt + φuk ） ， k =1 ∞
（ Baidu Nhomakorabea）
∑ i（ t） = I0 + Iksin（ kωt + φuk） ．
k =1
式中： U0 、I0 分别为电压、电流的直流分量，Uk、
Ik 分别为第 k 次谐波电压、电流的幅值，ω 为电网
角频率，φuk、φik 分别为第 k 次谐波电压、电流的
1 系统测量原理
谐波分析法的原理： 通过传感器等装置分别测
量运行电压和流经试品的电流，将获得的模拟信号
转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求
出这两个信号的基波，通过比较基波的相位求出介
质损耗角 δ。
对电网电压 u（ t） 与流过设备绝缘的电流 i（ t）
进行傅里叶级数分解，其表达式为：
∞
{u（ t）
VT—电压互 感 器，voltage transformer 的 缩 写； GPS—全 球 定 位 系 统，global position system 的缩写。
图 1 变压器套管介质损耗在线监测系统的结构
74
广东 电 力
第 26 卷
EIA-485 模块和电源模块构成，其中 EIA-485 模块 可完成与 IED 的通信。间隔层的实体为变压器套 管 IED，由 EIA-485 模块控制现场采集单元，并读 取数据，再通过以太网以 IEC 61850 系列标准协议 将数据上传至站控层监控中心。站控层可以实现站 内所有的远程监控。
统装置有很大的提高。
关键词： 变压器; 套管; 介质损耗; 在线监测; 谐波分析法; IＲIG-B 码; 现场可编程门陈列
中图分类号： TM934. 32
文献标志码： A
文章编号： 1007-290X( 2013) 04-0072-05
Dielectric Loss of Transformer Bushing On-line Monitoring Apparatus