变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统及监测方法

摘要

一种变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统及监测方法，在线监测系统分为两层:一层为承担变电站内设备的监视、管理、控制和诊断任务的变电站控制管理单元；另一层是监测信息出口的现场智能化监测装置。基于高压电容性电气设备绝缘特性，对变电站内高压电气设备分类、特征量筛选、现场智能化监测装置取样、通信模块传输、Lon Works总线汇总、通讯模块函数运算及主控室PC机控制和诊断，解决了当前高压电气设备绝缘在线监测系统的设计结构不合理、传感器性能差、工作不稳定、抗干扰能力差、数据易丢失、数据共享程度差、升级和维护繁琐的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及变电站高压电气设备在线绝缘监测技术领域，具体是一种变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统及监测方法，用于高压电容性设备绝缘状态在线监测。

背景技术

高压电气设备安全运行往往需要考验其自身的绝缘水平好坏，绝缘水平的高低往往是决定高压电气设备的使用寿命，也就是说高压电气设备绝缘水平越高，那么其本身的寿命越长，反之。为了维护高压电气设备正常运行，我们一般通过进行高压绝缘试验进行检测。那么就会产生一种预防性试验检修制度，这种制度是指在设备运行一定时间后，无论设备有无缺陷或者问题都有停下来检查、试验、修理。这种制度的一个弊端就是检查、试验、修理时候有比较大的盲目性，不能准确的对相关设备对应的某个部位在线判断。而且对于某些大容量设备进行检查时，不够细致完整。同时还存在不足，主要表现为:

(1)维修及测试需要将正在运行的设备停电。国内电力供应仍相对紧张，特别是用电高峰期，如果这时间停电维修试验，那么对生产效益带来一定的影响。同时针对如此庞大的电网每年都需要停电进行维修试验，这将需要投入大量的人员和维修物品。另外，设备断电后温度下降，在一些试验中往往不能准确判断。有数据研究表明低温下测试设备的结果难以做出正确的判断的将达到58.5％左右。

(2)周期性检修时间短和繁重的工作量。检修这段时间内我们高度集中，劳动强度高，就会存在没有非常细致的诊断每台设备，对一些设备的可疑数据不能及时反复研究和综合判断，容易导致事故发生，从而得不偿失。

(3)通常检修试验电压较低，对试验结果的真实有效性不够明晰。由于停电时测试的电压较低，各种设备的标准状态受到改变，试验结果的准确性将受到不同程度影响，这时就会导致高压电气设备的绝缘性得不到很好的检测，其真实性不够明晰。

电气故障的发生往往是绝缘事故，据有统计，高压电力系统绝缘事故有80％以上。为了预防甚至杜绝绝缘事故的发生，我们研究的在线绝缘监测把被动的故障检修转变为主动检修。同时我们还需要好的的绝缘材料，改进绝缘结构，优化制造工艺来提高设备绝缘缺陷诊断技术水平。

根据电容性设备绝缘结构特点，在绝缘劣化后，介质损耗角正切值tgδ、电容量Cx和端屏漏电流Ix可能会增加。从这些特点切入开展绝缘在线监测研究。监测研究检测设备的电容值和介损可以很好的发现绝缘缺陷。让电气设备的预防性维护逐渐发展成预见性维护。因此，开展绝缘在线监测对保证电力系统安全可靠运行非常有意义。

发明内容

针对现有监测装置功能比较单一，还不能达到比较复杂多功能的监测。除了国内外少数在线绝缘监测项目能产出外，绝大部分的在线绝缘监测项目由于各方面的原因还不完善，还处于起步阶段。本发明提供了变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统，对变电站内高压电气设备分类、特征量筛选、现场智能化监测装置取样、通信模块传输、Lon Works总线汇总、通讯模块函数运算及主控室PC机控制和诊断，解决了当前高压电气设备绝缘在线监测系统的设计结构不够合理、传感器性能差、工作不稳定、抗干扰能力差、数据易丢失、数据共享程度差、升级与维护繁琐的难题。其设计为分布式现场总线技术为主导的在线监测系统，共分为两层:一层为变电站控制管理单元，承担变电站内设备的监视、管理、控制和诊断等任务；另一层就是就地的现场智能化监测装置，是监测信息的出口。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统，组成元器件包括现场智能化监测装置、通信模块、Lon Works总线、通讯模块及主控室PC机，组成元器件的具体结构和连接关系为：

所述现场智能化监测装置采用模块化设计，由取样传感器、信号调理及微处理机模块和电源管理模块组成，通信模块采用模块化设计，选择异步串行通信方式，独立运行，彼此间通过现场总线通信联系，Lon Works总线采用Lon Talk通讯协议，该协议遵循ISO/OSI参考模型，提供OSI所定义的全部7层服务，通讯速率为78Kbps/2700m，1.25Mbps/130m，节点数32000个，传输介质可为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、无线、红外线等，通讯模块采用是的以Lon Works总线技术为基础的Colon通信模块，该模块与上、下位机的连接都是通过标准的RS-232串口连接，通信介质使用带屏蔽的双绞线，模块的核心Neuron神经元芯片内部装了三个微处理器：一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，主控室PC机控制管理控制站智能监控单元的工作状态，读取测量数据和异常信息，保存测量数据，等待上位用户的计算机访问任务，计算机上安装有数据管理和故障诊断软件，对监测数据进行分析和判断，

连接关系为：当监测信号由传感器输入到信号调理电路中时，将被滤波、放大，经调理过的模拟量通过A/D转换装置转换成数字量后通过Lon Works总线传输至主控室PC机，微处理机模块中的CPU对输入数据进行加工处理、计算分析、变换的一系列工作，完成变电站高压电气设备的绝缘性能运算、绝缘状态判定、数据控制和问题诊断处理，并将最终的数据结果存入RAM，同时通过微处理机的通讯接口将数据通过通讯系统送至上位机的数据管理系统。

该系统采用母线电压互感器获取电压信号方式。

该系统的监测对象为变电站高压电气设备，高压电气设备由三类材料构成：一类为导电材料，二类为导磁材料，三类为绝缘材料，绝缘材料包含变压器类、高压开关类、互感器类、避雷器类设备，变电站高压电气设备包含主变、厂变、隔离开关、主断路器、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、支柱绝缘子。

所述数据管理系统通过DBMS软件授权，用SQLserver7.0来实现。

所述的变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的监测方法，包括如下步骤：

(1)采样：首先采样子程序分两路采样信号，一路是电压信号，另一路是电流信号，采样信号由传感器输入到信号调理电路中时，将被滤波、放大，经调理过的模拟量通过A/D转换装置转换成数字量后送入微处理机模块，为了避免由于通道参数的离散性而导致两路信号延时时间不等造成的测量误差，对电压、电流信号采取交替采样，在微处理机模块中的CPU对输入数据进行加工处理后将最终的数据结果送至上位机的数据管理系统；

(2)处理：接着DFT子程序接收到步骤(1)采集子程序获取的采样信号，将获取的信号进行DFT运算处理。电压传感器监测的信号从高压PT的二次侧提取，电流传感器则提取设备绝缘的电流信号，经过采样量化处理后，从采样结果表取出K个采样值U

(3)计算：然后经过步骤(2)运算后，采样数据才能容易地进入算法程序用以计算，计算采用浮点系统进行计算，浮点数由四个字节组成，其中一个字节是阶码，三个字节是尾数，尾数小数点位于高字节的左端，最高位表示符号位，当尾数为正时，最高位为“0”，对于规格化后的数，最高位为“l”；当尾数是负数时，最高的数字是“l”。由于2

式中，X

(4)判定：若步骤(3)输出k＝k-1＝0，按公式(3-2)直接取10次测量平均值；若步骤(3)输出k＝k-1≠0，则返回步骤(3)继续计算，最后有效数据信号进入微处理机模块先完成信号采集、A/D转换和调理后的数字信号处理，同时利用软件处理抗干扰和计算绝缘参数，然后将计算出的绝缘信息传输网络通信模块，网络通信模块再将计算出的绝缘情况信息通过电缆传输主控室主机；

(5)显示：最后用户界面根据网络通信模块的绝缘情况信息进行分类，由CPU对输入数据进行对比处理，依据步骤(4)计算输出的绝缘情况显示提示信息，根据疑似、正常、超出情况分别输出状态管理、事故预警、事故处理、紧急状态提示，完成变电站高压电气设备绝缘状态在线监测。

为了确保取样的准确精度，采用了自动补偿式零磁通有源传感器，除了选用起始导磁率较高，损耗较小的坡莫合金作铁芯外，还采用了深度负反馈技术，能够对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。现场智能化监测装置采用模块化设计，具有抗干扰能力强，互换性强，便于生产及现场维护等特点。在设备运行现场就近安装监测装置，并完成对绝缘状态的监测具有很大优点，它可以解决微弱的绝缘信息在长距离传输中受干扰和失真的问题，以及信息传输量大时很费时间，传输量少又难以准确判断绝缘状态的矛盾。

在线监测需要实时的采集运算绝缘状态变化量，为了降低采样装置运行需要的额外电力消耗，变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统采用母线电压互感器获取电压信号方式，不仅能够提高介质损量的取样，还成功替代采样装置运行需要的额外电力消耗。同时在母线电压下运行的电气设备相当于进行了绝缘性能的试验，数据真实可靠，数据采集时精度更加有保证，避免了由于检修试验电压低，不易发生缺陷，预防性试验合格后的烧坏、爆炸情况。

所述用户界面设计由Visual Basic完成，界面清晰，易用，功能完备，高效。采用模块化的程序设计方法，提高了程序设计的灵活性，安全性和可靠性。后台数据库使用SQLserver7.0，充分应用Transact SQL语言功能，建立一个非常完善的数据库，保证数据库中数据的真实性，一致性，有效性，合法性和安全性。编程人员可以利用VB提供的Activexdocument技术和数据库服务器建立WEB应用程序，这样一来，无论他身在何地，客户可以通过认WEB浏览器来获取应用程序提供的所有信息。

变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的工作原理：

1、监控系统需要每一个设备获取两路信号，一路是母线电压信号，另一路是泄漏电流信号。从变电站母线电压互感器获取电压信号，经电压传感器进入现场智能化监测装置，电流经电流传感器送入现场智能化监测装置，经过隔离、低通滤波之后，两路信号分别同时进入多路选择器，再由模拟多路选择器选择一路进入转换器完成采集。通过一串行通信把离散信号送至上位机进而分析诊断。

2、电流传感器是本监测系统的关键部件，采样精度是由电流传感器决定的，电流传感器的精度要求重要性不言而喻，它将直接影响电容型设备介质损耗的测量精度。为了不改变电气设备原有的接线方式，确保取样的安全性，采用穿芯结构的电磁式电流传感器，根据工作原理:I

3、信号调节模块将接收的设备生成的±V、±mA和±mV各种信号，通过这个模块成各种信号和隔离传输到控制室的PLC/DCS/显示仪表和其他接收设备，可以有效地抑制各种设备之间的信号干扰，解决“地面”潜在的各种设备之间的区别。信号调理模块有两个输入信号。一个是电压信号，一个是电流信号。考虑到套管、电流互感器等不同电容类型的设备，如电容器流经末端的泄露电流由数百毫安到上百毫安不同大小，由于电流互感器的电流信号不同，那提取方法也是不一样，因此需要通过该模块的信号放大电路来调整微处理器处理。利用微处理机模块中80C198单片内的10位A/D采样，具有足够精度。为避免由于通道参数的离散性而导致两路信号延迟时间不等造成测量误差，对电压、电流两路信号采取交替采样。为此，本信号调理模块使用了AD7502的8选2模拟开关。单片机通过HSO口控制AD7502的Al、A0端，交替选通电压、电流信号。由于微处理机模块的A/D转换器只能输入正极性信号，所以必须设置极性变换电路，将放大电路输出的双极性信号变换为正极性信号。

4、微处理机采用Intel高性能80C198单片机作为控制芯片，采用单片机总线MCUBUS标准进行设计，高度集成、低功耗、体积小，特别适用于现场总线控制、仪器仪表和分布式控制网络的前置从站。该模块完成对调理后信号的采样和A/D转换、数字信号处理，包括软件抗干扰处理和绝缘参量运算，然后将计算出的绝缘状态信息送往网络通讯模块，由它再将信息传到主机。

5、变电站绝缘在线监测系统是以控制管理单元为基础的。主要完成控制站智能监控单元的工作状态，读取测量数据和异常信息，保存测量数据，等待上位用户的计算机访问任务。在计算机上安装数据管理和故障诊断软件后，还可以对监测数据进行分析和判断。在线监测信息管理系统的软件包括前台应用软件和数据库管理软件。

本发明与现有技术相比，其突出的优点在于：

能够对变电站高压电气设备绝缘状态进行实时在线监测，并根据绝缘状态诊断结果输出状态管理、事故预警、事故处理、紧急状态提示，使变电站高压电气设备的故障防范于未然，其设计原理可靠，速度快，稳定性好，安全性高，硬件要求低，能提前预见绝缘薄弱点和故障设备，对保证电力系统安全可靠运行非常有意义，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明所述的变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的现场总线结构框图。

图2为实施例1涉及的现场智能化装置数据采集单元数据采集原理示意图。

图3为本发明涉及的用户界面功能框图。

图4为本发明涉及的DFT程序流程框图。

图5为本发明涉及的算法程序流程图。

图6为本发明所述的变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明所述的变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统，组成元器件包括变电站高压设备1，现场智能化监测装置2，通信模块3，Lon Works总线4，通讯模块5及主控室PC机6。组成元器件的具体结构和连接关系为：被监测的变电站高压设备1有变压器、互感器、断路器、避雷器等，现场智能化监测装置2通过内部的传感器10对变电站高压设备1进行电压、电流特征量采样，经过信号调理和微机运算处理后将信号从光纤输出至通信模块3，通信模块3采用的是以Lon Works总线技术为基础的Colon通信模块，并通过标准的RS-232串口与上、下位机连接。每一个通信模块3信号输出的结果直接送到Lon Works总线4上。Lon Works总线4是由一对带屏蔽双绞线构成，可挂接多个通信模块3装置。再由通讯模块5连接电缆把信息送至主控室PC机6。主控室PC机6即为控制管理单元，该单元由PC机和调置解调器构成，主要完成控制站智能监控单元的工作状态，读取测量数据和异常信息，保存测量数据，等待上层用户的计算机访问任务。当计算机上安装数据管理和故障诊断软件后，还可以对监测数据进行分析和判断。

现场智能化监测装置2内部安装有取样传感器10、前置信号处理单元11、采样保持12、多路转换器13、A/D转换器14、DSP模块15以及电源管理模块。

微处理机采用Intel高性能80C198单片机作为控制芯片，采用单片机总线MCUBUS标准进行设计，高度集成、低功耗、体积小，特别适用于现场总线控制、仪器仪表和分布式控制网络的前置从站。该模块完成对调理后信号的采样和AD/转换、数字信号处理，包括软件抗干扰处理和绝缘参量运算，然后将计算出的绝缘状态信息送往网络通讯模块，由它再将信息传到主机。80C198单片机模块特性参数：(1)功耗低:模板器件全部CMOS化，其工作电流<150mA。(2)单片机运算速度快，功能强:高能16位急速运算，指令平均执行时间0.5-1.5μs。自带函数库，可以进行浮点运算等复杂的运算。(3)无需外接A/D:模块有4通道，A/D转换器，完成一次A/D转换约合28.2μs。

用户界面6为4K超清显示屏，外形尺寸424mm×709mm×64mm，带有高度调节支架，高度角度可调。

如图3所示，用户界面6包含实时监控画面、数据采集、设备预警和报警管理、设备信息记录、信息共享、诊断决策、历史信息、报表系统以及设备管理功能模块。实时监控画面功能模块实时显示当前泄漏电流值、相电压值、介损值、等值电容量、环境温湿度值、系统运行时间等与绝缘状态相关参数测量值。数据采集模块实时采集信号转换来的数据信息，并进行整理处理。设备预警和报警功能模块主要根据各绝缘参数的运算结果给出预警信号，报警、危险等状态提示。设备信息记录功能模块主要记录现场智能化装置信息、现场被测设备信息等。信息共享功能模块可以提供多个用户终端同时获得监测数据，根据权限不同，数据信息范围也不同。诊断决策功能模块对被测设备的运行状态智能诊断，监测绝缘缺陷发展情况。历史信息查询功能模块查询历史记录的设备数据信息，查询被测设备的特征数据。报表系统功能模块可以根据各数据生成各直观表现出来的数据图表，利于工作人员进行对比分析。设备管理功能模块主要对变电站的被测设备的信息进行管理。

实施例2

所述变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的监测方法，包括如下步骤：

(1)采样：首先采样子程序分两路采样信号，一路是电压信号8，另一路是电流信号9，采样信号由传感器10输入到前置信号处理单元11，将信号被滤波、放大、对路转换13。经调理过的模拟量通过A/D转换装置14转换成DSP15数字量后送入微处理机模块，在微处理机模块中的CPU对输入数据进行加工处理后将最终的数据结果送至上位机的数据管理系统；

(2)处理：如图4DFT程序流程框图，接着DFT子程序接收到步骤(1)采集子程序获取的采样信号，将获取的信号进行DFT运算处理。从采样结果表取出K个采样值U

(3)计算：如图5算法程序流程图，然后经过步骤(2)运算处理后，采样数据才能容易地进入算法程序用以计算，计算采用浮点系统进行计算。此时调用采样子程序和DFT子程序各参数，代入公式(3-1)计算，其中，X1、X2、…、Xn为各监测参量，Y1、Y2、…、Yn为各监测参量的中间结果。

(4)判定：若步骤(3)输出k＝k-1＝0直接取10次测量平均值(公式(3-2))；若步骤(3)输出k＝k-1≠0则返回步骤(3)继续计算。最后有效数据信号信息通过电缆传输主控室主机。

(5)显示：最后用户界面6根据网络通信模块的绝缘情况信息进行分类，由CPU对输入数据进行对比处理，依据步骤(4)计算输出的绝缘情况显示提示信息。

图6为本发明所述变电站高压电气设备绝缘状态在线监测系统的原理框图，设备的绝缘相关参数作为特征量进过传感器采集信号，接着对信号进行放大运算、解析滤波、系统滤波再A/D转换。把处理的信号送入微处理机模块，在微处理机模块中的CPU对输入数据进行谐波分析算法计算后将最终的数据结果送至上位机的数据管理系统。