引言

近年來,我國的高速鐵路事業(yè)迅猛發(fā)展,舒適安全的高速鐵路已經(jīng)成為我國對(duì)外交往的一張名片。保障鐵路牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要性不言而喻,因此及時(shí)獲取牽引供變電所內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)就十分重要。在牽引供變電所內(nèi),容性設(shè)備的絕緣情況對(duì)變電站安全運(yùn)行具有重要意義。在線監(jiān)測技術(shù)是傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,在不影響設(shè)備正常安全運(yùn)行前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)其絕緣參數(shù)的實(shí)時(shí)獲得,進(jìn)而能夠?qū)υO(shè)備絕緣情況進(jìn)行有效判斷。因?yàn)槿菪栽O(shè)備絕緣老化是一個(gè)長期緩慢的過程,選擇合適的絕緣監(jiān)測參數(shù)就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的絕緣問題,有效避免突發(fā)事件的產(chǎn)生。根據(jù)容性設(shè)備介質(zhì)損耗tan6測量原理,借助高精度的電流傳感器以及智能監(jiān)測單元(IED),可以為電容式電壓互感器在線監(jiān)測提供更好的平臺(tái)保證。

1電容式電壓互感器介質(zhì)損耗監(jiān)測原理

1.1電容式電壓互感器介質(zhì)損耗的成因

在外部高壓環(huán)境的作用下,電氣設(shè)備絕緣材料會(huì)產(chǎn)生一系列介質(zhì)電導(dǎo)和極化的滯后現(xiàn)象,由此不斷在其內(nèi)部發(fā)生能量損耗,我們稱其為"介質(zhì)損耗",簡稱"介損"。介損經(jīng)過發(fā)展會(huì)造成電容性設(shè)備常見的絕緣受潮和老化問題等,引起局部缺陷或突發(fā)故障。介損演變過程只與絕緣設(shè)備的組成材料有關(guān),因此測量介質(zhì)損耗因數(shù)tan6和電容量Cx,是反映在役容性設(shè)備絕緣狀況的主要依據(jù)。

在牽引供變電所內(nèi),電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)會(huì)承受一定的電壓,由于介質(zhì)損耗的存在,設(shè)備的電流會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分量,具體如下:

式中,I為電氣設(shè)備的泄漏全電流:IR為阻性電流,它是泄漏電流的有功分量:IC為容性電流,它是全電流的無功分量。

在設(shè)備絕緣性能絕佳的情況下,容性電流IC相位與一次電壓U的相位夾角為909。而在介質(zhì)損耗存在的情況下,設(shè)備本身做功產(chǎn)生阻性電流,即IR,此時(shí)泄漏電流與一次電壓U的相位夾角要小于909。具體原理如圖1所示。

6為介質(zhì)損耗角,909-6的角度為s,即功率因數(shù)角。介質(zhì)損耗產(chǎn)生功率(P)的計(jì)算公式為:

式中,U為設(shè)備一次電壓:I為設(shè)備泄漏全電流:coss為電壓角頻率:C為介質(zhì)電容量:tan6為介質(zhì)損耗因數(shù)。

計(jì)算介損因數(shù)的公式如下:

式中,sU為母線電壓的基波相位角度:sI為設(shè)備泄漏全電流的相位角度。

1.2介質(zhì)損耗測量方法的研究

容性設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)測量值較小,大約在0U001到0U03范圍內(nèi),所以測量過程中方法的選擇,也決定著其測量的精準(zhǔn)性。目前,介損因數(shù)tan6的測量分為離線測量法和在線測量法兩大類,具體如圖2所示。

本文中,筆者主要選用在線式連續(xù)監(jiān)測方法,通過軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)施完成后的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先無需對(duì)在投運(yùn)設(shè)備進(jìn)行停電檢測,對(duì)日常生產(chǎn)工作不會(huì)造成影響:其次在線監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況,能更加客觀地反映其所處環(huán)境的真實(shí)數(shù)據(jù),對(duì)分析設(shè)備的介質(zhì)損耗程度參考性更高。

2在線監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分:過程層采集單元、間隔層IED(智能監(jiān)測單元)、站控層后臺(tái)系統(tǒng)和云端數(shù)據(jù)庫。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,電容式電壓互感器在線監(jiān)測裝置采集相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù),通過現(xiàn)場控制單元轉(zhuǎn)換、整理,再經(jīng)IED規(guī)約、匯總,發(fā)送到站控層后臺(tái)系統(tǒng)。站控層后臺(tái)系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心通信,專家軟件則利用各種修正理論模型、試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果來判斷變電站設(shè)備的運(yùn)行狀況,及時(shí)給出預(yù)報(bào)警信息,以防止各類事故的發(fā)生。

2.1系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

在線監(jiān)測系統(tǒng)依賴于高精度的電流傳感器及先進(jìn)的數(shù)字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,所有現(xiàn)場的采集裝置由四大部分組成,分別是采樣傳感器模塊、A/D采樣及信號(hào)處理模塊、嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊和電源管理及通信模塊。

2.1.1采樣傳感器模塊

高精度的電流傳感器是在線監(jiān)測系統(tǒng)最重要的部件,直接影響電容式電壓互感器監(jiān)測參數(shù)的測量精度。穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)簡單、體積較小,并能保證信號(hào)取樣的安全性,通常我們采用零磁通電流傳感器,這種帶有穿芯結(jié)構(gòu)的電流傳感器具有極好的溫度特性和抗電磁干擾能力,能夠檢測的工頻電流信號(hào)的范圍是50uA~700mA,相位變換誤差不大于±0.01-。

2.1.2A/D采樣及信號(hào)處理模塊

A/D采樣及信號(hào)處理模塊是在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要部件,模塊可以同時(shí)接入多個(gè)通道的交流或直流電壓信號(hào),模塊還能夠進(jìn)行通道的擴(kuò)展。

2.1.3嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊

嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件,模塊具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,確保采樣的數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確。信號(hào)處理模塊采用性能優(yōu)良的FPGA+DsP架構(gòu)設(shè)計(jì),該架構(gòu)設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)、適合于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢,完全可以滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.1.4電源管理及通信模塊

電源管理及通信模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的基本部件,模塊提供一個(gè)光電隔離的通信接口,可以同時(shí)掛載多個(gè)通信接點(diǎn),并且包含AC/DC開關(guān)電源模塊,能夠向其他模塊提供5V及士12V工作電源。

2.2系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采用的是分布式總線結(jié)構(gòu),并在數(shù)據(jù)采樣及處理、高精度傳感器設(shè)計(jì)以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面取得突破性的進(jìn)展,與以往的在線監(jiān)測系統(tǒng)相比具備如下特點(diǎn):

2.2.1安裝維護(hù)便捷

信號(hào)測量采集裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采集裝置的安裝以及調(diào)試不會(huì)影響一次設(shè)備的安全運(yùn)行。可在一次設(shè)備帶電運(yùn)行時(shí)對(duì)采集裝置包括傳感器在內(nèi)的所有部件進(jìn)行維修或更換,具備高度的穩(wěn)定性、便捷性和通用性。

2.2.2測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安全可靠

采用高精度的電流傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,利用先進(jìn)的嵌入式技術(shù)進(jìn)行數(shù)字處理,保障了電容式電壓互感器測量數(shù)據(jù)的精度及穩(wěn)定性,同時(shí)現(xiàn)場所有測量采集裝置均帶有設(shè)備自檢功能,使系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3配置靈活

監(jiān)測裝置采用分布式結(jié)構(gòu):可根據(jù)需要在通信總線上掛接不同類型及數(shù)量的本地測量單元,可就地把被測的電氣信號(hào)變成數(shù)字量,并通過數(shù)字化的通信總線傳送到系統(tǒng)主機(jī)。

2.3介損及電容量測量

電容式電壓互感器在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)是如何準(zhǔn)確獲得并求取兩個(gè)工頻基波電流信號(hào)的相位差。在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式架構(gòu)設(shè)計(jì),具備極強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力,并以快速傅里葉變換(FFT)算法為數(shù)學(xué)核心,來測量兩個(gè)工頻基波電流信號(hào)的相位差,基本原理如圖4所示。

首先測量出電流信號(hào)In、Ix,再利用高精度電流傳感器把電流變換為電壓信號(hào)Un、Ux,然后由A/D采樣及信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣及快速傅里葉變換處理,獲得這兩個(gè)信號(hào)的基波向量及其相位夾角Ph(x士n),最后計(jì)算出電容型設(shè)備Cx的介質(zhì)損耗tan6值。該方法對(duì)系統(tǒng)的數(shù)字處理能力要求較高,因此信號(hào)測量采集裝置的采樣量程及采樣頻率的精確設(shè)定和數(shù)據(jù)同步控制技術(shù)是保證測量精度的關(guān)鍵。

3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格遵守了以故障預(yù)測為主的故障預(yù)測與健康管理(PrognosticandHealthManagement,PHM)體系,除加入了智能化診斷算法外,軟件的狀態(tài)診斷評(píng)價(jià)體系可有效組織各種資源,通過流程管控實(shí)現(xiàn)專家、現(xiàn)場人員、項(xiàng)目經(jīng)理等角色之間相互配合,以標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范來保證評(píng)判依據(jù)和策略的科學(xué)性。根據(jù)電力設(shè)備狀態(tài)特征量和狀態(tài)評(píng)價(jià)相關(guān)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn),對(duì)反映設(shè)備健康狀態(tài)的各狀態(tài)量指標(biāo)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),并最終得出設(shè)備健康狀態(tài)等級(jí),為出具相關(guān)報(bào)告提供依據(jù)。

如圖5所示,該框架以電力行業(yè)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則和規(guī)程為基礎(chǔ),遵循國際通用的MIMOSAOSA-CBM/ISO13374狀態(tài)檢修框架和MIMOSAOSA-EAI企業(yè)應(yīng)用集成規(guī)范,通過獲取設(shè)備帶電檢測和運(yùn)行、檢修、試驗(yàn)、不良工況等現(xiàn)場數(shù)據(jù),結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、遺傳算法等智能領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)容性電氣設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、故障診斷、狀態(tài)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢修決策等全壽命周期的評(píng)價(jià)與分析。

軟件對(duì)MIMOSAOSA-CBM/ISO13374標(biāo)準(zhǔn)的六層框架進(jìn)行了擴(kuò)展,增加了狀態(tài)診斷和預(yù)測評(píng)估模塊。

模型數(shù)據(jù)管理層遵循MIMOSAOSA-EAI標(biāo)準(zhǔn),通過將來自不同數(shù)據(jù)源的異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的MIMOSACRIS數(shù)據(jù)格式,實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的無縫集成。

同時(shí),軟件引入的人工智能算法為設(shè)備的故障診斷注入了創(chuàng)新思路,其很好地描述了故障特征和故障類型之間的非線性關(guān)系,使得電容式電壓互感器的故障診斷,由依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)診斷逐漸升級(jí)為以人工智能技術(shù)為特征的高級(jí)診斷。因此,軟件的診斷環(huán)節(jié)中可采用kNN算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、CART分類與回歸樹算法對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)作進(jìn)一步分析,并可迅速給出判定結(jié)果和分析依據(jù),為系統(tǒng)的使用者準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備健康水平,提供了關(guān)鍵支撐與核心技術(shù)。

4結(jié)語

論文針對(duì)智能化牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展要求,對(duì)電容式電壓互感器在線監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究,在電容式電壓互感器介質(zhì)損耗監(jiān)測原理、嵌入式采集終端、在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)等方面取得了一定的成果,但還是需要基于牽引供變電所實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行進(jìn)一步的完善和研究。