基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测系统及方法，通过采用电流互感器和隔离变压器获取容性设备的实时电流、电压数据，并将两者同时送入具有相同硬件参数的AD采集电路，实现电流、电压信号的并行同步采集，避免了传统的电流、电压信号采集非同步问题。本发明专利技术从两方面改进了介质损耗角的测量方法：数据采集单元部分提出基于卡尔曼滤波的基波频率跟踪算法，达到对A/D采样芯片的反馈控制，实现现场电流、电压的整周期信号采样；工控机结合相应的加窗FFT算法，降低信号FFT运算时频谱泄漏的影响。本发明专利技术显著提高了实际测量介质损耗角的精度，为高压容性设备的监测和早期预警提供了有力依据。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，通过采用电流互感器和隔离变压器获取容性设备的实时电流、电压数据，并将两者同时送入具有相同硬件参数的AD采集电路，实现电流、电压信号的并行同步采集，避免了传统的电流、电压信号采集非同步问题。本专利技术从两方面改进了介质损耗角的测量方法：数据采集单元部分提出基于卡尔曼滤波的基波频率跟踪算法，达到对A/D采样芯片的反馈控制，实现现场电流、电压的整周期信号采样；工控机结合相应的加窗FFT算法，降低信号FFT运算时频谱泄漏的影响。本专利技术显著提高了实际测量介质损耗角的精度，为高压容性设备的监测和早期预警提供了有力依据。【专利说明】
本专利技术属于电力设备在线监测
，尤其涉及高压容性设备在线监测
。具体涉及到一种。
技术介绍
高压容性设备在输变电系统中占据着及其重要的位置，如电容器、电容式电压互感器等。但是由于容性设备工作环境的影响，设备长期带电运行过程中会逐渐出现绝缘老化且造成绝缘故障累积，容型设备的绝缘故障不仅影响整个变电站的安全运行，同时还危及其它设备及供电系统的安全，因此对容型设备绝缘故障进行准确诊断具有重要意义。目前，较多的绝缘故障诊断方法是定期检修法。根据实验结果判断设备故障与否，但是此方法不仅经济性差、可靠性低而且具有一定的安全隐患。因此容性设备故障在线监测方案正在逐渐取代传统测试方法。介质损耗角是高压容型设备绝缘状况的重要特征参数，通过实时监测容型设备介质损耗角可以实现对其故障的在线监测。常用的介质损耗角检测方法有两类:一类是基于硬件实现的，如过零比较法等；另一类是基于软件实现的，如相关函数法，谐波分析法等。前者原理简单，易于实现，但是对硬件的要求很高，零点漂移，硬件电路时延会对测量结果的准确性造成极大影响；后者减小了对硬件的要求，通过软件算法实现介质损耗角的高精度测量。目前，基于软件算法的介质损耗角测量方法已经逐渐取代传统硬件方法，容性设备介质损耗角在线监测系统实际运行中主要存在的以下问题:1、电网频率存在一定的波动，硬件采样电路不能实时进行电网频率跟踪，实现信号的整周期采样。2、采用快速傅里叶变换(FFT)算法进行谐波分析时，由于信号非整周期截断产生的频谱泄漏和栅栏效应，导致计算的信号参数:频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，直接影响到介质损耗角测量精度。3、电流、电压信号的非同步采集导致介质损耗角测量误差偏大。4、信号就地采集后的数据传输往往都是通过电缆进行的。就不可避免的会受到电磁干扰，导致信号衰减，影响了现场采集数据的还原，进而降低了介质损耗角的测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测系统，通过高精度A/D对现场容性设备的实时电流、电压信号进行并行同步采集，以获得设备的原始数据，利用光纤将数据传输到二次侧工控机实现信号处理及显示。本专利技术的另一个目的是提供一种基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测方法。通过基于卡尔曼滤波的基波频率跟踪算法，达到对A/D采样芯片的反馈控制，实现现场电流、电压的整周期信号采样；再将电信号转换为光信号通过光纤送入到主控室工控机进行FFT变换，减小了信号FFT运算时因为非整周期截断产生的频谱泄漏和栅栏效应，提高了介质损耗角的测量精度。实现上述专利技术目的的技术解决方案是:一种基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测系统，包括依次连接的现场数据采集单元，主控室信号处理单元，远程监控单元；所述现场数据采集单元包括用于获取容性设备的电流互感器、隔离变压器，信号调理电路、A/D采样单元、主控CPU单元、数据传输单元以及供电单元；电流互感器、隔离变压器分别与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D采样单元连接，主控CPU单元分别与A/D采样单元、数据传输单元、供电单元连接；现场容性设备电流信号的获取是选用0.1级的开合式电流互感器，利用电磁感应原理获得；容性设备的实时电压信号通过直接测量PT 二次侧输出端获得；将二次侧电压信号送入高压隔离变压器输入端，再将高压隔离变压器的输出电压信号连同电流互感器测得的电流信号，送入到具有相同硬件参数的现场信号调理电路上进行滤波放大，之后共同接入并行采样A/D转换芯片中；主控CPU单元负责现场电流、电压信号的卡尔曼频率跟踪，进而控制A/D实现信号的整周期采样和数据转发；数据传输单元负责将现场信号由高压侧传至低压侧主控室；供电单元采用工业级高压隔离PT为所述容性设备现场数据采集单元提供电能；所述隔离变压器用来实现高低压侧电气隔离，同时将PT 二次侧电压变换后送入具有相同硬件参数的信号调理电路，之后共同送入并行同步采样A/D中，实现现场容性设备电压、电流信号的并行同步采集；作为优选方案，本专利技术所述A/D采样单元采用并行A/D采样芯片AD7656进行现场数据的实时采集，所述主控CPU单元选择ARM进行卡尔曼频率跟踪及数据转发。作为优选方案，本专利技术数据传输单元选用光纤作为传输介质，现场数据采集单元与主控室信号处理单元中的工控机通过光纤连接，有效避免了传输过程中的电磁干扰、信号衰减问题，实现了高低压侧良好的电气隔离。所述主控室信号处理单元包括工控机以及与工控机连接的GPRS报警单元，工控机上安装有处理软件，工控机及其处理软件负责现场数据的实时处理和保存。所述GPRS报警单元利用RS232接口与工控机进行连接，根据工控机数据处理结果控制其远程报警与否。作为优选方案，工控机的处理软件选择虚拟仪器LABVIEW进行信号实时处理，同时利用MySQL数据库对现场监测到的数据进行数据管理和查询，以方便远程监控单元访问。所述远程监控单元是由局控制中心各单位的PC机构成，通过WEB服务器与工控机连接，实现对变电站工控机的远程数据访问。本专利技术还提供了一种基于卡尔曼频率跟踪的容性设备介损在线监测方法，包括以下步骤:步骤1:现场数据采集单元利用基于卡尔曼滤波的基波频率跟踪算法，达到对A/D采样芯片的反馈控制，实现现场电流I，电压U的整周期信号同步并行采样；步骤2:将数据采集单元实时采集到的电流I，电压U数据通过光纤传输至工控机，工控机的处理软件采用加窗FFT算法，实时计算现场容性设备的介质损耗角；步骤3:根据工控机实时测量的介质损耗角，进行现场容性设备的故障判断，一旦判断其超出报警阈值，则工控机进行声光报警提示且GPRS短信群发报警；同时工控机增加一条故障记录，以方便局监测中心通过web网络实时查询。其中，所述步骤I中，现场数据采集单元中采用的基于卡尔曼的基波频率跟踪算法是一种频率自反馈数据采集方法，该方法采用基于无迹变换(Unscentedtransformation)的频率跟踪方法对电力系统的瞬时频率进行动态跟踪，根据输入信号准确跟踪到当前电网频率和幅值，进而调整采样频率，使其始终满足是当前电网频率的2、咅(N为大于I的整数)，实现现场电流，电压信号的整周期采样；无迹卡尔曼滤波器(UKF)利用UT方法计算出非线性最优估计的高斯近似解，UKF算法作为公知内容，本专利技术不再赘述。作为优选方案，本专利技术数据采集单元，基于UKF的电网频率跟踪方法是在主控芯片ARM中完成的；频率自反馈数据采集方法主要通过以下步骤实现:I)构建包含信号相位、角速度和幅值的状态变量；2)根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王先培，朱国威，龙嘉川，赵宇，田猛，代荡荡，严裕程，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：