CN1553206A - 变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测的系统，该发明主要由以下部分组成：a.取流传感器、b.前端信号调理单元、c.后端信号调理单元、d.数据采集单元、e.数据分析单元和f.趋势预测单元。本发明以虚拟仪器技术和图形化编程语言LabVIEW为核心、结合SQL SERVER2000数据库系统开发了多设备多点污秽泄漏电流的循环检测、数据分析、数据处理、趋势预测、远程监测软件。本发明可以适合在变电站不同设备上安装使用，而且长期的历史趋势曲线图显示该发明能够有效地可靠监测到泄漏电流随时间、温度和湿度的变化规律，系统工作稳定，取得了良好的效果。
Description
技术领域
本发明属于电气技术领域，涉及变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测技术，特别涉及基于虚拟仪器技术的变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测系统。
背景技术
变电站电力设备，特别是运行在工业地区、沿海和盐碱地区的变电站电力设备，表面污秽层流过的电流，受到电压、污秽、气候三要素综合影响，当绝缘表面污秽程度严重时，随时会发生污秽闪络事故。污闪不仅对电网安全运行构成严重威胁，而且将造成巨大的经济损失。本发明通过研究并分析了超高压变电站多设备外绝缘泄漏电流在线监测的现状和现有技术，成功提出并开发了该外绝缘泄漏电流监测系统，已在电力系统挂网运行，对提高电力设备运行可靠性具有重要意义。
如中国专利(专利号：ZL01115300.8)一种变电站污闪在线监测系统及方法，中国专利(专利号：ZL90205395.7)污秽泄漏电流自动监测仪，中国专利(专利号：ZL93207372.7)线路污秽电流自动监测报警器等。现在国内外所研制的产品一些是基于单台设备的检测，一些是线路绝缘子的监测系统，而对变电站多设备外绝缘的监测系统很少。这些产品虽然有着诸多的优点，但是它们也各自存在不足之处。它们在技术上是多以嵌入式微处理器为主，由于受到处理器总线速度及存储能力的限制，难以统一对变电站中大部分的电力设备外绝缘进行监测；大部分系统都是采用单片机做下位机同上位机通信来解决数据的传输，软件方面都是独立开发，可移植性差。
随着计算机技术的发展，通过软件平台和硬件板卡，再采用适合的总线模式，形成的虚拟仪器得到了越来越广泛的应用。它用虚拟控件来控制底层硬件，由功能强大的软件来完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念。采用该思想构建的监测系统也具备虚拟仪器的众多优点，所以该技术更具有高效、易用、灵活、功能强大等特点。目前，虚拟仪器技术的广泛推广，使用通用的数据采集卡和专用编程软件可以节省很多人力和物力的投入，缩短产品开发周期，并能够开发出性能优越的产品。
另外采用人工智能的方法来预测泄漏电流的变化趋势和绝缘污秽程度发展趋势的方法尚未在相关系统应用，而这些预测工作却具有相当重要的意义，它为电力系统设备的状态检修和评估及诊断做必要的铺垫工作。根据我国变电站的具体情况，对变电站内多台设备的外绝缘泄漏电流集中监测并开发出先进的诊断和预测软件具有重要意义。
发明内容
为了更好的实现变电站主要设备泄漏电流的准确测量，并为电力系统提供更真实的现场监测数据及绝缘状态预测，变计划检修为状态检修，本发明的目的在于，提出开展基于虚拟仪器技术的变电站多设备多点外绝缘泄漏电流在线监测技术的研究，并在此基础上开发相应的监测系统。
本发明的主要目的包括以下内容：
(1)寻求适合于各种电力设备外绝缘泄漏电流监测的传感方法；
(2)研制出用于微弱泄漏电流的信号调理、信号传输和数据采集电路，并将现场抗干扰技术措施应用于这些电路的设计；
(3)开发基于虚拟仪器技术和图形化编程语言监测系统软件，实现循环监测、数值计算、历史查询、趋势预测、故障报警、显示打印、远程监控等功能；
实现上述发明目的的技术解决方案是，一种基于虚拟仪器技术的泄漏电流在线监测系统，其特点是，包括以下部分：
1)取流传感器a
取流传感器a用于提取运行中的外绝缘泄漏电流并实现高低压电气隔离；其中包括一设置在支柱绝缘子上的不锈钢可调节取流环和小电流互感器电气隔离单元，可调节取流环与小电流互感器电气隔离单元的初级线圈N1连接，次级线圈N2用于信号感应输出；
2)前端信号调理单元b
前端信号调理单元b为一模块，用于对微弱泄漏电流信号的调理；其中包括多路选通电路、可变增益放大电路、低通滤波电路和电压电流转换电路；
3)后端信号调理单元c
后端信号调理单元c同样为一模块，用于各现场泄漏电流调理单元调理得到的电流变送信号，经长距离传输后由该单元实现抗干扰滤波、电气隔离后调理成数据采集板卡模拟输入通道允许的范围，其中包括多路选通电路、隔离前低通滤波电路、模拟线性隔离电路和隔离后低通滤波电路；
4)工控机
工控机内用于监测软件驱动数据采集卡进行循检的数据采集、分析、计算，具体完成循检、存储、显示、报警、查询、预测、打印；
工控机内包括数据采集单元d、数据分析单元e和趋势预测单元f；
数据采集单元d用于监测软件的控制下现场多设备多点泄漏电流值及环境温湿度参数的测量，包括一多功能数据采集卡PCI-6025和数字I/O控制卡PCI-6503；
数据分析单元e用于对泄漏电流的巴特沃思低通IIR数字滤波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技术，计算泄漏电流有效值，并进行一级和二级整定值预警判断；
趋势预测单元f用于综合考虑泄漏电流值和环境温湿度参数，趋势预测软件和环境温湿度测量硬件单元，由LabVIEW软件调用Matlab，通过软件设定的BP神经网络预测算法，实现未来12小时和24小时的泄漏电流数值预测。
本发明系统地研究了外绝缘泄漏电流的传感取流技术、高低压电气隔离技术、微弱信号的提取和传输技术、硬件滤波技术、屏蔽技术和光电隔离等技术，开发了适合于不同结构尺寸的电力设备外绝缘的泄漏电流取流传感器、隔离放大单元、前后端信号调理单元、数据采集单元等硬件。隔离放大单元实现了高低压电气的隔离保护，其中电流互感器的测量精度可达1μA及测量范围为1μA到2A，系统具有较高的测量精确度和稳定性。前后端信号调理单元实现了4-20mA的电流信号传输，可变增益的控制及多监测点的选通控制等功能。采用了巴特沃思低通滤波电路，瞬态电压抑制电路，三套电源供电系统，光耦器件等解决了现场的抗干扰问题。
本发明利用虚拟仪器技术、数据库技术、软件滤波技术和趋势预测技术，开发了基于图形化编程语言LabVIEW和数据库管理系统SQL SERVER 2000的监测软件，开发了变电站多设备泄漏电流的循环检测、数据分析、数据处理、趋势预测、远程监测等监测与控制软件，开发了基于IIR和小波多分辨率分析的数字滤波器软件子模块，开发了基于神经网络的泄漏电流变化趋势预测软件子模块。现场运行表明，开发的软件具有运行稳定，界面友好，功能齐备的特点。监测与控制功能良好，数字滤波模块实现了高频干扰信号的抑制和工频有用信号的提取，预测软件实现了初步的泄漏电流变化趋势预测。
附图说明
图1是本发明的系统功能框图。
图2是泄漏电流取流原理图。其中a是取流结构示意图，b是取流电路原理图。
图3是前端信号调理单元功能框图。
图4是后端信号调理单元功能框图。
图5是温湿度测量单元功能框图。
图6是泄漏电流监测软件主界面。
图7是监测程序流程图。
图8是预测功能流程图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
变电站电力设备的户外绝缘包括线路绝缘、电站支撑绝缘以及电气设备的瓷套和套管等的沿面或空气绝缘等，对不同类型的户外绝缘应根据具体情况选取不同的监测方案。比如线路绝缘子的在线监测中，往往采用嵌入式微机系统和无线通讯技术解决数据的传送问题，监测系统就近安装于线路铁塔上，由远方的监控中心集中管理和监测并完成监测数据的存储与分析。而对于变电站来说，站中通常具有以下电力设备：电流互感器、电压互感器、变压器、避雷器、断路器及隔离开关。根据户外变电站占地面积大，设备分散的实际情况，本发明设计了一个集中监测系统。该系统主要由以下部分组成：
1)取流传感器a
取流传感器a用于提取运行中的外绝缘泄漏电流并实现高低压电气隔离；其中包括一设置在支柱绝缘子上的不锈钢可调节取流环1和小电流互感器电气隔离单元2，可调节取流环1与小电流互感器电气隔离单元2的初级线圈N1连接，次级线圈N2用于信号感应输出；
2)前端信号调理单元b
前端信号调理单元b为一模块，功能框图如图3所示。用于对微弱泄漏电流信号的调理；其中包括多路选通电路3、可变增益放大电路4、低通滤波电路5和电压电流转换电路6，该模块允许3路或6路模拟电压信号输入，具有1×、10×、100×、1000×四个放大档位，低通滤波电路5的低通截止频率为1kHz，电压电流转换电路6实现4mA～20mA的电流变送；
3)后端信号调理单元c
后端信号调理单元c同样为一模块，功能框图如图4所示。用于各现场泄漏电流调理单元调理得到的电流变送信号，经长距离传输后由该单元实现抗干扰滤波、电气隔离后调理成数据采集板卡模拟输入通道允许的范围，其中包括多路选通电路7、隔离前低通滤波电路8、模拟线性隔离电路9和隔离后低通滤波电路10；
4)工控机
工控机内用监测软件驱动数据采集卡进行循检的数据采集、分析、计算，具体完成循检、存储、显示、报警、查询、预测、打印；
工控机内包括数据采集单元d、数据分析单元e和趋势预测单元f；
数据采集单元d用于监测软件的控制下现场多设备多点泄漏电流值及环境温湿度参数的测量，包括一多功能数据采集卡PCI-6025和数字I/O控制卡PCI-6503；
数据分析单元e用于对泄漏电流的巴特沃思低通IIR数字滤波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技术，计算泄漏电流有效值，并进行一级和二级整定值预警判断；
趋势预测单元f用于综合考虑泄漏电流值和环境温湿度参数，开发了趋势预测软件和环境温湿度测量硬件单元，由LabVIEW软件调用Matlab，通过软件设定的BP神经网络预测算法，实现未来12小时和24小时的泄漏电流数值预测。
整个系统的工作流程是，采用安装在全站电力设备外绝缘套上靠近接地法兰位置的取流装置取得待监测的泄漏电流信号，然后经过保护单元及电流传感器，汇集到站内电力设备附近的前置信号调理单元，调理后的模拟信号经远距离传输汇总到后端调理单元，进而由工控机监测软件驱动数据采集卡进行循检的数据采集，分析软件实现了查询，数据分析与处理，趋势预测，远程监测等功能。系统功能框图如图1所示。
图2中泄漏电流的取流装置中，取流环1用宽为5mm的不锈钢带做成，其具有自紧固的功能。在不锈钢带同瓷瓶外绝缘相接触的一侧涂有导电胶，使其牢固连接并有良好的导电性能。
图2中的电流互感器电气隔离装置中，采用坡莫合金作为导磁材料，采用的是穿心式绕制方法，副边为电流输出。整体装置用硅橡胶浇注封装，实现防水功能。
图3中的前端信号调理单元中实现了可变增益的调理功能，有四个可调档位。实现了4mA～20mA的电流变送。
图4中的后端信号调理单元中接受控制单元的控制信号，实现现场单元与测量单元的电气隔离功能。
图5中的温湿度单元采用AD公司的温度传感器AD590和Honeywell公司的湿度传感器HIH3062L。实现了4～20mA的电流变送来传递温湿度参量。相对湿度的计算结合了温度的测量数据，换算出实际的相对湿度值。
图6为基于虚拟仪器技术开发的泄漏电流在线监测系统软件主界面。基于传统仪器测量的思想实现在线监测的目的。软件可以设定手动和全自动两种监测模式。
图7为监测功能流程图。该监测系统的软件，设定了两种监测模式(手动和自动)，且在后端信号调理单元和前端信号调理单元的硬件配合下，实现了对现场待监测设备监测点泄漏电流信号的测量。调理后的信号进入数据采集卡的模拟输入通道，由软件控制板卡实现模数转换，数字滤波程序和小波分析技术滤除各种干扰信号，有效值计算程序计算出泄漏电流的有效值，根据两级阈值报警整定值判断其绝缘状态，并将该信号的附加信息一同存入数据库。软件还实现了主界面指示灯报警显示和声音报警等。
图8为预测功能流程图。预测功能分为单步预测和多步预测。单步预测模式，输入为某一个24小时时间段内的监测设备24个每小时平均泄漏电流数据，24个每小时平均环境温度数据，24个每小时平均环境湿度数据，输出为1个时间段的预测数据。多步预测模式，输入不变，仍然为某一个24小时时间段内的监测设备24个每小时平均泄漏电流数据，24个每小时平均环境温度数据，24个每小时平均环境湿度数据，输出为将来12小时各相应时段平均泄漏电流预测数据。
申请人按照上述技术方案制成的变电站电力设备外绝缘综合在线监测系统，已在平顶山谢庄110kV变电站上挂网运行。挂网运行结果表明，本发明可以适合在变电站不同设备上安装使用。变电站电力设备在正常天气运行下的泄漏电流数据为：PT外绝缘泄漏电流变化范围90μA～200μA，CT外绝缘泄漏电流变化范围60μA～100μA，断路器外绝缘泄漏电流变化范围20μA～60μA，变压器110kV侧套管外绝缘泄漏电流变化范围20μA～40μA，变压器35kV侧套管外绝缘泄漏电流变化范围160μA～200μA。而且长期的历史趋势曲线图显示该发明能够有效地可靠监测到泄漏电流随时间、温度和湿度的变化规律，系统工作稳定，取得了良好的效果。
Claims (5)
1.一种基于虚拟仪器技术的变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测系统，其特征在于，包括以下部分：
1)取流传感器a
取流传感器a用于提取运行中的外绝缘泄漏电流并实现高低压电气隔离；其中包括一设置在支柱绝缘子上的不锈钢可调节取流环【1】和小电流互感器电气隔离单元【2】，可调节取流环【1】与小电流互感器电气隔离单元【2】的初级线圈N1连接，次级线圈N2用于信号感应输出；
2)前端信号调理单元b
前端信号调理单元b为一模块，用于对微弱泄漏电流信号的调理；其中包括多路选通电路【3】、可变增益放大电路【4】、低通滤波电路【5】和电压电流转换电路【6】；
3)后端信号调理单元c
后端信号调理单元c同样为一模块，用于各现场泄漏电流调理单元调理得到的电流变送信号，经长距离传输后由该单元实现抗干扰滤波、电气隔离后调理成数据采集板卡模拟输入通道允许的范围，其中包括多路选通电路【7】、隔离前低通滤波电路【8】、模拟线性隔离电路【9】和隔离后低通滤波电路【10】；
4)工控机
工控机内用于监测软件驱动数据采集卡进行循检的数据采集、分析、计算，具体完成循检、存储、显示、报警、查询、预测、打印；
工控机内包括数据采集单元d、数据分析单元e和趋势预测单元f；
数据采集单元d用于监测软件的控制下现场多设备多点泄漏电流值及环境温湿度参数的测量，包括一多功能数据采集卡PCI-6025和数字I/O控制卡PCI-6503；
数据分析单元e用于对泄漏电流的巴特沃思低通IIR数字滤波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技术，计算泄漏电流有效值，并进行一级和二级整定值预警判断；
趋势预测单元f用于综合考虑泄漏电流值和环境温湿度参数，趋势预测软件和环境温湿度测量硬件单元，由LabVIEW软件调用Matlab，通过软件设定的BP神经网络预测算法，实现未来12小时和24小时的泄漏电流数值预测。
2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的泄漏电流在线监测系统，其特征在于，所述的取流传感器a安装在全站电力设备外绝缘瓷套靠近接地法兰位置。
3.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的泄漏电流在线监测系统，其特征在于，所述取流环【1】用宽为5mm的不锈钢带做成，在不锈钢带同瓷瓶外绝缘相接触的一侧涂有导电胶，其结构具有自紧固的功能。
4.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的泄漏电流在线监测系统，其特征在于，所述工控机上还可以连接一调制解调器，用于网络通讯和远程监测功能。
5.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的泄漏电流在线监测系统，其特征在于，所述前端信号调理单元b模块允许3路或6路模拟电压信号输入，具有1×、10×、100×、1000×四个放大档位，低通滤波电路【5】的低通截止频率为1kHz，电压电流转换电路【6】实现4～20mA的电流变送。
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Assignee: Guangdong Weiheng Power Transmission and Distribution Co., Ltd. Assignor: Xi'an Jiaotong University Contract record no.: 2010440000792 Denomination of invention: Electric power apparatus external insulative leakage current on-line monitoring system in converting station Granted publication date: 20051221 License type: Exclusive License Open date: 20041208 Record date: 20100612 |
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