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成為我國對外交往的一張名片。保障鐵路牽引供電系統(tǒng)安全運行的重要性不言而喻,因此及時獲取牽引供變電所內電氣設備的運行狀態(tài)就十分重要。在牽引供變電所內,容性設備的絕緣情況對變電站安全運行具有重要意義。在線監(jiān)測技術是傳感器技術和計算機技術的有機結合,在不影響設備正常安全運行前提下,實現(xiàn)對其絕緣參數的實時獲得,進而能夠對設備絕緣情況進行有效判斷。因為容性設備絕緣老化是一個長期緩慢的過程,選擇合適的絕緣監(jiān)測參數就可以及時發(fā)現(xiàn)設備存在的絕緣問題,有效避免突發(fā)事件的產生。根據容性設備介質損耗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)測提供更好的平臺保證。

1電容式電壓互感器介質損耗監(jiān)測原理

1.1電容式電壓互感器介質損耗的成因

在外部高壓環(huán)境的作用下,電氣設備絕緣材料會產生一系列介質電導和極化的滯后現(xiàn)象,由此不斷在其內部發(fā)生能量損耗,我們稱其為"介質損耗",簡稱"介損"。介損經過發(fā)展會造成電容性設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備的組成材料有關,因此測量介質損耗因數tan6和電容量Cx,是反映在役容性設備絕緣狀況的主要依據。

在牽引供變電所內,電氣設備正常運行時會承受一定的電壓,由于介質損耗的存在,設備的電流會產生兩個分量,具體如下:

式中,I為電氣設備的泄漏全電流: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。而在介質損耗存在的情況下,設備本身做功產生阻性電流,即IR,此時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為介質損耗角,909-6的角度為s,即功率因數角。介質損耗產生功率(P)的計算公式為:

式中,U為設備一次電壓:I為設備泄漏全電流:coss為電壓角頻率:C為介質電容量:tan6為介質損耗因數。

計算介損因數的公式如下:

式中,sU為母線電壓的基波相位角度:sI為設備泄漏全電流的相位角度。

1.2介質損耗測量方法的研究

容性設備介質損耗因數測量值較小,大約在0U001到0U03范圍內,所以測量過程中方法的選擇,也決定著其測量的精準性。目前,介損因數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,通過軟硬件結合設計在線監(jiān)測系統(tǒng),實施完成后的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面:首先無需對在投運設備進行停電檢測,對日常生產工作不會造成影響:其次在線監(jiān)測設備的運行狀況,能更加客觀地反映其所處環(huán)境的真實數據,對分析設備的介質損耗程度參考性更高。

2在線監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為四個部分:過程層采集單元、間隔層IED(智能監(jiān)測單元)、站控層后臺系統(tǒng)和云端數據庫。其系統(tǒng)結構框圖如圖3所示,電容式電壓互感器在線監(jiān)測裝置采集相應設備的狀態(tài)數據,通過現(xiàn)場控制單元轉換、整理,再經IED規(guī)約、匯總,發(fā)送到站控層后臺系統(tǒng)。站控層后臺系統(tǒng)利用網絡和數據中心通信,專家軟件則利用各種修正理論模型、試驗結果和現(xiàn)場運行結果來判斷變電站設備的運行狀況,及時給出預報警信息,以防止各類事故的發(fā)生。

2.1系統(tǒng)的關鍵部件

在線監(jiān)測系統(tǒng)依賴于高精度的電流傳感器及先進的數字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結構采用模塊化設計思路,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采樣及信號處理模塊、嵌入式數據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)測參數的測量精度。穿心式電流互感器結構簡單、體積較小,并能保證信號取樣的安全性,通常我們采用零磁通電流傳感器,這種帶有穿芯結構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采樣及信號處理模塊

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

2.1.3嵌入式數據處理模塊

嵌入式數據處理模塊是整個在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件,模塊具備強大的數據處理能力,確保采樣的數據安全準確。信號處理模塊采用性能優(yōu)良的FPGA+DsP架構設計,該架構設計具有結構靈活、通用性強、適合于模塊化設計等優(yōu)勢,完全可以滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要。

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,模塊提供一個光電隔離的通信接口,可以同時掛載多個通信接點,并且包含AC/DC開關電源模塊,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

在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采用的是分布式總線結構,并在數據采樣及處理、高精度傳感器設計以及嵌入式系統(tǒng)應用等方面取得突破性的進展,與以往的在線監(jiān)測系統(tǒng)相比具備如下特點:

2.2.1安裝維護便捷

信號測量采集裝置采用模塊化結構設計,采集裝置的安裝以及調試不會影響一次設備的安全運行。可在一次設備帶電運行時對采集裝置包括傳感器在內的所有部件進行維修或更換,具備高度的穩(wěn)定性、便捷性和通用性。

2.2.2測量數據準確、安全可靠

采用高精度的電流傳感器進行數據的采集,利用先進的嵌入式技術進行數字處理,保障了電容式電壓互感器測量數據的精度及穩(wěn)定性,同時現(xiàn)場所有測量采集裝置均帶有設備自檢功能,使系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行。

2.2.3配置靈活

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

2.3介損及電容量測量

電容式電壓互感器在線監(jiān)測的關鍵技術是如何準確獲得并求取兩個工頻基波電流信號的相位差。在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式架構設計,具備極強的數學運算能力,并以快速傅里葉變換(FFT)算法為數學核心,來測量兩個工頻基波電流信號的相位差,基本原理如圖4所示。

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

3軟件結構設計

軟件設計過程中嚴格遵守了以故障預測為主的故障預測與健康管理(PrognosticandHealthManagement,PHM)體系,除加入了智能化診斷算法外,軟件的狀態(tài)診斷評價體系可有效組織各種資源,通過流程管控實現(xiàn)專家、現(xiàn)場人員、項目經理等角色之間相互配合,以標準化規(guī)范來保證評判依據和策略的科學性。根據電力設備狀態(tài)特征量和狀態(tài)評價相關導則標準,對反映設備健康狀態(tài)的各狀態(tài)量指標項數據進行分析評價,并最終得出設備健康狀態(tài)等級,為出具相關報告提供依據。

如圖5所示,該框架以電力行業(yè)狀態(tài)評價導則和規(guī)程為基礎,遵循國際通用的MIMOSAOSA-CBM/ISO13374狀態(tài)檢修框架和MIMOSAOSA-EAI企業(yè)應用集成規(guī)范,通過獲取設備帶電檢測和運行、檢修、試驗、不良工況等現(xiàn)場數據,結合神經網絡、動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法等智能領域的相關知識,實現(xiàn)對容性電氣設備狀態(tài)預警、故障診斷、狀態(tài)評價、風險評估、檢修決策等全壽命周期的評價與分析。

軟件對MIMOSAOSA-CBM/ISO13374標準的六層框架進行了擴展,增加了狀態(tài)診斷和預測評估模塊。

模型數據管理層遵循MIMOSAOSA-EAI標準,通過將來自不同數據源的異構數據轉換成統(tǒng)一的MIMOSACRIS數據格式,實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的無縫集成。

同時,軟件引入的人工智能算法為設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系,使得電容式電壓互感器的故障診斷,由依靠經驗的傳統(tǒng)診斷逐漸升級為以人工智能技術為特征的高級診斷。因此,軟件的診斷環(huán)節(jié)中可采用kNN算法、BP神經網絡算法、CART分類與回歸樹算法對電力設備狀態(tài)作進一步分析,并可迅速給出判定結果和分析依據,為系統(tǒng)的使用者準確評估設備健康水平,提供了關鍵支撐與核心技術。

4結語

論文針對智能化牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展要求,對電容式電壓互感器在線監(jiān)測的相關技術進行了研究,在電容式電壓互感器介質損耗監(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際的運行情況進行進一步的完善和研究。