容性设备在线监测装置现场校验系统的开发

周泽正 ，李 青，詹洪炎，龚金龙

(1.中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018； 2.国家电网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014)

容性设备在线监测装置现场校验系统的开发

周泽正1，李 青1，詹洪炎2，龚金龙2

(1.中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018； 2.国家电网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014)

针对变电站各类高压容性设备在线监测装置的现场校验,提出一种新的容性设备在线监测装置校验方法并研制出相应的校验系统，校验项目涉及：全电流，阻性电流，容性电流，介损因数;该校验系统由信号采集无线发送装置和检定装置组成，信号采集无线发送装置将现场变压器二次侧电压作为参考电压通过无线传输方式传入检定装置，检定装置内的控制模块根据预设指令及参考电压信号控制内部数控交流电流源生成一路与电网电压频率同步，幅值和相位可调的电流信号；将该电流信号耦合到容性设备在线监测装置电流传感器，通过比较耦合前后装置相应监测量变化值与校验系统设定值的误差，达到校验容性设备在线监测装置有效性的目的;实验证明，该校验系统输出电流指标满足现场校验的要求。

容性设备在线监测装置；现场校验；数控交流电流源；FM调制

0 引言

在变电站高压设备中，容性设备(如变压器，套管，CT, CVT等)占一次设备的40%-50%，数量庞大，容性设备的绝缘劣化如果不能得到及时的检修，就可能发生突发性事故，造成巨大的经济损失[1]。

长期以来，电气设备停电基础上的交接试验和预防性试验是容性设备绝缘性能检测的常用方法[2]。目前，电力部门主要通过在线监测装置获取运行中容性设备的状态参数。因此，对在线监测装置计量准确性以及灵敏度进行周期性校验就显得尤其重要。

传统的校验方法包括RC阻容网络法和末屏串接电阻法[3]。前者在高压实验室中完成，无法考核在线监测装置在现场复杂环境中的抗干扰能力，同时接线繁琐，幅值和相角设置困难，谐波信号不易产生。后者虽在现场进行，但在高压情况下，末屏对地绝缘呈现的非线性易影响测量数据的稳定，同时此方法操作风险大，容易危害设备和人员的安全。

云南电力试验研究院王赋等设计的校验装置[3]在离线条件下可以实现对容性设备在线监测装置电流和介损值的全量程校验。当用于现场校验时，校验装置实际测量在线监测装置的监测量，通过比较两者测量值的误差来实现现场校验的目的。这种现场校验方法的缺陷在于整个校验的过程是静态的，无法校验在线监测装置对于变化量的监测准确性与灵敏度。湖北电力科学研究院彭亚凯等设计的校验装置[2]利用钳形电流互感器取样容性设备的泄漏电流，通过输出一个大小可变且与正交的激励电流来改变容性设备的介损因数。检查在线监测装置监测量变化值是否与校验装置相应设定值一致，从而判断其监测的准确性和灵敏度。这种校验方法的缺陷在于电流取样所使用软磁芯易受外界环境的影响，同时激励电流与始终正交，相位无法人为设定，故校验过程难以覆盖在线监测装置测量的整个范围。

鉴于上述校验方法存在的缺陷，本文研制一种现场校验系统。在标准信号发生装置的基础上增加现场信号跟踪模块，既有效评估了现场干扰对监测结果的影响，同时可以完成阻性电流、容性电流、全电流及介损因数测量误差校验，功能全面，操作方便。因此可用于对现行各类容性设备在线监测装置开展有效的校准工作。

1 校验系统的校验原理及指标

本校验系统将电网电压作为参考电压接入校验装置，根据系统内预设的控制指令产生一个实时跟踪电网电压频率，同时幅值相位可人为设定的电流信号，将此电流信号穿心耦合进在线监测设备的电流传感器，从而在容性设备由于电网电压产生的泄露电流的基础上叠加上一个已知精度的标准电流[1]。系统使用连线如图1所示。

图1 校验装置校验原理图

现场校验时，首先在校验系统无电流信号输出的情况下，读取在线监测装置相应的监测参数值。当校验系统根据预设指令输出电流信号并成功耦合进在线监测装置电流传感器后，再次读取其监测值。通过比较两者理论矢量合成值和在线监测装置实测结果，可得到两者之间的误差量，该误差量即反映了在线监测装置的监测误差。如果误差在允许的范围内，说明在线监测装置工作正常，否则需要对其进行维修和更换[1]。系统主要性能指标如表1所示。

表1 校验系统输出电流指标

2 校验系统组成及原理框图

容性设备在线监测装置无线校验系统分为信号采集部分和检定部分，检定部分主要包括移相补偿模块、锁相环倍频模块，数控交流电流源模块，人机交互控制模块，系统框图如图2所示。

图2 校验系统组成原理框图

信号采集部分获取电网电压信号作为检定部分的参考电压，由于参考电压来源于现场电压互感器，与被校验装置相距较远，从方便校验人员操作的角度出发，故通过无线通讯的方式将其传输至检定部分，移相补偿模块用于补偿由于无线传输造成的参考电压与实际电网电压间的相位偏移。锁相倍频模块根据输入的参考电压生成方波信号并对其进行3600倍频处理，确保系统输出的电流信号频率与参考电压始终保持一致。同时确保电流信号的移相精度为0.1°。人机交互控制模块采用维控公司的LEVI102A型工业触摸屏，数控交流电流源模块以倍频后的方波信号为触发源，根据幅值相位控制指令输出一路电流信号，该电流信号即上节所述用于校准的标准电流。其特点在于电流幅值、谐波成分以及相对于参考电压的相位可通过人机交互界面任意设置。

3 系统重要部分硬件设计

3.1 信号无线传输模块

电网电压信号的无线传输通过VHF频段的无线收发机实现。

由系统的校验原理可知，系统输出的校验电流需要实时追踪现场电网电压的频率与相位，因此电压信号的无线传输要求极小的时延，这就需要尽可能的避免对基带信号的数字化处理，故对于此模拟信号的无线传输使用FM的调制方法。

对于FM调制，未调制的载波可表示为：

Ct=Acos(ωc+φ)

(1)

其已调信号时域表示为：

SFM=Acos[ωct+KFM∫f(t)dt]

(2)

对于电网电压信号，其有效带宽窄,由卡森公式：

B=2(Δfmax+fm)

(3)

可知调制载波最大频偏Δfmax小，容易实现。

信号解调一般使用鉴频器，理想鉴频器可视为微分器与包络检波器的级联[4]：

图3 鉴频器原理框图

(4)

微分器的输出包络信号正比于调制信号，经包络检波器后输出为：

So(t)=KdKFMf(t)

(5)

其中:Kd称为鉴频器的灵敏度。

整个无线收发信机以TH7122无线收发芯片为核心配合其他外围电路实现，系统框图如图4所示，芯片内置LNA、混频器、中频放大器、FSK解调器及锁相环频率合成器。

图4 无线收发机原理框图

发射部分采用直接上变频发射机结构，上变频和调制同时进行。模拟信号通过拉动锁相环参考晶振外接变容二极管电容来间接控制VCO输出，实现载波调制[4]。再经功率放大与阻抗匹配后由天线发射出去。

图6 锁相环倍频模块电路

接收部分采用超外差式一次变频接收机结构，天线接收到的射频信号经射频滤波器与低噪声放大器(LNA)进行滤波放大，再由混频器与接收本振信号混频，输出的中频信号(IF)经中频滤波放大后后进入鉴相器解调,还原出原始的调制信号。

3.2 移相补偿与锁相环倍频模块

移相补偿电路负责校验系统检定部分输入参考电压的前端调理。

参考电压信号经电压跟随器缓冲后输入有源移相电路，移相的过程不影响输入电压信号的幅值，仅对其相位进行超前移相。以此作为无线通信时延的补偿，移相角度可通过精密电位器进行调节，电压信号通过移相电路后再经过电压比较电路转换为方波信号1。由于该方波要作为外部中断触发信号接入数控交流电流源内的STM32单片机，因此在电压比较器的输出端需用稳压管进行限幅处理。

为使输出的校验电流信号Ic能够实时跟踪参考电压信号Uref，并实现精度为0.1°的移相目的，需要另一路方波信号2，在参考电压的每个周期内，准确的给交流电流源模块提供等间隔的3600个上升沿触发。驱动其内部DAC输出标准电压信号。

整个倍频电路实质上是由PLL锁相环以及其他数字芯片所组成的分频器共同构成的一个闭环控制系统[5]如图5所示。

图5 锁相环倍频原理框图

(6)

由拉氏变换终值定理可知φe(θ)的稳态误差为零[5]。这就保证了该锁相环倍频电路在参考电压频率变化的情况下，驱动信号仍能保持跟踪锁定。本课题选用以CD4046为核心设计3600倍频电路[6]，如图6所示。

VCO输出的中心频率由R1和C1确定，调整在180kHz附近。环路低通滤波器设计为二阶低通滤波器，参数的选择需考虑锁相时间与滤波截止频率两个因数[7]。

整个电路中， 12位串行计数器CD4040， 8输入与非门74LS30，配合非门芯片74LS04和D触发器芯片74LS74实现分频功能。CD4040每接收3600个脉冲后驱动D5的Q端输出高电平实现复位，同时端输出一个下降脉冲反馈给CD4046的相位比较器[6]。

3.3 数控交流电流源模块

数控交流电流源模块可以分为标准电压发生电路和压控恒流源电路。

设计要求输出的标准电压信号幅值相位可调且稳定。故采用“单片机+查表法+DAC+滤波电路”的解决方案。

单片机选用STM32F103ZET6，内部自带12位DAC。使用查表法，在单片机内部存储若干个长度为3600的数组，由于DAC只能输出正电压，因此数组值全存为正数。

(7)

其中:N=1的数组为一个周期的标准正弦波3600点采样序列，表示基波分量，N=M的数组为M个周期的标准正弦波3600点采样序列，用于模拟电网M次谐波分量。

调幅时只需在数组前乘系数KA即可：

XN[n]′=KAXN[n]

(8)

调相时对有限长数组进行循环移位。若要求相位超前为m(精确到0.1°)，则当0≤n<3600-10m时：

XN[n]″=XN′[n+10m]

(9)

3600-10m≤n<3600时：

XN[n]″=XN′[n+10m-3600]

(10)

最后将幅值相位分别设置好的各次谐波数组叠加，形成最终的输出数组：

X[n]=∑NXN[n]″

(11)

当方波1(与参考电压频率相位一致)触发单片机的外部中断后，立即打开方波2(倍频后方波)的外部中断使能，驱动DAC按照最终的输出数组循环输出电压信号。通过这样的方式，DAC输出电压与参考电压的频率锁定且相位间关系实现数控。

由于DAC单端输出的电压信号只有正电压，且呈现阶梯状，故在DAC输出后紧跟一个有源带通滤波器，消除其直流成分及高频成分，使输出电压信号完整平滑。

压控恒流源电路如图7所示。该电路响应前级带通滤波器输出的电压信号，将其转化为校验电流输出。电路属于接地型负载压控恒流源，即“Howland电流泵”[8]。分析主运放P1可知:

U+=(R3Ua+R1Uc)/(R1+R3)

(12)

U-=R2Ub/(R2+R4)

(13)

IC=Ub-Uc/R6

(14)

根据U+=U-,由式(4)～(6)可得：

IC=Ua/R6

(15)

式中,R1=R2=R3=R4。

可见，该电路中输出的电流只和输入的电压信号以及取样电阻R6的大小有关，而与接上的负载大小没有关系[5]。

从表1系统输出校验电流的指标可知恒流源电路输出电流需要较大的变化范围。而一般运放的最大输出只有十几mA级别，因此需要在运放的输出端增加扩流电路。扩流电路由达林顿管TIP122和TIP127组成，最大集电极电流可以达到5A，满足校验需求由于运放的开环放大系数大，因此输出的正弦波基本上不会出现交越失真，图7中电容C1和C2可以改善交越失真。运放P2构成的电压跟随器，用于保证反馈信号的完整性，并减少反馈回路的分流影响[5]。

图7 压控恒流源电路

4 系统软件设计

系统软件设计的关键在于：1)在方波1上升沿触发的瞬间，即电网电压过零点的时候触发DAC输出，以此作为输出电流相位的参考。要求触发与DAC输出之间的延时很小。2)DAC输出是在方波2的驱动之下进行，要求反映快速且耗时稳定，以保证输出波形时域分布均匀。

因此，使用STM32系列单片机中的DMA(直接寄存器存取)来提供DAC与寄存器之间的高速数据传输。STM32内置DAC在接收到外部触发的驱动下，直接通过DMA获取内存数据，从而跳过CPU，实现高速稳定[9]。

主程序流程如图8所示。

图8 主程序框图

5 实验分析

为检验所研发容性设备在线监测装置校验系统输出校验电流各参量的准确度等级是否满足现场校验的要求，进行相应的量值溯源与误差对比实验。通过变压器将电网的电压信号降压后输入校验系统作为参考电压。控制其输出一系列校验电流信号，均为标准基波电流信号(不含任何谐波分量)并对其进行测量。检测结果如表2、表3所示。

6 结束语

本文所述容性设备在线监测装置无线校验系统可用于各类高压容性设备现场校验。实验证明，该校验系统输出校验电流符合相应技术指标。本系统用于实际应用，可以帮助电力部门及时掌握容性设备在线监测装置的运行情况，保障电力系统的安全。

表2 基波电流幅值校准数据(真有效值计)

注：测量仪器为Agilent公司34401A数字多用表

表3 基波电流与参考电压相角校准数据

注：测量仪器为RIGOL公司DS1052E示波器

[1] 詹洪炎,龚金龙,胡文堂,等. 一种氧化锌避雷器和容性设备的在线监测装置的校验系统[P].浙江：CN103675745A,2014-03-26.

[2] 彭亚凯,李振东,罗传仙,等.一种容性设备绝缘在线监测系统现场校验装置[J].电工电气,2011(2):53-54,59.

[3] 王 赋,王 任,王作松.一种容性设备在线监测装置全系统校验方法研究及校验系统开发[J].电子器件,2014(6):1215-1220.

[4] 赵春辕.小型无线收发信机的设计[D].电子科技大学,2007.

[5] 江道灼,马 进,章鑫杰.锁相环在电力系统现场测控装置中的应用[J].继电器,2000,28(8):43-45,52.

[6] 孙广俊,张景伟.用CD4046组成的高倍锁相倍频器[J].国外电子元器件,1998(9):36-37.

[7] 刘隆华,黄洪全.集成锁相环CD4046在电力参数测试仪中的应用[J].自动化技术与应用,2010,29(4):96-98,106.

[8] 张 军,包玉树,张迎星,等.氧化锌避雷器阻性电流测试仪标准装置的研制[J].电测与仪表,2010,47(4):30-34,4.

[9] 白炳良.基于ICL8038的宽带交流电流源设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(9):61-63.

Development of On-site Calibration System for Capacitive Equipment On-line Monitoring Device

Zhou Zezheng1,Li Qing1,Zhan Hongyan2,Gong Jinlong2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China; 2.Zhejiang Electric Power Company Research Institute, Hangzhou 310014,China)

The topic research, wireless calibration system for capacitive equipment online monitoring device, can be used for evaluating high voltage capacitive equipment online monitoring device on site. The system’s function involve: total current, resistive component of current, capacitive component of current and factor of dielectric loss. The signal acquisition device provides the power grid voltage as the reference voltage into the detecting device through wireless transmission. According to this reference voltage, the programmable alternating current source can produce a current signal, whose frequency is same as the power grid voltage and phase shift as well as altitude are adjustable in the control of the preset instruction in controlling module. Coupling this current signal into the current sensor of the online monitoring device, there will be a variation of corresponding monitor value before and after coupling. The error between the above variation and the setting deviation can reflect the effectiveness of the capacitive equipment online monitoring device. It has been verified that this system can meet the requirement of the calibration in practical application.

capacitive equipment online monitoring device; calibration on site; programmable alternating current source; FM modulation

2016-07-05；

2016-07-21。

国网浙江省电力公司招标项目(ZBGW15-011-007);浙江省仪器科学与技术重中之重学科学生开放实验项目(JL150531)。

周泽正(1992-)，男，安徽黄山人，硕士研究生，主要从事检测技术方向的研究。

李 青(1955-)，男，浙江杭州人，教授，主要从事检测技术方向的研究。

1671-4598(2016)12-0045-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.013

TP23

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