基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法，通過采用電流互感器和隔離變壓器獲取容性設備的實時電流、電壓數據，并將兩者同時送入具有相同硬件參數的AD采集電路，實現(xiàn)電流、電壓信號的并行同步采集，避免了傳統(tǒng)的電流、電壓信號采集非同步問題。本發(fā)明從兩方面改進了介質損耗角的測量方法：數據采集單元部分提出基于卡爾曼濾波的基波頻率跟蹤算法，達到對A/D采樣芯片的反饋控制，實現(xiàn)現(xiàn)場電流、電壓的整周期信號采樣；工控機結合相應的加窗FFT算法，降低信號FFT運算時頻譜泄漏的影響。本發(fā)明顯著提高了實際測量介質損耗角的精度，為高壓容性設備的監(jiān)測和早期預警提供了有力依據。
【專利說明】基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力設備在線監(jiān)測【技術領域】，尤其涉及高壓容性設備在線監(jiān)測【技術領域】。具體涉及到一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]高壓容性設備在輸變電系統(tǒng)中占據著及其重要的位置，如電容器、電容式電壓互感器等。但是由于容性設備工作環(huán)境的影響，設備長期帶電運行過程中會逐漸出現(xiàn)絕緣老化且造成絕緣故障累積，容型設備的絕緣故障不僅影響整個變電站的安全運行，同時還危及其它設備及供電系統(tǒng)的安全，因此對容型設備絕緣故障進行準確診斷具有重要意義。目前，較多的絕緣故障診斷方法是定期檢修法。根據實驗結果判斷設備故障與否，但是此方法不僅經濟性差、可靠性低而且具有一定的安全隱患。因此容性設備故障在線監(jiān)測方案正在逐漸取代傳統(tǒng)測試方法。
[0003]介質損耗角是高壓容型設備絕緣狀況的重要特征參數，通過實時監(jiān)測容型設備介質損耗角可以實現(xiàn)對其故障的在線監(jiān)測。常用的介質損耗角檢測方法有兩類:一類是基于硬件實現(xiàn)的，如過零比較法等；另一類是基于軟件實現(xiàn)的，如相關函數法，諧波分析法等。前者原理簡單，易于實現(xiàn)，但是對硬件的要求很高，零點漂移，硬件電路時延會對測量結果的準確性造成極大影響；后者減小了對硬件的要求，通過軟件算法實現(xiàn)介質損耗角的高精度測量。目前，基于軟件算法的介質損耗角測量方法已經逐漸取代傳統(tǒng)硬件方法，容性設備介質損耗角在線監(jiān)測系統(tǒng)實際運行中主要存在的以下問題:
[0004]1、電網頻率存在一定的波動，硬件采樣電路不能實時進行電網頻率跟蹤，實現(xiàn)信號的整周期采樣。
[0005]2、采用快速傅里葉變換(FFT)算法進行諧波分析時，由于信號非整周期截斷產生的頻譜泄漏和柵欄效應，導致計算的信號參數:頻率、幅值和相位不準，尤其是相位誤差很大，直接影響到介質損耗角測量精度。
[0006]3、電流、電壓信號的非同步采集導致介質損耗角測量誤差偏大。
[0007]4、信號就地采集后的數據傳輸往往都是通過電纜進行的。就不可避免的會受到電磁干擾，導致信號衰減，影響了現(xiàn)場采集數據的還原，進而降低了介質損耗角的測量精度。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過高精度A/D對現(xiàn)場容性設備的實時電流、電壓信號進行并行同步采集，以獲得設備的原始數據，利用光纖將數據傳輸到二次側工控機實現(xiàn)信號處理及顯示。
[0009]本發(fā)明的另一個目的是提供一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測方法。通過基于卡爾曼濾波的基波頻率跟蹤算法，達到對A/D采樣芯片的反饋控制，實現(xiàn)現(xiàn)場電流、電壓的整周期信號采樣；再將電信號轉換為光信號通過光纖送入到主控室工控機進行FFT變換，減小了信號FFT運算時因為非整周期截斷產生的頻譜泄漏和柵欄效應，提高了介質損耗角的測量精度。
[0010]實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術解決方案是:
[0011]一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括依次連接的現(xiàn)場數據采集單元，主控室信號處理單元，遠程監(jiān)控單元；
[0012]所述現(xiàn)場數據采集單元包括用于獲取容性設備的電流互感器、隔離變壓器，信號調理電路、A/D采樣單元、主控CPU單元、數據傳輸單元以及供電單元；電流互感器、隔離變壓器分別與信號調理電路連接，信號調理電路與A/D采樣單元連接，主控CPU單元分別與A/D采樣單元、數據傳輸單元、供電單元連接；現(xiàn)場容性設備電流信號的獲取是選用0.1級的開合式電流互感器，利用電磁感應原理獲得；容性設備的實時電壓信號通過直接測量PT 二次側輸出端獲得；將二次側電壓信號送入高壓隔離變壓器輸入端，再將高壓隔離變壓器的輸出電壓信號連同電流互感器測得的電流信號，送入到具有相同硬件參數的現(xiàn)場信號調理電路上進行濾波放大，之后共同接入并行采樣A/D轉換芯片中；主控CPU單元負責現(xiàn)場電流、電壓信號的卡爾曼頻率跟蹤，進而控制A/D實現(xiàn)信號的整周期采樣和數據轉發(fā)；數據傳輸單元負責將現(xiàn)場信號由高壓側傳至低壓側主控室；供電單元采用工業(yè)級高壓隔離PT為所述容性設備現(xiàn)場數據采集單元提供電能；
[0013]所述隔離變壓器用來實現(xiàn)高低壓側電氣隔離，同時將PT 二次側電壓變換后送入具有相同硬件參數的信號調理電路，之后共同送入并行同步采樣A/D中，實現(xiàn)現(xiàn)場容性設備電壓、電流信號的并行同步采集；
[0014]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明所述A/D采樣單元采用并行A/D采樣芯片AD7656進行現(xiàn)場數據的實時采集，所述主控CPU單元選擇ARM進行卡爾曼頻率跟蹤及數據轉發(fā)。
[0015]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明數據傳輸單元選用光纖作為傳輸介質，現(xiàn)場數據采集單元與主控室信號處理單元中的工控機通過光纖連接，有效避免了傳輸過程中的電磁干擾、信號衰減問題，實現(xiàn)了高低壓側良好的電氣隔離。
[0016]所述主控室信號處理單元包括工控機以及與工控機連接的GPRS報警單元，工控機上安裝有處理軟件，工控機及其處理軟件負責現(xiàn)場數據的實時處理和保存。
[0017]所述GPRS報警單元利用RS232接口與工控機進行連接，根據工控機數據處理結果控制其遠程報警與否。
[0018]作為優(yōu)選方案，工控機的處理軟件選擇虛擬儀器LABVIEW進行信號實時處理，同時利用MySQL數據庫對現(xiàn)場監(jiān)測到的數據進行數據管理和查詢，以方便遠程監(jiān)控單元訪問。
[0019]所述遠程監(jiān)控單元是由局控制中心各單位的PC機構成，通過WEB服務器與工控機連接，實現(xiàn)對變電站工控機的遠程數據訪問。
[0020]本發(fā)明還提供了一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測方法，包括以下步驟:
[0021]步驟1:現(xiàn)場數據采集單元利用基于卡爾曼濾波的基波頻率跟蹤算法，達到對A/D采樣芯片的反饋控制，實現(xiàn)現(xiàn)場電流I，電壓U的整周期信號同步并行采樣；
[0022]步驟2:將數據采集單元實時采集到的電流I，電壓U數據通過光纖傳輸至工控機，工控機的處理軟件采用加窗FFT算法，實時計算現(xiàn)場容性設備的介質損耗角；
[0023]步驟3:根據工控機實時測量的介質損耗角，進行現(xiàn)場容性設備的故障判斷，一旦判斷其超出報警閾值，則工控機進行聲光報警提示且GPRS短信群發(fā)報警；同時工控機增加一條故障記錄，以方便局監(jiān)測中心通過web網絡實時查詢。
[0024]其中，所述步驟I中，現(xiàn)場數據采集單元中采用的基于卡爾曼的基波頻率跟蹤算法是一種頻率自反饋數據采集方法，該方法采用基于無跡變換(Unscentedtransformation)的頻率跟蹤方法對電力系統(tǒng)的瞬時頻率進行動態(tài)跟蹤，根據輸入信號準確跟蹤到當前電網頻率和幅值，進而調整采樣頻率，使其始終滿足是當前電網頻率的2、咅(N為大于I的整數)，實現(xiàn)現(xiàn)場電流，電壓信號的整周期采樣；
[0025]無跡卡爾曼濾波器(UKF)利用UT方法計算出非線性最優(yōu)估計的高斯近似解，UKF算法作為公知內容，本發(fā)明不再贅述。作為優(yōu)選方案，本發(fā)明數據采集單元，基于UKF的電網頻率跟蹤方法是在主控芯片ARM中完成的；
[0026]頻率自反饋數據采集方法主要通過以下步驟實現(xiàn):
[0027]I)構建包含信號相位、角速度和幅值的狀態(tài)變量；
[0028]2)根據相位、角速度和幅值的變化規(guī)律建立離散型狀態(tài)轉移方程；
[0029]3)根據觀測量的選擇建立離散型觀測方程；
[0030]4)初始化狀態(tài)變量、狀態(tài)轉移方程及觀測方程；
[0031]5)利用UKF方法，結合當前時刻的觀測值計算得到當前時刻狀態(tài)變量的估計值；
[0032]6)利用得到的狀態(tài)變量估計值計算出當前時刻的頻率值；
[0033]7)將得到的頻率估計值進行2n倍頻后反饋給A/D采樣芯片，作為其下一時刻的采
樣頻率；
[0034]8)若跟蹤過程未結束，則返回5)繼續(xù)執(zhí)行；若結束，則停止跟蹤。
[0035]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0036]本發(fā)明提供了一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
[0037]1、通過現(xiàn)場容性設備的電流、電壓信號的并行同步采集，避免了傳統(tǒng)信號采集過程中的非同步問題，將兩信號同時送入具有相同參數的硬件電路，有效地提高了容性設備的介質損耗角測量精度。
[0038]2、提出了一種基于硬件實現(xiàn)的電網頻率跟蹤方法:卡爾曼頻率跟蹤算法，實現(xiàn)了現(xiàn)場電流、電壓的整周期信號采集，減小了信號FFT運算時因為非整周期截斷產生的頻譜泄漏，提高了信號頻率、幅值和相位的計算精度，進而提高了介質損耗角的測量精度。
[0039]3、數據由現(xiàn)場傳輸至主控室選用光纖介質，與傳統(tǒng)電纜傳輸相比較，實現(xiàn)了高低壓側信號良好的電氣隔離，避免了電磁干擾，信號衰減等影響，使信號的遠傳輸得到了保障，進而提高了介質損耗角測量精度。
[0040]4、現(xiàn)場監(jiān)測的容性設備不但可以通過Web網絡實現(xiàn)局監(jiān)控中心的遠程監(jiān)控，而且可以通過GPRS進行短信群發(fā)，實現(xiàn)容性設備的實時故障報警。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明整體系統(tǒng)結構圖。
[0042]圖2是本發(fā)明數據采集單元采樣電路的硬件原理框圖。
[0043]圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖。
[0044]圖4是本發(fā)明數據采集單元頻率自反饋數據采集方法流程圖。【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖和具體實施方案對本發(fā)明專利進行詳細說明。
[0046]本發(fā)明基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結構如圖1所示，包括依次連接的現(xiàn)場數據采集單元，主控室信號處理單元，遠程監(jiān)控單元；主控室信號處理單元包括工控機以及與工控機連接的GPRS報警單元，本實施例中的GPRS報警單元為移動終端；遠程監(jiān)控單元是由局控制中心各單位的PC機構成，通過Web服務器與工控機連接，實現(xiàn)對變電站工控機的遠程數據訪問。
[0047]將現(xiàn)場采集到的電流、電壓信號并行送入到數據采集單元，之后通過光纖將信號從高壓側傳輸至低壓側，利用光纖交換機將現(xiàn)場多路光信號集中后通過光纖介質轉發(fā)至變電站主控室工控機，由主控機進行FFT變換，進而計算出介質損耗角。當判斷有故障發(fā)生時，則通過GPRS進行短信群發(fā)報警。同時工控機通過Web網絡與局控制中心相連接，方便了現(xiàn)場容性設備的遠程監(jiān)控。
[0048]圖2是現(xiàn)場數據采集單元的硬件框圖，包括用于獲取容性設備電壓的高壓隔壁變壓器，獲取電流信號的電流互感器，信號調理電路、AD采樣單元、主控CPU單元、數據傳輸單元以及供電單元。通過選用0.1級的開合式電流互感器獲取現(xiàn)場容性設備實時電流信號。直接測量PT 二次側輸出端電壓獲得容性設備的實時電壓信號，將二次側電壓信號送入高壓隔離變壓器輸入端，再將高壓隔離變壓器的輸出電壓信號連同電流互感器測得的電流信號，送入具有相同硬件參數的現(xiàn)場信號調理電路上進行濾波放大，之后共同接入并行AD采樣單元中。主控CPU單元根據現(xiàn)場電流、電壓數據進行無跡卡爾曼頻率跟蹤，進而控制AD實現(xiàn)信號的整周期采樣。數據傳輸單元負責將現(xiàn)場信號由高壓側傳至低壓側主控室。供電單元采用工業(yè)級高壓隔離PT為所述容性設備現(xiàn)場數據采集單元提供電能。
[0049]其中ARM的看門狗電路及復位電路的作用是在現(xiàn)場程序跑飛的情況下，對程序進行復位處理的。
[0050]其中工控機負責現(xiàn)場數據的實時處理和保存，GPRS報警單元利用RS232接口與工控機進行連接，根據工控機數據處理結果控制其遠程報警與否。
[0051]其中工控機信號實時處理軟件選擇虛擬儀器LABVIEW進行信號實時處理，同時利用MySQL數據庫對現(xiàn)場監(jiān)測到的數據進行管理和查詢，以方便遠程監(jiān)控單元訪問。
[0052]其中遠程監(jiān)控單元是由局控制中心各單位的PC機構成，通過Web服務器實現(xiàn)對變電站工控機的遠程數據訪問。
[0053]圖3是介質損耗角測量系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程圖。具體步驟包括硬件采樣電路初始化，利用并行采樣AD獲取實時電流、電壓數據，通過CPU進行卡爾曼頻率跟蹤實現(xiàn)電網頻率的實時測量，進而控制AD的整周期采樣。根據現(xiàn)場實時采集的數據，利用加窗T算法，得到電流、電壓的相位差，進而計算出介質損耗角并進行工控機顯示。由上述計算結果判斷容性設備故障與否，通過GPRS進行短信報警。同時，局監(jiān)測中心通過以太網實現(xiàn)現(xiàn)場數據的遠程監(jiān)視。
[0054]圖4是數據采集單元頻率自反饋數據采集方法流程圖。具體實現(xiàn)步驟如下:
[0055]I)構建包含信號相位、角速度和幅值的狀態(tài)變量:
[0056]設狀態(tài)變量Xk為:[0057]Xk= ( 0 k wk Ak)T (I)
[0058]其中，ek、wk、Ak分別為正弦信號在k時刻的相位、角速度和幅值。
[0059]2)根據相位、角速度和幅值的變化規(guī)律建立離散型狀態(tài)轉移方程:
[0060]相位和角速度的關系可由下式表示:
[0061]d 0 /dt=w (2)
[0062]且角速度Wk和幅值Ak受到高斯噪聲過程影響，即:
[0063]dw/dt=ww(t), dA/dt=wA(t) (3)
[0064]綜上，建立連續(xù)時間的狀態(tài)轉移方程:
【權利要求】
1.一種基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括依次連接的現(xiàn)場數據采集單元，主控室信號處理單元，遠程監(jiān)控單元； 所述現(xiàn)場數據采集單元包括用于獲取容性設備的電流互感器、隔離變壓器、信號調理電路、A/D采樣單元、主控CPU單元、數據傳輸單元以及供電單元；電流互感器、隔離變壓器分別與信號調理電路連接，信號調理電路與A/D采樣單元連接，主控CPU單元分別與A/D采樣單元、數據傳輸單元、供電單元連接；現(xiàn)場容性設備電流信號的獲取選用0.1級的開合式電流互感器，通過直接套接到現(xiàn)場容性設備根部利用電磁感應獲取容性設備的實時運行電流數據，容性設備的實時電壓信號通過直接測量PT 二次側輸出端獲得，將二次側電壓信號送入高壓隔離變壓器輸入端，再將高壓隔離變壓器的輸出電壓信號連同電流互感器測得的電流信號，送入到具有相同硬件參數的信號調理電路上進行濾波放大，之后共同接入并行同步A/D采樣單元中，主控CPU單元負責現(xiàn)場電流、電壓信號的卡爾曼頻率跟蹤，進而控制A/D實現(xiàn)信號的整周期采樣和數據轉發(fā)，數據傳輸單元負責將現(xiàn)場信號由高壓側傳至低壓側主控室，供電單元采用工業(yè)級高壓隔離PT為所述容性設備現(xiàn)場數據采集單元提供電能； 所述主控室信號處理單元包括工控機以及與工控機連接的GPRS報警單元； 所述遠程監(jiān)控單元是由局控制中心各單位的PC機構成，通過Web服務器與工控機連接，實現(xiàn)對變電站工控機的遠程數據訪問。
2.根據權利要求1所述的基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述A/D采樣單元采用并行A/D采樣芯片AD7656進行現(xiàn)場數據的實時采集，所述主控CPU單元選擇ARM進行卡爾曼頻率跟蹤及數據轉發(fā)。
3.根據權利要求1所述的基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述數據傳輸單元選用光纖作為傳輸介質，現(xiàn)場數據采集單元與主控室信號處理單元中的工控機通過光纖連接。
4.根據權利要求1所述的基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述GPRS報警單元利用RS232接口與工控機進行連接，根據工控機數據處理結果控制其遠程報警與否。
5.一種利用權利要求1所述的系統(tǒng)實現(xiàn)的基于卡爾曼頻率跟蹤的容性設備介損在線監(jiān)測方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:現(xiàn)場數據采集單元利用基于卡爾曼濾波的基波頻率跟蹤算法，對A/D采樣芯片進行反饋控制，實現(xiàn)現(xiàn)場電流、電壓信號的整周期同步并行采樣； 步驟2:將現(xiàn)場數據采集單元實時采集到的電流I，電壓U數據利用光纖交換機集中后通過光纖傳輸至工控機，由工控機進行加窗FFT算法，實時計算現(xiàn)場容性設備的介質損耗角； 步驟3:根據工控機實時測量的介質損耗角，進行現(xiàn)場容性設備的故障判斷，一旦判斷其超出報警閾值，則工控機進行聲光報警提示且GPRS短信群發(fā)報警，同時工控機增加一條故障記錄，以方便局監(jiān)測中心的PC機通過Web網絡實時查詢。
6.根據權利要求5所述的基于高壓電容性設備介質損耗角在線監(jiān)測的方法，其特征在于:所述步驟I中，現(xiàn)場數據采集單元中采用的基于卡爾曼的基波頻率跟蹤算法是利用一種頻率自反饋數據采集方法，該方法利用無跡變換Unscented transformation的頻率跟蹤方法對電力系統(tǒng)的瞬時頻率進行動態(tài)跟蹤，根據輸入信號準確跟蹤到當前電網頻率和幅值，進而調整采樣頻率，使其始終滿足是當前電網頻率的2N倍，N為大于I的整數，實現(xiàn)現(xiàn)場電流，電壓信號的整周期采樣，之后無跡卡爾曼濾波器UKF利用無跡變換Unscentedtransformation的頻率跟蹤方法計算出非線性最優(yōu)估計的高斯近似解； 頻率自反饋數據采集方法的具體實現(xiàn)步驟如下: 1)構建包含信號相位、角速度和幅值的狀態(tài)變量； 2)根據相位、角速度和幅值的變化規(guī)律建立離散型狀態(tài)轉移方程； 3)根據觀測量的選擇建立離散型觀測方程； 4)初始化狀態(tài)變量、狀態(tài)轉移方程及觀測方程； 5)利用UKF算法，結合當前時刻的觀測值計算得到當前時刻狀態(tài)變量的估計值； 6)利用得到的狀態(tài)變量估計值計算出當前時刻的頻率值； 7)將得到的頻率估計值進行2N倍頻后反饋給A/D采樣芯片，作為其下一時刻的采樣頻率； 8)若跟蹤過程未結束，則返回5)`繼續(xù)執(zhí)行；若結束，則停止跟蹤。
【文檔編號】G01R27/26GK103777083SQ201410033491
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權日:2014年1月24日
【發(fā)明者】王先培, 朱國威, 龍嘉川, 趙宇, 田猛, 代蕩蕩, 嚴裕程 申請人:武漢大學