變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測系統的制作方法

專利名稱：變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電氣技術領域，涉及變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測技術，特別涉及基于虛擬儀器技術的變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測系統。
背景技術：
變電站電力設備，特別是運行在工業地區、沿海和鹽堿地區的變電站電力設備，表面污穢層流過的電流，受到電壓、污穢、氣候三要素綜合影響，當絕緣表面污穢程度嚴重時，隨時會發生污穢閃絡事故。污閃不僅對電網安全運行構成嚴重威脅，而且將造成巨大的經濟損失。本發明通過研究并分析了超高壓變電站多設備外絕緣泄漏電流在線監測的現狀和現有技術，成功提出并開發了該外絕緣泄漏電流監測系統，已在電力系統掛網運行，對提高電力設備運行可靠性具有重要意義。
如中國專利(專利號ZL01115300.8)一種變電站污閃在線監測系統及方法，中國專利(專利號ZL90205395.7)污穢泄漏電流自動監測儀，中國專利(專利號ZL93207372.7)線路污穢電流自動監測報警器等。現在國內外所研制的產品一些是基于單臺設備的檢測，一些是線路絕緣子的監測系統，而對變電站多設備外絕緣的監測系統很少。這些產品雖然有著諸多的優點，但是它們也各自存在不足之處。它們在技術上是多以嵌入式微處理器為主，由于受到處理器總線速度及存儲能力的限制，難以統一對變電站中大部分的電力設備外絕緣進行監測；大部分系統都是采用單片機做下位機同上位機通信來解決數據的傳輸，軟件方面都是獨立開發，可移植性差。
隨著計算機技術的發展，通過軟件平臺和硬件板卡，再采用適合的總線模式，形成的虛擬儀器得到了越來越廣泛的應用。它用虛擬控件來控制底層硬件，由功能強大的軟件來完成信號的采集、分析處理和結果顯示，實現了“軟件就是儀器”的理念。采用該思想構建的監測系統也具備虛擬儀器的眾多優點，所以該技術更具有高效、易用、靈活、功能強大等特點。目前，虛擬儀器技術的廣泛推廣，使用通用的數據采集卡和專用編程軟件可以節省很多人力和物力的投入，縮短產品開發周期，并能夠開發出性能優越的產品。
另外采用人工智能的方法來預測泄漏電流的變化趨勢和絕緣污穢程度發展趨勢的方法尚未在相關系統應用，而這些預測工作卻具有相當重要的意義，它為電力系統設備的狀態檢修和評估及診斷做必要的鋪墊工作。根據我國變電站的具體情況，對變電站內多臺設備的外絕緣泄漏電流集中監測并開發出先進的診斷和預測軟件具有重要意義。

發明內容
為了更好的實現變電站主要設備泄漏電流的準確測量，并為電力系統提供更真實的現場監測數據及絕緣狀態預測，變計劃檢修為狀態檢修，本發明的目的在于，提出開展基于虛擬儀器技術的變電站多設備多點外絕緣泄漏電流在線監測技術的研究，并在此基礎上開發相應的監測系統。
本發明的主要目的包括以下內容(1)尋求適合于各種電力設備外絕緣泄漏電流監測的傳感方法；(2)研制出用于微弱泄漏電流的信號調理、信號傳輸和數據采集電路，并將現場抗干擾技術措施應用于這些電路的設計；(3)開發基于虛擬儀器技術和圖形化編程語言監測系統軟件，實現循環監測、數值計算、歷史查詢、趨勢預測、故障報警、顯示打印、遠程監控等功能；實現上述發明目的的技術解決方案是，一種基于虛擬儀器技術的泄漏電流在線監測系統，其特點是，包括以下部分1)取流傳感器a
取流傳感器a用于提取運行中的外絕緣泄漏電流并實現高低壓電氣隔離；其中包括一設置在支柱絕緣子上的不銹鋼可調節取流環和小電流互感器電氣隔離單元，可調節取流環與小電流互感器電氣隔離單元的初級線圈N1連接，次級線圈N2用于信號感應輸出；2)前端信號調理單元b前端信號調理單元b為一模塊，用于對微弱泄漏電流信號的調理；其中包括多路選通電路、可變增益放大電路、低通濾波電路和電壓電流轉換電路；3)后端信號調理單元c后端信號調理單元c同樣為一模塊，用于各現場泄漏電流調理單元調理得到的電流變送信號，經長距離傳輸后由該單元實現抗干擾濾波、電氣隔離后調理成數據采集板卡模擬輸入通道允許的范圍，其中包括多路選通電路、隔離前低通濾波電路、模擬線性隔離電路和隔離后低通濾波電路；4)工控機工控機內用于監測軟件驅動數據采集卡進行循檢的數據采集、分析、計算，具體完成循檢、存儲、顯示、報警、查詢、預測、打印；工控機內包括數據采集單元d、數據分析單元e和趨勢預測單元f；數據采集單元d用于監測軟件的控制下現場多設備多點泄漏電流值及環境溫濕度參數的測量，包括一多功能數據采集卡PCI-6025和數字I/O控制卡PCI-6503；數據分析單元e用于對泄漏電流的巴特沃思低通IIR數字濾波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技術，計算泄漏電流有效值，并進行一級和二級整定值預警判斷；趨勢預測單元f用于綜合考慮泄漏電流值和環境溫濕度參數，趨勢預測軟件和環境溫濕度測量硬件單元，由LabVIEW軟件調用Matlab，通過軟件設定的BP神經網絡預測算法，實現未來12小時和24小時的泄漏電流數值預測。
本發明系統地研究了外絕緣泄漏電流的傳感取流技術、高低壓電氣隔離技術、微弱信號的提取和傳輸技術、硬件濾波技術、屏蔽技術和光電隔離等技術，開發了適合于不同結構尺寸的電力設備外絕緣的泄漏電流取流傳感器、隔離放大單元、前后端信號調理單元、數據采集單元等硬件。隔離放大單元實現了高低壓電氣的隔離保護，其中電流互感器的測量精度可達1μA及測量范圍為1μA到2A，系統具有較高的測量精確度和穩定性。前后端信號調理單元實現了4-20mA的電流信號傳輸，可變增益的控制及多監測點的選通控制等功能。采用了巴特沃思低通濾波電路，瞬態電壓抑制電路，三套電源供電系統，光耦器件等解決了現場的抗干擾問題。
本發明利用虛擬儀器技術、數據庫技術、軟件濾波技術和趨勢預測技術，開發了基于圖形化編程語言LabVIEW和數據庫管理系統SQL SERVER 2000的監測軟件，開發了變電站多設備泄漏電流的循環檢測、數據分析、數據處理、趨勢預測、遠程監測等監測與控制軟件，開發了基于IIR和小波多分辨率分析的數字濾波器軟件子模塊，開發了基于神經網絡的泄漏電流變化趨勢預測軟件子模塊。現場運行表明，開發的軟件具有運行穩定，界面友好，功能齊備的特點。監測與控制功能良好，數字濾波模塊實現了高頻干擾信號的抑制和工頻有用信號的提取，預測軟件實現了初步的泄漏電流變化趨勢預測。


圖1是本發明的系統功能框圖。
圖2是泄漏電流取流原理圖。其中a是取流結構示意圖，b是取流電路原理圖。
圖3是前端信號調理單元功能框圖。
圖4是后端信號調理單元功能框圖。
圖5是溫濕度測量單元功能框圖。
圖6是泄漏電流監測軟件主界面。
圖7是監測程序流程圖。
圖8是預測功能流程圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
變電站電力設備的戶外絕緣包括線路絕緣、電站支撐絕緣以及電氣設備的瓷套和套管等的沿面或空氣絕緣等，對不同類型的戶外絕緣應根據具體情況選取不同的監測方案。比如線路絕緣子的在線監測中，往往采用嵌入式微機系統和無線通訊技術解決數據的傳送問題，監測系統就近安裝于線路鐵塔上，由遠方的監控中心集中管理和監測并完成監測數據的存儲與分析。而對于變電站來說，站中通常具有以下電力設備電流互感器、電壓互感器、變壓器、避雷器、斷路器及隔離開關。根據戶外變電站占地面積大，設備分散的實際情況，本發明設計了一個集中監測系統。該系統主要由以下部分組成1)取流傳感器a取流傳感器a用于提取運行中的外絕緣泄漏電流并實現高低壓電氣隔離；其中包括一設置在支柱絕緣子上的不銹鋼可調節取流環1和小電流互感器電氣隔離單元2，可調節取流環1與小電流互感器電氣隔離單元2的初級線圈N1連接，次級線圈N2用于信號感應輸出；2)前端信號調理單元b前端信號調理單元b為一模塊，功能框圖如圖3所示。用于對微弱泄漏電流信號的調理；其中包括多路選通電路3、可變增益放大電路4、低通濾波電路5和電壓電流轉換電路6，該模塊允許3路或6路模擬電壓信號輸入，具有1×、10×、100×、1000×四個放大檔位，低通濾波電路5的低通截止頻率為1kHz，電壓電流轉換電路6實現4mA～20mA的電流變送；3)后端信號調理單元c后端信號調理單元c同樣為一模塊，功能框圖如圖4所示。用于各現場泄漏電流調理單元調理得到的電流變送信號，經長距離傳輸后由該單元實現抗干擾濾波、電氣隔離后調理成數據采集板卡模擬輸入通道允許的范圍，其中包括多路選通電路7、隔離前低通濾波電路8、模擬線性隔離電路9和隔離后低通濾波電路10；
4)工控機工控機內用監測軟件驅動數據采集卡進行循檢的數據采集、分析、計算，具體完成循檢、存儲、顯示、報警、查詢、預測、打印；工控機內包括數據采集單元d、數據分析單元e和趨勢預測單元f；數據采集單元d用于監測軟件的控制下現場多設備多點泄漏電流值及環境溫濕度參數的測量，包括一多功能數據采集卡PCI-6025和數字I/O控制卡PCI-6503；數據分析單元e用于對泄漏電流的巴特沃思低通IIR數字濾波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技術，計算泄漏電流有效值，并進行一級和二級整定值預警判斷；趨勢預測單元f用于綜合考慮泄漏電流值和環境溫濕度參數，開發了趨勢預測軟件和環境溫濕度測量硬件單元，由LabVIEW軟件調用Matlab，通過軟件設定的BP神經網絡預測算法，實現未來12小時和24小時的泄漏電流數值預測。
整個系統的工作流程是，采用安裝在全站電力設備外絕緣套上靠近接地法蘭位置的取流裝置取得待監測的泄漏電流信號，然后經過保護單元及電流傳感器，匯集到站內電力設備附近的前置信號調理單元，調理后的模擬信號經遠距離傳輸匯總到后端調理單元，進而由工控機監測軟件驅動數據采集卡進行循檢的數據采集，分析軟件實現了查詢，數據分析與處理，趨勢預測，遠程監測等功能。系統功能框圖如圖1所示。
圖2中泄漏電流的取流裝置中，取流環1用寬為5mm的不銹鋼帶做成，其具有自緊固的功能。在不銹鋼帶同瓷瓶外絕緣相接觸的一側涂有導電膠，使其牢固連接并有良好的導電性能。
圖2中的電流互感器電氣隔離裝置中，采用坡莫合金作為導磁材料，采用的是穿心式繞制方法，副邊為電流輸出。整體裝置用硅橡膠澆注封裝，實現防水功能。
圖3中的前端信號調理單元中實現了可變增益的調理功能，有四個可調檔位。實現了4mA～20mA的電流變送。
圖4中的后端信號調理單元中接受控制單元的控制信號，實現現場單元與測量單元的電氣隔離功能。
圖5中的溫濕度單元采用AD公司的溫度傳感器AD590和Honeywell公司的濕度傳感器HIH3062L。實現了4～20mA的電流變送來傳遞溫濕度參量。相對濕度的計算結合了溫度的測量數據，換算出實際的相對濕度值。
圖6為基于虛擬儀器技術開發的泄漏電流在線監測系統軟件主界面。基于傳統儀器測量的思想實現在線監測的目的。軟件可以設定手動和全自動兩種監測模式。
圖7為監測功能流程圖。該監測系統的軟件，設定了兩種監測模式(手動和自動)，且在后端信號調理單元和前端信號調理單元的硬件配合下，實現了對現場待監測設備監測點泄漏電流信號的測量。調理后的信號進入數據采集卡的模擬輸入通道，由軟件控制板卡實現模數轉換，數字濾波程序和小波分析技術濾除各種干擾信號，有效值計算程序計算出泄漏電流的有效值，根據兩級閾值報警整定值判斷其絕緣狀態，并將該信號的附加信息一同存入數據庫。軟件還實現了主界面指示燈報警顯示和聲音報警等。
圖8為預測功能流程圖。預測功能分為單步預測和多步預測。單步預測模式，輸入為某一個24小時時間段內的監測設備24個每小時平均泄漏電流數據，24個每小時平均環境溫度數據，24個每小時平均環境濕度數據，輸出為1個時間段的預測數據。多步預測模式，輸入不變，仍然為某一個24小時時間段內的監測設備24個每小時平均泄漏電流數據，24個每小時平均環境溫度數據，24個每小時平均環境濕度數據，輸出為將來12小時各相應時段平均泄漏電流預測數據。
申請人按照上述技術方案制成的變電站電力設備外絕緣綜合在線監測系統，已在平頂山謝莊110kV變電站上掛網運行。掛網運行結果表明，本發明可以適合在變電站不同設備上安裝使用。變電站電力設備在正常天氣運行下的泄漏電流數據為PT外絕緣泄漏電流變化范圍90μA～200μA，CT外絕緣泄漏電流變化范圍60μA～100μA，斷路器外絕緣泄漏電流變化范圍20μA～60μA，變壓器110kV側套管外絕緣泄漏電流變化范圍20μA～40μA，變壓器35kV側套管外絕緣泄漏電流變化范圍160μA～200μA。而且長期的歷史趨勢曲線圖顯示該發明能夠有效地可靠監測到泄漏電流隨時間、溫度和濕度的變化規律，系統工作穩定，取得了良好的效果。
權利要求
1.一種基于虛擬儀器技術的變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測系統，其特征在于，包括以下部分1)取流傳感器a取流傳感器a用于提取運行中的外絕緣泄漏電流并實現高低壓電氣隔離；其中包括一設置在支柱絕緣子上的不銹鋼可調節取流環1和小電流互感器電氣隔離單元2，可調節取流環1與小電流互感器電氣隔離單元2的初級線圈N1連接，次級線圈N2用于信號感應輸出；2)前端信號調理單元b前端信號調理單元b為一模塊，用于對微弱泄漏電流信號的調理；其中包括多路選通電路3、可變增益放大電路4、低通濾波電路5和電壓電流轉換電路6；3)后端信號調理單元c后端信號調理單元c同樣為一模塊，用于各現場泄漏電流調理單元調理得到的電流變送信號，經長距離傳輸后由該單元實現抗干擾濾波、電氣隔離后調理成數據采集板卡模擬輸入通道允許的范圍，其中包括多路選通電路7、隔離前低通濾波電路8、模擬線性隔離電路9和隔離后低通濾波電路10；4)工控機工控機內用于監測軟件驅動數據采集卡進行循檢的數據采集、分析、計算，具體完成循檢、存儲、顯示、報警、查詢、預測、打印；工控機內包括數據采集單元d、數據分析單元e和趨勢預測單元f；數據采集單元d用于監測軟件的控制下現場多設備多點泄漏電流值及環境溫濕度參數的測量，包括一多功能數據采集卡PCI-6025和數字I/O控制卡PCI-6503；數據分析單元e用于對泄漏電流的巴特沃思低通IIR數字濾波器和含有基于小波多分辨率分析的小波去噪技術，計算泄漏電流有效值，并進行一級和二級整定值預警判斷；趨勢預測單元f用于綜合考慮泄漏電流值和環境溫濕度參數，趨勢預測軟件和環境溫濕度測量硬件單元，由LabVIEW軟件調用Matlab，通過軟件設定的BP神經網絡預測算法，實現未來12小時和24小時的泄漏電流數值預測。
2.如權利要求1所述的基于虛擬儀器技術的泄漏電流在線監測系統，其特征在于，所述的取流傳感器a安裝在全站電力設備外絕緣瓷套靠近接地法蘭位置。
3.如權利要求1所述的基于虛擬儀器技術的泄漏電流在線監測系統，其特征在于，所述取流環1用寬為5mm的不銹鋼帶做成，在不銹鋼帶同瓷瓶外絕緣相接觸的一側涂有導電膠，其結構具有自緊固的功能。
4.如權利要求1所述的基于虛擬儀器技術的泄漏電流在線監測系統，其特征在于，所述工控機上還可以連接一調制解調器，用于網絡通訊和遠程監測功能。
5.如權利要求1所述的基于虛擬儀器技術的泄漏電流在線監測系統，其特征在于，所述前端信號調理單元b模塊允許3路或6路模擬電壓信號輸入，具有1×、10×、100×、1000×四個放大檔位，低通濾波電路5的低通截止頻率為1kHz，電壓電流轉換電路6實現4～20mA的電流變送。
全文摘要
本發明公開了一種用于變電站電力設備外絕緣泄漏電流在線監測的系統，該發明主要由以下部分組成a.取流傳感器、b.前端信號調理單元、c.后端信號調理單元、d.數據采集單元、e.數據分析單元和f.趨勢預測單元。本發明以虛擬儀器技術和圖形化編程語言LabVIEW為核心、結合SQL SERVER2000數據庫系統開發了多設備多點污穢泄漏電流的循環檢測、數據分析、數據處理、趨勢預測、遠程監測軟件。本發明可以適合在變電站不同設備上安裝使用，而且長期的歷史趨勢曲線圖顯示該發明能夠有效地可靠監測到泄漏電流隨時間、溫度和濕度的變化規律，系統工作穩定，取得了良好的效果。
文檔編號H02H3/04GK1553206SQ20031011894
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月18日 優先權日2003年12月18日
發明者成永紅, 陳玉, 張少峰, 趙勇, 胡學勝 申請人:西安交通大學