於立峰，胡凱波，余 程，馬 聰

(1．浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責任公司，浙江 金華 321100； 2．浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

電力系統(tǒng)運行過程離不開電壓互感器，電壓互感器出現(xiàn)故障時增加了介質(zhì)損耗，易造成電力系統(tǒng)的二次電壓偏差。通過停電預(yù)試可發(fā)現(xiàn)電壓互感器的各種故障，但電壓互感器的停電預(yù)試周期過長，影響電力系統(tǒng)正常運行，且無法及時檢測電壓互感器存在的故障[1-2]。

開展電壓互感器二次絕緣監(jiān)測研究，可以及時明確電壓互感器設(shè)備絕緣狀況[3]，依據(jù)電壓互感器二次絕緣監(jiān)測結(jié)果制定電壓互感器的檢修策略。電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)長時間運行于電力系統(tǒng)的強電磁干擾環(huán)境以及變電站高壓母線中，監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾性能決定了系統(tǒng)運行狀況[4]。二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)受環(huán)境干擾影響嚴重時，容易造成電壓互感器二次絕緣監(jiān)測結(jié)果具有較高的波動性，甚至可能影響監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)備正常運行。

目前，眾多研究人員針對電壓互感器出現(xiàn)異常情況開展研究。邱太洪[5]等人將能量管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)作為電壓互感器二次電壓監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取絕緣診斷結(jié)果，由于能量管理數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)量過大，為絕緣診斷帶來了一定難度；周慶紅[6]等人選取220 kV電容式電壓互感器作為研究對象，通過試驗分析了二次電壓單相異常原因，該方法雖然可以明確二次電壓單項異常的主要原因，但試驗過程復雜，應(yīng)用性較差。該文研究了基于人工智能技術(shù)的電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)電壓互感器二次絕緣監(jiān)測。測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測電壓互感器二次絕緣有效性。

1 電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)運行環(huán)境較為惡劣，硬件應(yīng)具有較高的抗干擾性能以及靈敏度。系統(tǒng)采集電壓互感器的三相電壓及三相電流值，利用前置處理電路將所采集的信號轉(zhuǎn)化為0～3 V的電壓信號，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊的AD7606-4轉(zhuǎn)換芯片將完成轉(zhuǎn)換的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳送至型號為TMS320F2812的DSP芯片。DSP芯片利用LM算法校正電壓互感器穩(wěn)態(tài)誤差，利用射頻通信模塊將完成校正的監(jiān)測結(jié)果傳送至上位機，通過上位機顯示界面并利用監(jiān)測結(jié)果明確電壓互感器的二次絕緣運行狀態(tài)，保障電壓互感器穩(wěn)定運行。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 DSP芯片

選取工業(yè)級的TMS320F2812芯片作為二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的DSP控制芯片。DSP芯片內(nèi)部集成了Flash存儲器，具有高達160 MHz的時鐘頻率。將TMS320F2812芯片應(yīng)用于二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中，利用該芯片具有的數(shù)字信號處理水平以及嵌入式控制功能，提升系統(tǒng)對于不同二次絕緣監(jiān)測事件的監(jiān)測水平[7]。TMS320F2812芯片集成了A/D轉(zhuǎn)換器及SPI等眾多元件，具有較高的集成性能，可降低系統(tǒng)開發(fā)難度，以最低的開發(fā)成本搭建系統(tǒng)。

1.2.2 前置處理電路

前置處理電路具有電路放大器的功能，系統(tǒng)中輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓信號為0～3 V。將傳感器采集的電壓互感器信號，通過前置處理電路轉(zhuǎn)換至可輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓值。電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對器件噪聲以及器件精度要求較高，前置處理電路中的放大器需滿足低噪聲以及精度高的需求[8]。選取TI公司的OPA227放大器芯片作為前置處理電路的放大器芯片，該放大器具有集成度高、噪聲低、精度高等優(yōu)勢[9]，可滿足電壓互感器二次絕緣監(jiān)測中的有源濾波以及數(shù)據(jù)提取等性能，對于系統(tǒng)信號預(yù)處理具有重要作用。前置處理電路中的放大器電路如圖2所示，圖中選取20 V的電源為放大器供電，放大器的輸出電路為1.5 V，可滿足DSP芯片的ADC參考電壓輸入需求。

圖2 放大器電路

1.2.3 射頻通信模塊

采用射頻通信模塊為監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ殴δ?。射頻通信模塊選取型號為NRF24L01的無線射頻芯片，該芯片具有高達2.5 GHz以上的工作頻率。設(shè)計射頻通信模塊時，將主電路板與射頻收發(fā)電路分開設(shè)計，使2塊電路板均為獨立狀態(tài)[10]，選取2 mm的單排針連接射頻電路模塊以及主電路板的相關(guān)電路。

射頻通信模塊電路如圖3所示。ADL5521為低噪聲射頻放大器，ADG936為射頻開關(guān)，ADL5606為射頻功率放大器，射頻功率放大器的最大輸出功率為1 W。射頻開關(guān)利用引腳INA及引腳INB的電平狀態(tài)實現(xiàn)功放電路收發(fā)狀態(tài)的有效切換。

圖3 射頻通信模塊電路圖

NRF24L01芯片中的晶振是重要部件，利用NRF24L01內(nèi)的鎖相環(huán)PLL倍頻電路可將晶振輸出的頻率信號有效合成。晶振在射頻電路中受環(huán)境影響較大，因此芯片中的晶振具有不同的老化漂移情況[11]。為了避免射頻通信電路中的晶振影響電路正常連接，選取具有0.6 mg/m3老化率的溫度補償晶振(TCXO)作為射頻通信模塊中的晶振。

NRF24L01芯片具有極小的輸出功率，為了提升芯片的通信能力，將低噪音放大器和功率放大器置于芯片的發(fā)射端中，利用高增益天線將芯片收發(fā)信號放大[12]，提升射頻通信模塊的抗干擾水平和發(fā)射功率。

1.2.4 A/D轉(zhuǎn)換芯片

A/D轉(zhuǎn)換芯片位于系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊中。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片選取ADI公司的AD7606-4芯片，該芯片可實現(xiàn)電壓互感器4路信號的同步采樣，具有高達400 Kbps的四通道同步采樣轉(zhuǎn)換速率。AD7606-4芯片中設(shè)置抗混疊二階模擬濾波器，該濾波器截止頻率為24 kHz，同時設(shè)置了精密基準穩(wěn)壓參考源，16位逐次逼近型高速A/D轉(zhuǎn)換器。選取2.5～5 V的寬電壓為AD7606-4轉(zhuǎn)換芯片供電，芯片內(nèi)設(shè)置電壓翻轉(zhuǎn)電路[13]，可實現(xiàn)雙極性模擬信號輸入，具有較高的穩(wěn)定性以及靈活性，同時抗干擾性能優(yōu)越，應(yīng)用于電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中，具有極高的可靠性。AD7606-4轉(zhuǎn)換芯片電路圖如圖4所示。圖中的CH1～CH4均為模擬數(shù)據(jù)輸入通道，可將原始波形電壓輸入信號、輸入電壓有效值信號、相位測量以及頻率測量的電壓輸入信號利用以上通道傳送至DSP控制芯片中。

圖4 AD7606-4轉(zhuǎn)換芯片電路圖

1.3 基于LM的電壓互感器穩(wěn)態(tài)誤差校正

將LM電壓互感器穩(wěn)態(tài)誤差校正方法應(yīng)用于二次絕緣監(jiān)測中，避免監(jiān)測過程中受到系統(tǒng)頻率變化以及電壓互感器二次側(cè)負載影響監(jiān)測效果。

1.3.1 電壓互感器誤差校正模型

R1表示中間變壓器T一次繞組電阻R1T與補償電抗器等值電阻RL之和，L1表示中間變壓器T一次漏感L1T和補償電抗器電感L之和；電壓互感器二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測過程中，應(yīng)考慮與電容C損耗相對應(yīng)的等值電阻RC1與RC2。電壓互感器穩(wěn)態(tài)誤差校正數(shù)學模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：U與I分別表示電壓互感器的電壓與電流。

1.3.2 電壓互感器二次絕緣監(jiān)測誤差校正方法

LM算法建立擬合函數(shù)表達式如下：

(6)

式中：An與a0分別表示次諧波分量的幅值以及直流分量；f0與φn分別表示信號的基波頻率以及二次諧波分量的初相角，獲取帶求向量表達式如下：

x= [a0,A1,A2,…,AK,φ1,φ2,…,φK,f0]T

(7)

通過最小二乘方法擬合(tm,ym)，獲取擬合函數(shù)殘差以及采樣信號平方和最小的目標函數(shù)為：

(8)

設(shè)基波頻率f0為變量，ri(x)是與x相關(guān)的非線性方程。將諧波分析結(jié)果設(shè)置為LM算法的輸入，實現(xiàn)最小二乘擬合方法的快速收斂。目標函數(shù)以及迭代次數(shù)滿足所設(shè)定閾值時完成迭代[15]，此時所獲取的各項參數(shù)即為所求參數(shù)，將以上參數(shù)代入數(shù)學模型中，獲取電壓互感器的一次電壓，利用精準的一次電壓保障電壓互感器二次絕緣監(jiān)測的精度。

2 系統(tǒng)測試

為了驗證所設(shè)計二次絕緣監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電容互感器的二次絕緣性能，將系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)電力企業(yè)電力系統(tǒng)中，該電力系統(tǒng)包含257臺電容互感器。選取某220 kV輸電線路作為監(jiān)測對象，監(jiān)測對象中的電容互感器的絕緣電阻均為10 000 MΩ，低壓端對地為10 000 MΩ。

統(tǒng)計采用該系統(tǒng)監(jiān)測電力系統(tǒng)電壓互感器二次絕緣性能，不同頻率情況下的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，采用該系統(tǒng)監(jiān)測電容互感器的運行頻率，二次絕緣監(jiān)測過程中監(jiān)測的頻率與真實頻率相差極小，驗證了系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測性能。該系統(tǒng)可以獲取極高的電容互感器頻率監(jiān)測精度，可以有效克服頻譜泄漏情況，提升頻率監(jiān)測性能。

圖5 電容互感器頻率監(jiān)測結(jié)果

采用監(jiān)測電力系統(tǒng)中的3號、7號和12號電容互感器，統(tǒng)計3個電容互感器的電容量，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，3個電容互感器的電容量大部分接近于1 μF左右。12號電容互感器的第5層電容單元和7號電容互感器的第7層電容單元的電容量分別為0.85 μF和0.67 μF，與0極為接近，說明此時2個電容互感器的電容單元存在異常情況。電容互感器選取膜紙絕緣結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部薄膜電容器電容，當電容存在擊穿等異常時，將出現(xiàn)電容量接近0的情況。定位12號和7號電容互感器，拆開電容互感器檢查時，發(fā)現(xiàn)電容互感器出現(xiàn)擊穿痕跡，驗證了系統(tǒng)二次絕緣監(jiān)測結(jié)果的有效性。

圖6 電容量二次絕緣監(jiān)測結(jié)果

采用該文系統(tǒng)實現(xiàn)電容互感器二次絕緣監(jiān)測，當頻率為50 Hz、初相角為1.0°時，校正前后不同負載的幅值變化結(jié)果如圖7所示，不同負載的相位角變化情況如圖8所示。

圖7 校正前后幅值變化

圖8 校正前后相位角度變化

由圖7、圖8實驗結(jié)果可以看出，采用該文系統(tǒng)可以實現(xiàn)對二次絕緣監(jiān)測的幅值及相位角度變化的有效校正。系統(tǒng)校正后的幅值及相位角度可穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)，驗證了該校正算法校正監(jiān)測結(jié)果的有效性。

進一步采用該文系統(tǒng)校正二次絕緣監(jiān)測結(jié)果的比差變化以及角差變化，統(tǒng)計結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可以看出，未采用該文系統(tǒng)校正前，系統(tǒng)監(jiān)測電壓互感器二次絕緣結(jié)果伴隨負載的變化波動性較大，分散性較為明顯；采用該文系統(tǒng)校正后，比差以及角差明顯有所降低。

圖9 比差校正結(jié)果

圖10 角差校正結(jié)果

對比采用該文系統(tǒng)以及未采用該文系統(tǒng)時電力系統(tǒng)電容互感器設(shè)備運行狀況，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。采用該文系統(tǒng)監(jiān)測電力系統(tǒng)電壓互感器的二次絕緣后，設(shè)備完備率有了明顯提升，運行故障數(shù)量下降至0，事故率由原有的0.24%下降至0%。表1實驗結(jié)果有效驗證了該文系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測有效性，提升了電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

表1 電容互感器設(shè)備運行狀況

3 結(jié)論

電壓互感器是獲取電壓信號的重要設(shè)備，電力系統(tǒng)二次側(cè)負載的大小以及運行頻率對電壓互感器輸出結(jié)果影響較大，校正電壓互感器輸出誤差對于提升二次絕緣監(jiān)測精度具有重要作用。通過系統(tǒng)測試驗證了所設(shè)計系統(tǒng)可以有效抵抗諧波因素以及系統(tǒng)頻率波動對監(jiān)測結(jié)果的影響，具有較高的監(jiān)測穩(wěn)定性，有效避免電壓互感器二次絕緣監(jiān)測結(jié)果受二次負載大小以及系統(tǒng)頻率影響，提升系統(tǒng)在線二次絕緣監(jiān)測的精度。