专利名称：电容型设备介质损耗在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电性能监测领域，涉及一种电容型设备介质损耗检测设备，具体是一种电容型设备介质损耗在线监测系统，通过在线测量电容型设备之间的介质损耗角差来检测被测设备的介质损耗。
背景技术：
介质损耗角能够反映电力电容器、电容型套管、电容型电流互感器、电容式电压互感器等电力网络中高电压电气设备绝缘性能。通过测量多个电容型设备之间介质损耗角差可以检测电容型设备之间相对的介质损耗和绝缘状况。在《电容型设备绝缘带电测试系统的研究》(林维平，福建省莆田市新技术管理办公室)这篇文章中，采用了测量介质损耗角差的方法。即同时刻将两路采样电流信号直接引入单片机进行滤波、限幅放大、整形、过零检测，最后计算出相位差(数值上等于介质损耗角差)。该方法可以实现带电检测两个电容型设备之间介质损耗角差。但是在实际应用中，由于现场的电容型设备很多，且分布在不同的位置，这样就需要用较长采样信号线，来将隔很远的设备之间信号引入单片机，这使得信号线的连接很不方便。而且，现有的技术无法实现同时测量多个(2个以上)电容型设备间的介质损耗角差的测量。也不能将测量数据进行存储。因此，现有技术难以满足在线监测的需要。
发明内容
本发明的目的是避免现有技术的不足，提供一种实现在线监测电容型设备介质损耗的设备，它能使测试仪就近接入采样信号端，同时监测多个电容型设备之间的介质损耗角差，并能存储、分析、显示检测数据的功能。
为了实现上述目的，本发明将信号采集部分与数据分析计算部分划分为两个独立的子系统——测试仪和中心计算机。测试仪用于接收采集命令以及信号的滤波、量化、存储和转发。中心计算机用于控制各个测试仪采集以及采集数据的接收、存储、分析和计算。各个测试仪只与中心计算机进行无线通信。各个测试仪相互独立，可以就近接入电容型设备的采集端。需要监测更多的电容型设备时，只要相应地增加测试仪，就能够满足在线监测的需要。本发明的测试仪可以设置在2个以上。
本发明中的中心计算机通过无线通信控制各个测试仪采集。实现无线通信时，使用的是中国移动通信的GPRS无线网络服务。通过在每个测试仪内加入GPRS模块实现各个测试仪和中心计算机通过GPRS无线网络互连，实现中心计算机对测试仪的采集控制并将测试仪采集的数据回传给中心计算机。
由于无线通信的实时性较差，所以实现异地的各个测试仪同步采集是本方案的关键。本发明通过在每个测试仪内加入GPS信号接收模块，通过接收GPS时钟信号，获得统一的时钟。每个测试仪通过无线网络接收到中心计算机的采集命令后，只要依据GPS时钟在某一个固定时刻采集，就可以实现各个测试仪的异地同步。
本发明在线监测系统的各部分组成如下所述的测试仪包括过压保护电路、滤波电路、稳压电路、A/D、RAM、CPU、模拟开关、GPRS模块、GPS模块、蓄电池、信号状态与传输指示灯。从被测设备采集的信号先并联输入过压保护电路，再接入滤波电路，将滤波后的信号提供给A/D芯片，A/D连接CPU，由CPU来控制A/D转换的时间和频率；CPU通过模拟开关与GPRS模块及GPS模块相连，CPU还与存储器RAM相连。测试仪的工作过程CPU读取GPRS模块的数据，当GPRS模块接收到采集命令的时候，CPU读取GPS模块的时钟信息，并控制在某个时刻(比如某个整10秒)读取经过A/D芯片模数转换的数据并将数据存入RAM；当采集到足够的数据后，CPU将内存的数据通过GPRS模块发送给中心计算机。
中心计算机是一台安装了配套控制装置的计算机，控制装置主要包括介质损耗角差测量装置和历史数据分析装置两大部分。所述介质损耗角测量部分由参数初始化模块、测试仪连接网络模块、定时采集模块、数据处理模块、显示结果模块及存入数据库模块组成；其中数据处理是对采集的数据进行傅立叶分析，求得各个电容型设备的采样电流的基波相位，再由相位求得介质损耗角差。所述历史数据分析部分由参数初始化模块、连接数据库模块、读取数据并分析模块和显示变化趋势模块组成。历史数据分析主要是对一段时期的数据进行分析比较，从而得出电容型设备的介质损耗变化趋势，对电容型设备的绝缘状况进行一定的变化预测。
本系统的电流采样电路，分别和电容型设备及测试仪相连。电流采样电路可以有多路，是测试仪的采样信号引入电路，主要由采样电阻、过压保护部分和刀闸组成。
与现有技术相比，本发明具有如下技术特征1、本发明将信号采集部分与数据分析计算部分划分为两个独立的子系统。上述方案实现了信号采集部分与数据分析计算部分的分离，即实现了测试仪与中心计算机的相对独立。在现场众多的测试点且各测试点的分布在不同地理位置情况下，测试仪可以独立地测试，可以非常方便的就近连接需要监测的电容型设备，避免了测试点间距离很远的时候就需要连接很长的信号线。
2、可以在同一时钟同时测量多个电容型设备，实现了多个电容型设备之间介质损耗角差的比较，只要相应地增加测试仪并在中心计算机的控制装置上修改初始化参数即可，而不需要更改任何硬件。良好的可扩充性使得本系统可以适应在线监测的需要，也可作为一般的带电检测之用。
3、采用无线网络的方式实现各个测试仪与中心计算机之间的互连通信。实现无线网络通信采用的是移动通信的GPRS无线服务。中国移动GPRS网络覆盖全国，不受物理空间的限制，不受变电站高压环境的电磁场干扰，很好的解决了测试仪与中心计算机之间的无线通信问题。
4、采用GPS时钟信号实现异地同步采集。由于各测试仪分布与中心计算机是无线通信，所以各测试仪要实现同步采集必须要有一个统一的时钟信号。本系统采用GPS时钟信号作为各个测试仪的统一时钟，能在要求的精度范围内实现异地同步采集。
5.本发明将所有的采集数据存入中心计算机数据库，因此可以对一段时期的监测数据进行分析，对电容型设备的介质损耗变化趋势作出判断，预测电容型设备的绝缘状况变化趋势。
图1表示本发明的系统结构示意图；图2表示本发明的电流采样电路图；图3表示本发明的测试仪的电路原理框图；图4表示本发明的中心计算机控制装置工作过程图；图5表示本发明的电容型设备介质损耗角差测量原理图；图6表示本发明测试仪的CPU工作过程图；图7表示本发明测试仪的电路过压保护电路图；图8表示本发明的测试仪电路中的滤波电路图；图9表示本发明的稳压电路图。
具体实施例方式
参照上述附图，对本发明的具体实施方案作详细叙述。
如图1所示，在虚线框内是本发明的系统组成部分，包括测试仪、中心计算机和电流采样电路。其中测试仪及电流采样电路可以有多个(2个以上)。电流采样电路与电容型设备相连，电流采样电路引出信号与测试仪相连，电流采样信号是测试仪的接入信号。测试仪通过GPRS无线网络、GPRS服务器、Internet与中心计算机互连。图中双箭头表示有数据双向传输。测试仪通过无线的方式接收卫星传来的GPS信号。图中虚线单箭头线表示接收无线GPS信号。图中只给出了电容型设备1、电容型设备2，(根据测试需要电容型设备可以连多个)都连接同一相线路，表明被测的电容型设备都属于同一相的。在同一相的前提下进行介质损耗角的测量。
整个系统的工作流程中心计算机发出采集指令，指令通过Internet网络、GPRS服务器、GPRS无线网到达各个测试仪；各个测试仪接到采集指令后，获取GPS时钟信号作为统一时钟，进行同时刻采集电流信号，并将采集的数据存储。当各个测试仪采集一个工频周期的数据后，将数据通过GPRS无线网、GPRS服务器、Internet网络，往中心计算机回送；中心计算机收到数据后进行分析、计算并将数据存入数据库作历史分析之用。
如图2所示，电流采样电路由采样电阻RN、过压保护部分和刀闸K组成。其中过压保护部分由瞬变电压抑制二极管B、气体放电管P、放电保护间隙J组成。各个元件之间为并联关系。电流采样电路的一端接电容型设备，另一端接地。电流采样电路引出信号与测试仪相连。测试仪与各个元件之间是并联的关系。在正常运行情况下，采样电阻两端被刀闸K短路接地运行。在带电测试时，将同相被试品测试回路接入后，将刀闸K拉开即可进行测试工作。在带电测试结束后，合上短路接地刀闸K即可将被试品测试回路退出运行。为确保设备、仪器、人身的安全，采样电路采用了瞬变电压抑制二极管B、气体放电管P、放电保护间隙J等多级保护措施。
参见图3，图中虚线框内为测试仪内部电路组成。以下对各个组成部分作详细介绍(1)过压保护电路，其一端连接电流采样电路，另一端连接滤波电路。该电路的组成与上述电流采样电路的过压保护相同，如图7虚线框内部分所示，都是由瞬变电压抑制二极管B、气体放电管P、放电保护间隙J组成并联而成，该部分主要是防止过大电流对内部电路的损坏，确保测试仪内部电路的安全；(2)滤波电路，采用的是集成芯片UAF42。具体连接方式参见图8虚线框部分。图8中UAF42引脚9、10分别连接由稳压电路提供的-12v、+12v；引脚7、8分别连接两个精密电阻RF2、RF1的一端，RF2、RF1另外一端分别连接引脚14、13；当选择适当的阻值，可以滤到需要的谐波次数，在本实施方案中将电阻选为560k，使得采样电流通过滤波器后只留下5次以下的谐波。引脚2连接过压保护电路的高压端，引脚11连接地。引脚1将滤波后的信号输出到A/D芯片；
(3)A/D芯片，采用的是AD976CN。芯片速度100KHz，分辨率16位。该芯片有很高的采集速率和较高的分辨率，能够满足采集速度和采集精度的要求。A/D芯片信号输入端连接滤波电路输出端，输出端与CPU相连；(4)CPU芯片，采用89C51芯片。晶振为11.0529MHz。CPU与A/D芯片、RAM、模拟开关相连。CPU控制模拟开关分别与GPRS模块和GPS模块进行通信。实现采集的控制，具体工作过程如图6所示。测试仪开机后，CPU先进行初始化，随后控制模拟开关连接GPRS模块，等待GPRS模块接收中心计算机传来的采集指令；采集指令到达后，CPU控制模拟开关连接GPS模块，并在某个整秒(本实施方式中选择的是整10秒)开始进行采集，然后定时从AD芯片获取数据并存入RAM；当采集到一个工频周期的数据后，CPU控制模拟开关连接GPRS模块，将RAM里的数据通过GPRS模块发送给中心计算机。发送完毕后，CPU等待GPRS模块接收中心计算机传来的采集指令；(5)RAM，采用容量为8k字节的6264存储器，用来存储程序指令及采集的数据；(6)模拟开关，采用集成芯片HC4053。一般的51单片机只有一个串口，不能满足多串口实时转换的需要。本发明利用模拟开关芯片HC4053(模拟三刀双置)作为普通串口的双向“一分二”或“一分三”转换单元，通过单片机I/O指令对HC4053进行通道切换，实现了单片机串口的高速高质量扩展功能；(7)GPS模块，采用集成模块GSU-36A。GPS模块与模拟开关相连，用于获取卫星提供的时间和定位信息。本发明中只需要获取GPS的时钟信息。关于通过GPS模块获取时钟信号的原理如下GPS是美国于1993年全面建成并运行的新一代卫星导航、定位和授时系统。GPS模块定位后，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码和处理，能从中提取并输出时间信号，即时间间隔为1s的脉冲信号1PPS(One-Pulse-Per-Second)，该秒脉冲的宽度1ms，上升沿与协调世界时(UTC)同步，其精度为UTC±400ns。各个测试仪通过获取秒脉冲，得到一个精度在±400ns内的统一时钟，并通过该时钟进行同步采集。
运行中的电容型设备的tanδ(δ为介质损耗角)大多在0.001～0.02范围，δ的阈值大致为0.01左右，因此Δδ测量误差的绝对值不应超过0.001～0.002。高压设备工频信号的周期是20ms，GPS秒脉冲1PPS小于0.8us的时间误差相当于Δδ＝0.00024弧度的采集相差，不会对测量精度造成根本影响；(8)GPRS模块，采用宏电的产品，型号H7118GPRS DTU。GPRS模块与模拟开关相连，其主要功能是通过中国移动通信的通用分组无线业务(General Packet Radio Service，简称GPRS)，进行无线数据通信。中国移动GPRS网络覆盖全国，不受物理空间的限制，能够满足本发明方案中采用无线通信的要求。本发明中每个测试仪都有一个GPRS模块通过无线网络与中心计算机通信，该模块具有传输数据量大，传输稳定可靠。另外，中心计算机的控制装置可以采用GPRS模块自带的开发工具，能比较快捷的开发出需要的通信控制模块。
(9)蓄电池和稳压电路，蓄电池采用的是普通的蓄电池，12v、6安时。
稳压电路主要采用芯片MC7805、ICL7600，详细电路见图9。图9中+5V输出为整个电路板供电及GPS模块、GPRS模块供电，+12V和-12V为滤波电路供电；(10)信号状态与传输指示灯，分别在电源、GPS线路等线路上安装的指示灯，用于指示电路板的工作状态。
如图4所示，本发明为中心计算机安装了介质损耗角差测量装置和历史数据分析装置。介质损耗角差测量装置工作过程参见图4(a)，该装置的工作过程是开机后，先进行参数初始化，随后，控制测试仪连接网络，连接成功后，向测试仪发出定地采集命令，当收到测试仪回传的采集数据后，由数据处理模块对采集的数据进行傅立叶分析，求得各个电容型设备的采样电流的基波相位，再由相位求得介质损耗角差；计算的介质损耗数据存储数据库并在显示器上显示。
其中，测试仪连接网络模块由GPRS集成模块GSU-36A自带的模块接口来实现。数据处理的原理参照图5其中，图5(a)图表示实际含损耗的电容型设备，即它本身不是一个纯电容，而是等效于图5中(b)图表示的电容和电阻的并联电路，所以电容型设备的电流矢量和电压矢量不是垂直关系，电流、电压矢量图参见图5(c)图；也就是说，由于电容型设备存在电阻，使得整个电路产生了损耗；其中电流矢量与其垂直分量的夹角δ为介质损耗角。同时测量两个电容型设备时，两个电容型设备的电流矢量参见图5(d)图，图中IX与垂直方向的夹角为δ2，IN与垂直方向的夹角为δ1，两个夹角的差即为两个电容型设备的介质损耗角差。在实际测量中只要同时测量两个电容型设备的采样电流，计算出各自的基波相位，两个相位的差值就是介质损耗角差。本实施例中以一个介质损耗较小的电容型设备作为基准，其他的与之相比较，求得介质损耗角差，通过角差能够判断介质损耗的状况。
历史数据分析装置的工作过程参见图4(b)，该装置的工作过程先进行参数初始化，然后连接数据库，连接成功后，读取一个时期的数据并对监测数据分析，然后显示其变化的趋势。进行历史数据分析是通过一段时期的监测数据进行比较，从而判断出电容型设备介质损耗的变化情况，预测其变化的趋势。
权利要求
1.一种电容型设备介质损耗在线监测系统，其特征包括测试仪、中心计算机和电流采样电路，所述测试仪通过GPRS无线网络、GPRS服务器、Internet网络与中心计算机无线通信，接收中心计算机的采集命令并对采集信号进行滤波、量化、存储和转发；测试仪还通过无线的方式接收卫星的GPS时钟信号，控制异地同步采集；所述中心计算机用于控制测试仪采集测试，并对发回的采集数据进行计算、存储和分析；所述电流采样电路分别与电容型设备和测试仪连接，将被测设备的采样信号接入测试仪。
2.根据权利要求1所述的电容型设备介质损耗在线监测系统，其特征在于所述的测试仪包括过压保护电路、滤波电路、稳压电路、A/D、RAM、CPU、模拟开关、GPRS模块、GPS模块、蓄电池、信号状态与传输指示灯；从电流采样电路输入的采集信号先并联接入过压保护电路，经过电保护处理接入滤波电路，滤波后的信号送入A/D芯片；CPU与A/D芯片、RAM、模拟开关相连，CPU控制模拟开关与GPRS模块和GPS模块通信；CPU读取GPS模块的时钟信息，定时从AD芯片读取数据存入RAM；当采集到一个工频周期的数据后，将RAM里的数据通过GPRS模块发送给中心计算机。
3.根据权利要求1所述的电容型设备介质损耗在线监测系统，其特征在于所述的中心计算机的控制装置主要包括介质损耗角差测量装置和历史数据分析装置两大部分所述介质损耗角测量部分由参数初始化模块、测试仪连接网络、定时采集模块、数据处理模块、显示器模块和数据库组成；所述测试仪连接网络模块用于向各测试仪的GPRS模块发送网络连接命令；定时采集模块用于向各测试仪发出采集命令；数据处理模块用于对采集的数据进行傅立叶分析，求得各采样电流的基波相位，再由相位求得介质损耗角差；计算的介质损耗数据存储数据库并在显示器上显示；所述历史数据分析部分由参数初始化、连接数据库、读取数据并分析、显示变化趋势模块组成；用于对数据库存储一时段的介质损耗数据进行分析比较和显示，预测电容型设备的绝缘变化趋势。
4.根据权利要求1所述的电容型设备介质损耗在线监测系统，其特征在于所述电流采样电路由采样电阻(RN)、过压保护部分和刀闸(K)组成，其中，过压保护部分由瞬变电压抑制二极管(B)、气体放电管(P)、放电保护间隙(J)组成；电流采样电路的一端接电容型设备，另一端接地；其引出信号与测试仪相连，所述电路的各个元件之间为与测试仪之间皆为并联关系。
5.根据权利要求1、2所述的电容型设备介质损耗在线监测系统，其特征在于所述的测试仪可以有2个以上，各个测试仪之间则相互独立，只与中心计算机进行无线通信，可以就近接入电容型设备的采集端。
全文摘要
本发明公开一种电容型设备介质损耗在线监测系统，包括测试仪、中心计算机和电流采样电路。所述测试仪通过GPRS无线网络、GPRS服务器、Internet网络与中心计算机互连通信，接收中心计算机的采集命令并对采集信号进行滤波、量化、存储和转发；各测试仪接收卫星的GPS时钟信号；实现异地同步采集；中心计算机用于控制测试仪采集测试，并对发回的采集数据进行计算、存储和分析；所述电流采样电路分别与电容型设备和测试仪连接，是测试仪的采样信号引入电路。本发明使测试仪与中心计算机相对独立，可以对现场众多的分散测试点非常方便地就近连接需要监测的电容型设备。采用移动通信的GPRS服务，使监测超越物理空间的限制，可在变电站高压电磁场干扰环境中安全可监测。
文档编号G01R31/00GK1793990SQ200510022748
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者王保保, 毛晋生, 刘志强, 董焰民, 蒋宏旭 申请人:西安电子科技大学