专利名称：基于gps时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及高压电气设备绝缘在线监测领域，特别涉及一种基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统及其实现方法。
背景技术：
电力系统的电容型电流互感器、电容型套管、电容式电压互感器、耦合电容、避雷器等高压电气设备在长期的运行中受强电场、机械力、化学腐蚀和环境等因素的影响，其绝缘性能将逐渐老化，从而导致设备故障，威胁电力系统的安全运行。介质损耗因素等能够反映上述设备的绝缘性能，通过监测容性设备的末屏电流与对应系统电压的相位差，从而得到介质损耗因素，可以判断该设备的绝缘状况。申请号为03129228.3的中国发明专利申请中提出了基于参考相位法的高压电气设备绝缘参数的在线监测方法，其方法解决了传统绝缘在线监测的诸多问题，为了监测电容型设备的介质损耗因素和等值电容量，引入了参考相和参考相位的方法，即是全站均以AC220V工作电源为参考相，各监测单元内均设有用于采集参考相信号的传感器；这种方法在实际应用中，因为AC220V统一从变电站主控室引入各就地监测单元，导致现场施工的拓扑结构复杂而较难施工；还因为用作参考的AC220V电源带的就地监测单元越多，负载越大，会导致AC220V产生一定的相移，而该相移只要达到一定的范围，则会较大的影响测量电容型设备介质损耗因素的精度。此外，在申请号为200510022748.2的中国发明专利申请中提出了一种电容型设备介质损耗在线监测系统，主要包括测试仪、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。这种系统采用了以GPS时钟为基准进行同步采样的方法，而且采用了移动通信的GPRS无线服务进行无线网络通信，能实现异地同步采集的同时，可以解决测试仪与中心计算机之间的无线通信问题；但仍存在明显的缺点由于该方法没有监测被测容性设备上所施加的电压信号，所以不能监测所测设备的真实介质损耗因素，而只能监测其绝缘参数的相对变化趋势；由于监测值只是设备的相对介质损耗，所以只能对变电站内同类型、同批次的设备进行相对介质损耗的横向比较，以判断其中有无设备出现故障，而不能对变电站内的所有不同类型，不同批次的容性设备进行同步监测，且因每次监测的绝缘参数值不确定，所以不能对某一特定容性设备的绝缘状态进行纵向比较；再者，由于该方法只属于便携式测量系统，只在测量时才临时搭建于现场，而不是永久性安装在变电站现场，所以该系统不能连续监测变电站内容性设备的绝缘水平，从而及早发现容性设备的绝缘隐患，因此，该技术难以满足高压电气设备绝缘在线监测的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可以较好地满足高压电气设备绝缘在线监测的要求，原理简单，操作方便，易于施工及管理，作用安全可靠的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统。本系统适用于电容型设备介质损耗因素和氧化锌避雷器泄漏电流的在线监测。
本发明的另一目的在于提供一种由上述系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，包括就地监测单元和站端控制主机，所述就地监测单元包括CPU、无线通信模块、GPS时钟接收模块，CPU与无线通信模块、GPS时钟接收模块相连接，就地监测单元的无线通信模块与站端控制主机通过无线网络相连接，其特征在于所述就地监测单元包括采集高压容性设备末屏电流的就地监测电流单元及采集施加在该设备上的电压，即PT二次侧电压的就地监测电压单元，两者同时安装在同一段母线上；所述无线通信模块为2.4GHz无线网络模块。
所述就地监测电流单元及就地监测电压单元都包括有精密单匝式穿心传感器，容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点；PT二次侧电压通过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点。所述精密单匝式穿心传感器与高压容性设备无直接连接，安全可靠；传感器设置高导磁率玻镆合金铁芯、内置放大器深度负反馈补偿电路以及对传感器设置有三层屏蔽外层，这样可有效地降低相位的绝对误差和温度变化引起的相位漂移，相位测量误差在2分以内。
所述就地监测电流单元的数量可为1个或1个以上的多个；但就地监测电压单元可仅为1个；即在同时监测现场被测电容型设备的末屏电流和PT二次侧的电压信号的基础上，就可真实地监测高压电容性设备的等值电容和介质损耗因素。
所述就地监测单元包括OPA2277UA运算放大器和高精密、低温漂系数的电阻电容等器件构成的射极跟随、有源滤波和程控放大等模拟电路，对要采集的模拟信号进行调理，以保证信号的真实，避免出现相移。
所述就地监测单元的CPU为DSP数字信号处理器，采用TI公司的TMS320F206芯片，晶振为倍频20MHz。
所述GPS时钟接收模块采用GTS-5型高精度GPS同步时钟，用于精确获取卫星提供的时间。
所述2.4GHz无线网络模块的微处理器采用8位ATmega128L，工作于16MHz时性能高达16MIPS(只需两个时钟周期的硬件乘法器)；射频收发器采用Chipcon公司CC2420器件，该器件是首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，符合工业监控系统的无线传输要求。
一种由上述系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法，主要为站端控制主机通过无线网络向各就地监测单元下发异地同步采集命令；各就地监测单元通过GPS时钟接收模块接收GPS时钟信号，获得统一的时钟；各就地监测单元接收到站端控制主机的采集命令后，在预约的某一时刻进行采样，实现各就地监测单元的异地同步采样；其特征在于所述站端控制主机通过2.4GHz无线网络广播同步采集指令，再依次轮流征询各就地监测单元获得带时钟信号或序列号的末屏电流信号及PT二次侧电压信号后，通过对比各个上传的信息，确保是同一时间的采样信号后，计算出高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素。
所述就地监测单元将容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点；PT二次侧电压通过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点；末屏电流和PT二次侧电压等模拟信号，经过传感器转换、射极跟随、有源滤波和程控放大等电路的信号调理处理后，进入A/D转换电路，随后就地监测单元(TMS320F206单片机)进行采样并对信号进行数字信号处理。在模拟量的信号调理电路各环节，保证模拟信号的真实，避免出现相移。
所述站端控制主机还可将计算出的高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素与预试数据、连续监测的历史数据进行比对计算，若误差超出设定的告警值，所述站端控制主机发出若干告警信息，并在统计学的基础上形成初步的检修策略供运行人员参考。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(1)本发明监测了高压电容性设备的末屏电流，同时监测了施加在该设备上的电压，即PT二次侧电压信号(算法上可以修正其固有相移)，避免了二次电压信号的远距离传输，因而可以真实地监测高压电容性设备的等值电容和介质损耗因素，能够连续监测某一设备的绝缘水平，且能对所测设备的绝缘状态进行纵向比较。因此，本发明技术可以较好地满足高压电气设备绝缘在线监测的要求。
(2)本发明采用2.4GHz无线网络技术，实现各就地监测单元间和站端控制主机间的互连通讯，2.4GHz无线网络属于全球开放式频段，其穿透障碍物的能力较好，不受变电站电磁场干扰，且采用无线路由技术，很好的解决了就地监测单元和站端控制层主机间的通讯问题，避免了在变电站现场敷设大量的通讯载体，极大的减少了施工和维护量。所采用2.4GHz无线网络采用多点对多点，无线路由技术，克服了GPRS无线网络点对点，且需要有偿申请的限制。
(3)本发明的就地监测单元就近安装在被测设备的支持构件上，不需改变原有的接线方式和现状，并把被测的微小信号就地数字化，通过无线网络通讯实现了就地监测单元与站端控制层的相对独立，便于现场的就地监测单元的扩充和维护，安装、使用非常方便。
(4)本发明采用基于GPS时钟信号为参考，实现异地同步采集；本方法能保证采集被测设备末屏电流的同时采集其对应PT二次侧的系统电压，能真实的测量出两信号间的相位差，从而得到被测容性设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素。
(5)本发明中提出的在线监测技术，通过连续不间断的监测运行中设备的各绝缘参数并存入站端控制主机数据库，站端控制主机运用统计学等类专家系统，对监测数据进行横向、纵向比对分析，可对被测电容型设备各绝缘参数的变化趋势作出判断，预测绝缘状况的变化趋势，从而形成初步的检修策略供运行人员参考，因而智能化程度较高。
(6)本发明设计为永久性安装在变电站现场的作用方式，所以可以连续监测变电站内容性设备的绝缘水平，及时准确地发现容性设备的绝缘隐患，无需人工干预，真正实现高压电气设备绝缘的不间断在线监测。
图1是本发明系统的结构原理示意图。
图2是本发明系统中就地监测单元的电路原理框图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例图1示出了本发明的具体结构及原理，由图1可见，本基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统包括就地监测单元、站端控制主机，所述就地监测单元包括采集高压容性设备末屏电流的就地监测电流单元FMU-C及采集施加在该设备上的电压，即PT二次侧电压信号的就地监测电压单元FMU-U，在一段母线上可以安装多台FMU-C单元，而只需装1台FMU-U单元，就地监测单元的输入为现场被测电容型设备的末屏电流和PT二次侧的电压信号。所述就地监测单元包括CPU、无线通信模块、GPS时钟接收模块，CPU与无线通信模块、GPS时钟接收模块相连接，就地监测单元的无线通信模块与站端控制主机通过无线网络相连接，所述无线通信模块为2.4GHz无线网络模块，其微处理器采用8位ATmega128L，工作于16MHz时性能高达16MIPS(只需两个时钟周期的硬件乘法器)；射频收发器采用CC2420，符合IEEE 802.15.4的2.4GHz工业监控系统的无线传输要求。所述就地监测单元的CPU为DSP数字处理器，采用TI公司的TMS320F206芯片，晶振为倍频20MHz。所述就地监测单元的信号采集端设置有精密单匝式穿心传感器，容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点；PT二次侧电压，通过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点。末屏电流和PT二次侧电压等模拟信号，经过传感器转换、射极跟随、有源滤波和程控放大等电路的信号调理后，进入A/D转换电路，随后TMS320F206单片机进行采样并对信号进行数字信号处理。所精密单匝式穿心传感器与高压容性设备无直接连接，安全可靠；传感器采用高导磁率玻镆合金铁芯、内置放大器深度负反馈补偿电路和良好的三层屏蔽设计，有效地降低了相位的绝对误差和温度变化引起的相位漂移，相位测量误差在2分以内。所述GPS时钟接收模块采用GTS-5型高精度GPS同步时钟，用于获取卫星提供的时间；GPS(Global Position System)系统是美国研制的导航、授时和定位系统，同步秒脉冲精度＜0.1us。因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；电力系统工频信号的周期是20ms，GPS秒脉冲精度小于0.1us的时间误差相当于Δδ＝0.0000314弧度的采样误差，不会对测量精度造成大的影响。所述就地监测单元还包括A/D芯片模块、RAM模块、人机界面模块，A/D芯片模块、RAM模块及人机界面模块分别与DSP数字处理器相连接；所述A/D芯片采用并行的AD976CN，芯片速度100kHz，分辨率16位，采样速率12.8k，能满足采样精度的要求，A/D芯片的输入端与模拟信号调理输出端相连，其输出端与DSP数字处理器相连接；所述DSP数字处理器与A/D、RAM、GPS接收模块、人机界面模块以及2.4GHz无线网络模块相连，就地监测单元上电，DSP进行初始化后，循环查询通过2.4GHz无线网络下发的采集命令，同时实时监听GPS模块的时钟信号；DSP还负责在预约时刻启动采样流程，采样一个工频的模拟信号后，分析计算并储存在RAM中，随后再等待轮询命令把采集到的信息带时钟信号上传给站端控制主机。
一种由上述系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法，主要为站端控制主机通过2.4GHz无线网络向各就地监测单元下发异地同步采集命令，命令下达到各就地监测单元后由各就地监测单元分解广播命令流，得到下一次采集的预约时间；各就地监测单元通过GPS时钟接收模块接收GPS时钟信号，获得统一的时钟；当GPS时钟和预约时间一致时，就地监测单元立刻启动自身的采样流程采样一个工频周期的实时信号，进行数字信号处理和储存后，再通过2.4GHz无线网络，按依次轮流征询方式上传带地址、时钟信号或序列号的采样信号给站端控制主机；站端控制主机收到采样信号等数据后基于相同的GPS时钟作参考进行分析计算，得出相应高压容性设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素并将数据存入数据库作历史分析用。所述就地监测单元采样后对信号进行数字信号处理具体是对模拟信号进行调理，模拟信号经过跟随、程控处理，处理的目的是要保证信号的真实，避免出现相移。所述站端控制主机还可将计算出的高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素等数据存入数据库作历史分析用；可用于与预试数据、连续监测的历史数据进行比对计算，若误差超出设定的告警值，所述站端控制主机发出若干告警信息，并在统计学的基础上形成初步的检修策略供运行人员参考。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，包括就地监测单元、站端控制主机，所述就地监测单元包括CPU、无线通信模块、GPS时钟接收模块，CPU与无线通信模块、GPS时钟接收模块相连接，就地监测单元的无线通信模块与站端控制主机通过无线网络相连接，其特征在于所述就地监测单元包括采集高压容性设备末屏电流的就地监测电流单元及采集施加在该设备上的电压信号的就地监测电压单元，两者同时安装在同一段母线上，所述无线通信模块为2.4GHz无线网络模块。
2.根据权利要求1所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，其特征在于所述就地监测电流单元的数量为1个或1个以上；所这就地监测电压单元为1个。
3.根据权利要求1所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，其特征在于所述就地监测电流单元及就地监测电压单元都包括有精密单匝式穿心传感器，容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点，PT二次侧电压通过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点。
4.根据权利要求3所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，其特征在于所述精密单匝式穿心传感器与高压容性设备无直接连接，传感器设置高导磁率玻镆合金铁芯、内置放大器深度负反馈补偿电路以及对传感器设置有三层屏蔽外层。
5.根据权利要求1所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，其特征在于所述就地监测单元的CPU为DSP数字处理器，采用TI公司的TMS320F206芯片，晶振为倍频20MHz。
6.根据权利要求1所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，其特征在于所述GPS时钟接收模块采用GTS-5型高精度GPS同步时钟，所述2.4GHz无线网络模块的微处理器采用8位ATmega128L；射频收发器采用Chipcon公司CC2420器件。
7.根据权利要求1～6任一项所述的系统实现的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法，包括下述步骤站端控制主机通过无线网络向各就地监测单元下发异地同步采集命令，各就地监测单元通过GPS时钟接收模块接收GPS时钟信号，获得统一的时钟，各就地监测单元接收到站端控制主机的采集命令后，在预约的某一时刻进行采样，实现各就地监测单元的异地同步采样，其特征在于所述站端控制主机通过2.4GHz无线网络广播同步采集指令，再依次轮流征询各就地监测单元获得带时钟信号或序列号的末屏电流信号及PT二次侧电压信号后，通过对比各个上传的信息，确保是同一时间的采样信号后，计算出高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素。
8.根据权利要求7所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法，其特征在于所述就地监测单元将容性设备的末屏电流单匝穿过就地监测电流单元内的传感器后，再引出接入接地点；PT二次侧电压通过串入电阻转换成电流信号，单匝穿过就地监测电压单元内的传感器后，再引出接入接地点；末屏电流和PT二次侧电压等模拟信号，经过传感器转换、射极跟随、有源滤波和程控放大等电路的信号调理处理后，进入A/D转换电路，随后DSP数字处理器进行采样并对信号进行数字信号处理。
9.根据权利要求7所述的基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测方法，其特征在于所述站端控制主机将计算出的高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素与预试数据、连续监测的历史数据进行比对计算，若误差超出设定的告警值，所述站端控制主机发出若干告警信息，并形成初步的检修策略供运行人员参考。
全文摘要
本发明提供一种基于GPS时钟信号的高压容性设备绝缘在线监测系统，包括就地监测单元、站端控制主机，所述就地监测单元包括CPU、无线通信模块、GPS时钟接收模块，以及就地监测电流单元及就地监测电压单元，两者安装在同一段母线上；所述无线通信模块为2.4GHz无线网络模块。一种绝缘在线监测方法，包括下述步骤站端控制主机通过2.4GHz无线网络向各就地监测单元下发异地同步采集命令；各就地监测单元接收GPS时钟信号，并在预约的时刻实现各就地监测单元的异地同步采样，各就地监测单元获得带时钟信号或序列号的末屏电流信号及PT二次侧电压信号后，通过对比各个上传的信息，计算出高压电容型设备的等值电容、末屏电流和介质损耗因素。
文档编号G01R31/08GK101055302SQ20071002828
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者刘勇, 赵正军, 吴翚, 杜剑光, 魏天魁 申请人:上海龙源智光电力技术有限公司