一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置的制作方法

本发明涉及带电检测领域，特别是涉及一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置。

背景技术：

变电站一次设备的绝缘关系到电网的安全运行，绝缘带电检测装置可以实现套管、避雷器、电容型设备的绝缘特性以及主变铁芯接地电流的带电测试，从而掌握设备当前绝缘状态，保障设备安全运行，也可以为检修提供辅助决策。进入21世纪以来，电子技术、计算机技术、人工智能等学科领域相互渗透和联系日益紧密，在诸多领域中应用并取得了良好的效果，同时在高压电气设备绝缘特性在线检测的研究方面也取得了极大的突破。在国内，国网电力科学研究院、中国电力科学研究院、清华大学、武汉大学、华中科技大学、西安交通大学等高校和科研院所都投入了大量的人力和物力进行研究与开发，并已经有了实际的在线检测装置投入运行，这些在线检测装置能够有效的发现某些有绝缘缺陷的设备，对绝缘故障诊断起到了一定的作用。人工智能、遗传算法、专家诊断系统等各方面知识的欠缺，使得我们即使在能够获取大量的采样数据信息的同时也不能根据已知的测量结果预测设备的绝缘状况，很难依靠专家诊断系统对设备的绝缘状态做出准确诊断，所以从目前来看，在线检测技术的应用效果还不尽如人意，在线检测距离我们预期的经济效益和社会效益还有一定的差距。

目前技术条件下采用带电检测技术可以较好弥合在线检测系统的不足，带电检测数据结合经验值的判断可以对设备的故障隐患排查以及检修起到较好的作用。目前国内外开展带电检测技术的研究，主要应用于电容型设备、避雷器、各类套管等一次设备的绝缘特性检测，关键技术难点还有待进一步的研究和解决。带电检测技术各种方案设计均各有所长，但都有共同缺点：抗谐波干扰和抗电网工频强电磁场差，尤其在外界同频干扰对电压和电流两个取样通道的干扰不平衡时，表现较为明显，导致其环境适应性较差。

变电站一次设备的泄漏电流中包含了阻抗角、介质损耗因数、阻性电流、容性电流、等值电容量等表征设备绝缘状态的特征参数，因此对泄漏电流实施带电检测可以获知设备的绝缘状态。变电站电磁环境复杂，设备泄漏电流信号微弱，加之电网中高次谐波的作用以及环境温湿度的影响，对带电检测设备的测量结果影响很大。一般带电检测设备及所用传感器的输出信号在耦合、传输以及检测过程中存在信噪比较低、畸变较大的情况，测量结果难以准确反映设备的绝缘状态，这些因素导致很多投入使用的带电检测设备普遍存在测量精度差、数据分散性大的缺陷，装置难以发挥作用。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置。旨在针对目前带电检测装置在使用过程中存在的问题，侧重于解决弱信号在复杂电磁环境下测量不精确的技术问题，通过处理器模块、信号调理变送模块，增强输出信号抗干扰能力、减小畸变。避免外部的强电磁干扰和环境影响如温湿度的变化将导致检测数据波动较大，某些情况下引发装置误报警。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置，其特征在于：包括处理器模块、电流互感器、第一信号调理变送模块、电压互感器、第二信号调理变送模块、温度湿度检测模块；

所述电流互感器的输出端连接所述第一信号调理变送模块的输入端；所述电压互感器的输出端连接所述第二信号调理变送模块的输入端；

所述处理器模块的第一输出端连接所述第一信号调理变送模块的控制端，所述处理器模块的第二输出端连接所述第二信号调理变送模块的控制端；

所述第一信号调理变送模块的输出端连接所述处理器模块的第三输入端，所述第二信号调理变送模块的输出端连接所述处理器模块的第四输入端；

所述温度湿度检测模块的输出端连接所述处理器模块的第五输入端。

在该技术方案中，通过处理器模块、信号调理变送模块，增强输出信号抗干扰能力、减小畸变。通过处理器模块对电流互感信号和电压互感信号进行同步检测，提高电流、电压检测的同步性，避免二者存在时延造成测量精度变差，提高绝缘检测精度。设置有温度湿度检测模块，通过温度和湿度补偿抵消元器件自身温漂和零漂对信号造成的影响，最大限度减小环境因素对测量结果的影响。

进一步而言，还包括存储模块；所述存储模块与所述处理器模块双向连接。在该技术方案中，设置有存储模块，可以对在线调整传感器的输入及输出特性进行预设，对线性度、角差作为传感器的固有特性参数的配置进行预设，提高检测装置的适应性。

进一步而言，所述第一信号调理变送模块的输出端与所述处理器模块的第三输入端之间连接有第一A/D变换模块；所述第二信号调理变送模块的输出端与所述处理器模块的第四输入端之间连接有第二A/D变换模块。在该技术方案中，通过A/D变换模块将模拟信号转换为数字信号，提高数据的抗噪性。

进一步而言，所述处理器模块被配置为：

向所述第一A/D变换模块和第二A/D变换模块发送同步采样信号，采集所述第一A/D变换模块和第二A/D变换模块输出的互感电流值和互感电压值；

根据所述互感电流值和互感电压值，求解介质耗损因数或等值电容量。

在该技术方案中，处理其模块通过互感电流值和互感电压值求解介质耗损因数或等值电容量，实现绝缘性能评定。

进一步而言，所述电流互感器为高精度纳米微晶电流互感器。

在该技术方案中，采用新型磁性材料的高精度穿心式纳米微晶电流互感器实现强电磁干扰环境下的弱磁信号耦合。

进一步而言，所述第一信号调理变送模块和所述第二信号调理变送模块包括放大电路、滤波电路。在该技术方案中，通过滤波电路提高信号的精确度。通过调制放大电路，有效控制信号调理变送模块的程控放大。

进一步而言，所述处理器模块的主控芯片为高速数字信号处理芯片。在该技术方案中，采用高性能数字信号处理芯片实现设备绝缘状态信号的处理，具备较高的抗干扰性能。采用高速数字信号处理技术增强带电检测装置的抗干扰能力，提高检测精度，减小数据分散性。有效降低弱信号在复杂电磁环境下的耦合传输及检测过程中容易造成信号畸变，能够准确放映带电检测数据的绝缘状态；

本发明的有益效果是：本发明通过处理器模块、信号调理变送模块，增强输出信号抗干扰能力、减小畸变。通过处理器模块对电流互感信号和电压互感信号进行同步检测，提高电流、电压检测的同步性，避免二者存在时延造成测量精度变差，提高绝缘检测精度。设置有温度湿度检测模块，通过温度和湿度补偿抵消元器件自身温漂和零漂对信号造成的影响，最大限度减小环境因素对测量结果的影响。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的系统框图。

图2是变电站一次设备的等效模型图；

图3是变电站一次设备的介质耗损相量图；

图4是绝缘状态信号处理流程图；

图5是绝缘带电检测装置的等效电路图；

图6是基于小波变换和正弦波参数法的算法流程图；

图7是纳米微晶磁芯的磁化特性曲线图；

图8是本发明一具体实施方式的处理器模块电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1-8所示，在本发明第一实施例中，提供一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置，包括处理器模块101、电流互感器102、第一信号调理变送模块104、电压互感器103、第二信号调理变送模块105、温度湿度检测模块107；

所述电流互感器102的输出端连接所述第一信号调理变送模块104的输入端；所述电压互感器103的输出端连接所述第二信号调理变送模块105的输入端；

所述处理器模块101的第一输出端连接所述第一信号调理变送模块104的控制端，所述处理器模块101的第二输出端连接所述第二信号调理变送模块105的控制端；

所述第一信号调理变送模块104的输出端连接所述处理器模块101的第三输入端，所述第二信号调理变送模块105的输出端连接所述处理器模块101的第四输入端；

所述温度湿度检测模块107的输出端连接所述处理器模块101的第五输入端。

在本实施例中提供的一种基于智能传感器技术的新型绝缘带电检测装置，还包括存储模块106；所述存储模块106与所述处理器模块101双向连接。

在本实施例中，所述第一信号调理变送模块104的输出端与所述处理器模块101的第三输入端之间连接有第一A/D变换模块；所述第二信号调理变送模块105的输出端与所述处理器模块101的第四输入端之间连接有第二A/D变换模块。

在本实施例中，所述处理器模块101被配置为：

向所述第一A/D变换模块和第二A/D变换模块发送同步采样信号，采集所述第一A/D变换模块和第二A/D变换模块输出的互感电流值和互感电压值；

根据所述互感电流值和互感电压值，求解介质耗损因数或等值电容量。

在本实施例中，所述电流互感器102为高精度纳米微晶电流互感器102。

在本实施例中，所述第一信号调理变送模块104和所述第二信号调理变送模块105包括放大电路、滤波电路。

在本实施例中，所述处理器模块101的主控芯片为高速数字信号处理芯片。在本实施例中，采用高性能数字信号处理芯片32位浮点DSP实现设备绝缘状态信号的处理，具备较高的抗干扰性能。

在本实施例中，还设置有总线接口电路108为所述处理器模块101与外界通信提供接口。

此外，在本实施例中，处理器模块101还通过对信号调理变送模块控制，设定电流互感器102、电压互感器103输出信号的增益，并数据进行程控放大，并通过处理器模块101对数据进行滤波控制，并对系统电压等级、一次设备类型等参数实现在线配置或修改。同时，处理器模块101还在线调整传感器的输入及输出特性：线性度、角差作为传感器的固有特性参数进行配置，具有很强的适应性；并具备故障自诊断等功能，通过自诊断功能可以实现故障报警(如CT断线、信号异常或通讯故障等)。

下面对本发明作进一步说明和解释。

1)、关于介质损耗的定义

介质损耗tanδ是衡量一次设备绝缘性能的重要指标之一，设备绝缘完好时，流经绝缘的电流i_c超前电压u_x的相位为π/2弧度，如图3所示。设备长期工作后绝缘出现缺陷，此时流经绝缘的电流变化为i_x＝i_c+i_r(i_c、i_r的矢量和)，i_r/i_c比值即为介质损耗，根据介质损耗tanδ，可以判断设备是否已有绝缘缺陷，其等值电路如图2所示。

2)技术方案整体流程

在本实施例中，侧重于采用高精度智能传感器(提供高质量采样信号)+高速数字信号处理单元(增强装置抗干扰能力)的技术架构，硬件部分采用高速32位浮点DSP芯片，软件算法采用正弦参数分析法，以达到提升带电检测装置的抗干扰能力、提高检测精度的目的，装置的信号处理流程如图4所示。

3)、技术原理

以电容型电压互感器(CVT)为例，依据其内部构造及电气原理进行分析，可建立其等效电气模型如图5所示。其中：C1—高压电容；C2—中压电容；L1—中压变压器一次绕组；L2—补偿电抗器；I1—容性电流；I2—中压变压器空载电流；Ir—阻性电流；R—等效介质电阻；Ix—全电流；U1—高压电容分压；U2—中压电容分压；Ux—运行电压。

据设备等效电气模型分析，设备的介质损耗因数tanδ可采用正弦参数分析法进行计算，正弦参数分析法应用了三角函数的正交性，信号的采样频率fs为信号频率f的整数倍时满足三角函数正交性须具备的条件。设备泄漏电流信号Ix、中压电容C2分压抽头输出信号U2(参考电压)的采样须采用同步信号采样技术，该部分由高速同步采样硬件实现。

设流经设备绝缘结构的泄漏电流：

i＝Im*sin(ωt+φi) (1)

设备两端的电压：

u＝Um*sin(ωt+φu) (2)

正弦参数分析法是通过模/数转换，将电流、电压信号离散化处理后，应用数字信号处理技术，求得正弦波参数Im、φi、Um、φu，再计算出i超前u的相位差φ，进而求得介质损耗角δ的一种方法。

电流i(t)电压u(t)可展开为：

i(t)＝D0*sinωt+D1*cosωt (3)

u(t)＝C0*sinωt+C1*cosωt (4)

其中，式中D0＝Im*cosφi，D1＝Im*sinφi，C0＝Um*cosφu，C1＝Um*sinφu。

由此可得：

φi＝tan^-1(D1/D0) (5)

φu＝tan^-1(C1/C0) (6)

在对信号i(t)和u(t)采样，运用数字信号处理算法求得D0、D1、C0、C1后，即可由式(3)和(4)算出φi和φu，而设备阻抗角φ＝φi-φu，进而求得设备介质损耗角δ：

δ＝(π/2)-φ＝(π/2)-(φi-φu) (7)

求得设备介质损耗角，结合系统电压u(由参考电压分压比求得)，计算设备绝缘特性参数：

tanδ(％)＝tanδ*100 (8)

Cx＝i*cosδ/(ω*u) (9)

式中tanδ(％)为介质损耗因数，Cx为等值电容量，ω为角频率，i为泄漏电流，u为系统电压值。

4)、基于正弦波参数法的小波消噪

对于连续的周期性干扰信号，利用正弦波参数法的三角函数的正交性可以消除采样信号中的谐波和直流分量。而对于随机出现的脉冲干扰信号，则采用小波消噪的方法予以消除。其算法流程可简单表示成图6所示。

首先将测量信号离散成矩阵形式进行存储，经小波分解后再进行去噪，可消除随机脉冲干扰，并存储消噪后的数据。利用正弦波参数法用消除谐波分量，并利用公式计算出tanδ。运行中电容型设备的tanδ一般为0.001-0.02，δ的阀值约为0.01，因此δ测量误差的绝对值应≤0.001-0.002。δ的数字化测量均是先测量流经绝缘的电流I与施加在绝缘上的电压U之间的初相角差φ，再算出tanδ。因为φ→π/2，而δ测量误差的绝对值要求很小，即对φ的测量准确度要求很高。

5)、关于高精度纳米微晶电流互感器的介绍

变电站电磁环境复杂，设备类型多样，其泄漏电流范围一般为0.3～1000mA，幅值跨度较大，设备接地扁铁宽度通常为20mm左右，因此要求电流互感器具有较高的精度和一致性，本技术方案在互感器磁芯的选取上遵循以下几点：

a)用于互感器的磁芯必须在极弱的磁场下具有极高的磁导率，对于5mA左右的泄漏电流(电容型套管的典型泄漏电流值)，作用于磁芯上的磁场强度只有万分之几奥斯特(Oe),比通常的0.1级精度的互感器磁芯工作磁场小一个数量级，因而对互感器磁芯材料的选取提出了很高要求；b)采用较粗的漆包线绕制次级线圈，以降低线圈的直流电阻，有利于提高精度；c)合理确定磁芯尺寸，磁芯尺寸过大，降低了工作磁场，增大了线圈直流电阻，影响互感器精度；而磁芯尺寸过小，造成线圈的阻抗过小，不利于互感器精度的提高；d)对互感器采取有效的屏蔽保护措施。

目前常用的电流互感器磁芯材料主要有软磁合金1J50、1J79(坡莫合金)以及1J85(铁镍合金)系列等，新型纳米微晶材料因其良好的导磁性能近年来也得到了广泛应用，两种磁芯在弱磁场下的磁化特性曲线如图7所示。由图7可知，在弱磁场下，纳米微晶磁芯的导磁性能明显高于常规软磁合金磁芯，综上分析，本技术方案采用穿心式纳米微晶电流互感器作为智能传感器核心组件。

6)关于电流互感器数据智能采集

传感器需要在变电站的复杂电磁环境下长期稳定工作，普通传感器受生产工艺和磁芯材料性能的限制，其线性度和角差难以达到较高一致性，采用可编程方式是实现传感器性能改善的一种可行方式，本技术方案在智能电流传感器的研制过程中遵循以下几点：a)磁芯材料在弱磁场下的导磁性能，保障弱信号的检测精度(取决于材料性能)；b)互感器一次、二次传输角差的一致性，影响检测精度；c)强电磁干扰环境下长期工作的可靠性及稳定性；d)采用程控放大和有源滤波，增强输出信号的信噪比，减少信号在耦合及传输过程中的畸变。

如图1所示，按功能划分，为了实现电流互感器数据采集，需要包含如下功能模块：a)穿心式纳米微晶电流互感器；b)信号调理变送模块；c)处理器模块；d)存储单元(非易失性存储器)；e)总线接口；f)温度湿度检测模块(集成半导体湿敏、热敏元件)；

从结构功能框图可看出，本实施例的电流传感器具有以下不同于普通电流传感器的特点：a)电流互感器的二次信号变送、放大及有源滤波实现智能化，由信号调理变送模块进行处理；b)固有特性参数的在线配置(IAP方式)，通过处理器模块进行内部设定；c)具总线接口及通讯；d)传感器故障自诊断，由传感器自身进行诊断；e)工作环境检测，由温度湿度检测模块采集环境数据。

7)关于处理器模块

在本实施例中，采用DSP处理器作为处理器模块的主控芯片。在本实施例中，整个带电检测装置的核心是DSP处理器，DSP具有强大的数据处理能力和高速的运行速度，到目前为止，各种型号的DSP在电力系统的同步数据采集测量、谐波抑制、电能质量监控、电网无功补偿和继电保护等电力系统的常见信号处理中都得到了广泛的应用，随着DSP技术的不断发展和成熟，DSP在电力测控系统中的应用会越来越广泛。

综合考虑带电检测装置的数据量较大、傅立叶变换运算量大、运算速度要求高、信号处理响应要求快等特点，结合现阶段各种型号的处理器的技术水平和应用情况，本技术方案的数字信号处理器选用TI公司的TMS320F28335浮点DSP控制器，该器件主频高达150MHz，采用多总线的哈佛流水线结构的指令操作方式、专用的硬件乘法器和快速的DSP运算指令，强大的浮点运算能力，具有处理速度快、接口通用、外设资源丰富、稳定性好、精度高的特点，十分适合应用在实时性、稳定性要求很高的的带电检测装置中进行绝缘状态信号的处理。

TMS320F28335典型特性如下：a)采用哈佛流水线结构，能够快速执行中断响应，并具有统一的内存空间，实现复杂的数学功能；b)采用内部1.9V供电，外部3.3V供电；c)6通道的DMA控制器；d)8个外部中断；e)18个PWM输出；f)6个事件捕获输入；g)3个32位的定时器；h)具有16个转换通道的12位AD转换器。

TMS32OF28335可以在几十毫秒内完成一个1024点的FIR算法，可以快速精确计算出相关数据。图8给出了DSP主控单元系统框图。包括DSP芯片、时钟/复位电路、JTAG接口电路、电源电路、存储器、AD接口电路、CAN接口电路等。

处理器模块各功能模块描述：

(l)复位电路：采用上电复位，复位引脚XRS为低电平时，DSP复位。由电源器件TPS767D301给出复位信号RSTn_TPS767D。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100～200ms的稳定期。TPS767D301一旦加电，其输出电压跟随输入电压，当输出电压达到启动RESET的最小电压时，引脚RESET输出低电平，并且至少保持200ms，从而达到DSP复位要求；

(2)时钟电路：时钟单元采用外部时钟，直接将外部时钟源接入X2/CLKIN引脚，频率为25MHz，X1应接地；

(3)JTAG仿真接口：TMS320F28335具有标准的JTAG仿真接口，设计的系统板上应有14引脚的仿真接口，该接口通过仿真器直接访问；

(4)AD输出的16位的信号DB[0:15]通过并口直接送入DSP的XD[0:15]接口来处理AD转换后的数据；DSP发出同步采样信号CONVST_DSP给AD实现对电压、电流同步采样的控制；

(5)DSP输出两路继电器控制信号RLY0，RLY1实现对程控放大电路的控制；

(6)DSP通过两线制的IIC总线SCL、SDA实现对RTC时钟、存储器的控制。

综上，传统带电检测装置比较注重信号处理硬件和软件的开发设计，而忽略传感器的性能，信号源的质量又直接决定带电检测装置的效能。虽然目前数字信号处理硬件系统和相关软件算法均已比较成熟，但由于普通传感器输出信号的质量在变电站复杂电磁环境下难以保证，导致带电检测装置的应用效果不能尽如人意，近年来很多研究机构已经开始重视这方面的问题。本发明在积累大量带电检测系统运行经验的基础上，结合目前先进的计算机硬件和软件技术研制开发智能传感器和高性能数字信号处理硬件平台，针对带电检测存在的问题提出创新解决方案，相对于传统带电检测解决方案具备以下创新性：

a)互感器磁性材料采用新型纳米微晶并经试验验证，性能指标优于采用常规磁性材料的互感器，解决了弱磁信号在强电磁干扰环境下的耦合问题，减小信号畸变；

b)传感器实现智能化，创新性采用总线接口实现传感器和信号处理单元之间的通讯，从而使得传感器具备了信号自适应功能，解决了一般传感器性能因生产工艺、材料性能带来的局限；

c)传感器内置环境监测功能实现了温度补偿和湿度补偿，解决了长期困扰带电检测装置因元器件温漂造成检测数据一致性差的弊端。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。