基于改进谐波分析法的MOA在线监测系统研究

2019-11-06殷昊楠许晓峰王延廷

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2019年4期

殷昊楠，许晓峰，王亮，王延廷，许东，姚晔

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁沈阳 110136；2.辽宁太平湾发电厂，辽宁丹东 118216；3.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳 110003；4.国网辽宁省电力有限公司实业分公司，辽宁沈阳 110004）

氧化锌避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）是由氧化锌（ZnO）阀片叠装而成的，具有良好的非线性伏安特性［1-3］。在相同的通流能力的情况下，MOA的重量比传统的避雷器小［4］。在正常工作情况下，MOA具有非常高的电阻值且几乎呈绝缘状态［5］。ZnO阀片在长时间工作、受潮、受污或者生产制作工艺不精的情况下，会导致MOA发生劣化或者老化现象，电气性能降低［6］。因此，必须要对MOA加以监测，了解设备的工作情况，及时发现故障设备，避免事故的发生［7］。目前系统中所使用的MOA监测方法主要有两种：第一种是通过对所在线路的定期停电，进行MOA的绝缘预防性试验，但所加的试验电压一般较低，达不到所在的电压等级的要求，且两次试验之间的时间间隔过长，设备在工作状况下的绝缘情况不能由试验真实的表达，故障情况不能被测量结果精确地描述［8］；第二种是通过对MOA的工作状况的特征量进行带电检测来监测其运行状况［9］，特征量主要包括泄漏电流及其阻性电流分量。

MOA在正常工作情况下，通过ZnO阀片的泄漏电流由容性电流和阻性电流组成，且以容性电流为主。当发生运行故障时，不仅MOA的泄漏电流会增大，还会造成泄漏电流中的阻性电流分量随着增大［9］。而总泄漏电流中的容性电流取决于氧化锌电阻片材料介电系数及几何尺寸，一般是不随运行时间而变化的。当MOA发生劣化或者老化时，阻性电流会增大，从而造成发热量增大，使得阻性电流再进一步增大，加速MOA的劣化和老化［10-13］，这是一种正反馈状态。文献［10］利用先进的算法使电网谐波对容性电流的影响降低，但并不能校正高次谐波产生的阻性电流、干扰阻性电流基波的测量。文献［11］在文献［10］的基础之上，通过等效线性电阻补偿高次谐波电压产生的阻性电流，进一步提高了阻性电流的提取精度。文献［13］对补偿算法进行深入研究，将MOA的非线性电阻等效为线性电阻与非线性电阻并联的模型，在一定程度上降低了高次谐波对阻性电流基波分量的影响。

由以上可知，对MOA进行监测是必要而且可行的。针对现有的监测系统存在的一系列问题，本文提出了一种简单可靠，并且满足精度和灵敏度的MOA在线监测系统。

1 MOA在线监测技术主要方法

目前，大多数变电站对于MOA的在线监测主要是通过测量MOA的总泄漏电流、阻性电流分量，同时结合环境温度和湿度等外部条件，最终利用故障诊断算法对MOA的运行状态做出评价。

1.1 全电流法

全电流法又称总泄漏电流法，主要是通过对MOA的泄漏电流进行监测［14］。阻性电流占泄漏电流的比例约为5%～20%，在有些情况下阻性电流已发生变化而总泄漏电流还未能监测到变化。此方法原理简单，但精度不高，灵敏度很低，不能满足电网中的实际需求。

1.2 基波法

此方法假设泄漏电流中只含有基波分量。采用快速傅里叶变换分别获得MOA泄漏电流和PT电压，求出基波电流分量［15］。由于这种方法只计算泄露电流基波中的阻性电流分量，所以此方法受到谐波电压的影响较小，但无法消除高次谐波对阻性电流的影响［16-18］。

1.3 谐波分析法

谐波法是在基波法和三次谐波法的基础上形成的。谐波分析法中以三次谐波和基波电流作为被测参数，对电压信号和电流信号同步采集，将采集信号进行快速傅里叶（FFT）变换［19-21］。谐波分析法可以判断MOA是处于老化还是受潮状态。

1.4 容性电流补偿法

容性电流补偿法是通过计算补偿系数，使用硬件电路将泄漏电流全电流中的容性电流补偿掉，得到阻性电流分量。此方法最主要的缺点是很难克服由于氧化锌避雷器相间干扰引起的测量误差，使得求取的阻性电流与实际值产生偏差［22］。避雷器阀片的电流电压在过零情况下都会产生差异性的滞回现象，此现象受到不同生产厂家不同规格的氧化锌阀片的影响，滞回程度不一。

2 MOA在线监测系统数学模型

谐波分析法采用避雷器接地线上接入电流互感器及PT二次端子箱电压信号来采集通过避雷器的泄漏电流及加在避雷器上的运行电压。首先使用数字离散化将采集到的电压和电流的模拟信号进行处理；然后采用快速傅里叶变换（FFT），将处理后的时域信号转化为频域信号，得到电压、电流的基波分量和各奇次谐波所对应的幅值与相位；最后从中分离得到阻性电流基波和各奇次谐波分量。

电网的运行电压和电流符合狄利赫里条件，即可通过傅里叶级数对其进行分解。

式中，MOA施加的电压、电流为U、I；U0是MOA两端的电压直流分量；I0是流经MOA的电流直流分量；Ukm是MOA所在母线电压各次谐波幅值，代表非线性元件上的电压高次谐波大小；Ikm是MOA泄露电流各次谐波幅值，表示在非线性元件上的电流高次谐波的大小；αk是MOA各次谐波电压的相角，表示在非线性元件上的谐波电压的相位信息；βk是MOA各次谐波电流的相角，表示在非线性元件上形成的谐波电流的相位信息。

通过对避雷器模型进行工作特性研究发现，工作在小电流区的MOA，其电容基本恒定不变，电容对时间的导数为0，即d C/d t=0。式（2）对时间求导数，代入泄漏电流的容性电流分量的计算公式中，电容电流的数值由式（3）表示。

式中，ICk=kωCUkm。

令IRk为MOA的第k次谐波的阻性电流分量幅值，其对外表现为电导产生的电流分量，一般情况下，MOA阻性电流和容性电流在相同阶次的谐波电压的作用下，阻性电压电流与容性电流相位差为90°。MOA在相同阶次的谐波的作用下，电压与泄露电流同相，MOA阻性电流数值表达式为

因为Ix=IR+IC，将式（2）、（3）、（4）带入其中并化简，得：

将式（5）两边乘sin(nωt+ αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分运算，有：

根据三角函数的乘积，在一个周期内的定积分正交特性可得下式：

在条件为仅当谐波次数k=n的情况下，式（6）的计算结果是对应项的定积分非零，式（6）可化简得式（8）。

由三角函数的积化和差公式可化简式（8）得：

再由三角函数正交特性可得：

即：

也即：

所以，

类似的情况，对式（5）两边同乘cos(nωt+ αn)，在同一周期进行定积分运算，由于三角函数具有的正交特性，只有在谐波次数k=n成立时，定积分运算的结果才存在不为零的情况。化简该式后，得到：

因此，按照上面公式的推导结果，将MOA两端的Ux和流过MOA的Ix按照傅里叶级数展开，进行FFT分解，得到MOA的电压和电流的各次谐波分量，然后按照式（4）、（13）计算，求得MOA的基波阻性电流、MOA的各次谐波阻性电流数值和MOA的总阻性电流数值，由此可以得到MOA在线监测的必要数据。

3 MOA在线监测系统研发

3.1 硬件系统简介

1）根据项目的特点和任务，本项目计划采用基础理论研究、实验研究和计算机仿真相结合的研究方案。理论研究主要集中于避雷器设备故障分析和处理算法的研究、抗干扰模型的研究，同时结合测试数据和理论模型进行仿真研究。在综合处理及显示单元的研究开发和改进过程中，主要以实验为主，根据实验结果和理论计算不断改进系统方案，持续提高系统的性能和可靠性。

2）系统由IED（Intelligent Electronic Device，智能电子装置）和传感器系统构成。由主IED单元对外提供统一的通信服务，子IED用于实现在线监测的不同功能。

3）根据现场实际情况设计各IED装置功能，可以将部分子IED单元和主IED装置布置在统一的物理装置内，但是所有子IED装置必须由主IED装置统一管理。监测系统可以不包含主回路带电状态监测IED，若带电状态监测IED为监测系统的一个组成单元，应设置为一个独立的物理装置或是集成装置的一个可抽出、可更换部件。

4）考虑到下一步组网监控，该系统设计了丰富的接口资源，为系统的灵活使用提供了可靠保证。

5）由于监测系统均安装于强电场下，该套系统要有抗电冲击、抗机械冲击、抗干扰、抗辐射等功能。

本研究的技术路线如图1、图2、图3所示。

图1 在线监测系统网络拓扑结构

图2 软件硬件网络拓扑结构

图3 就地监测单元网络结构

3.2 采用的主要关键技术

1）从软件、硬件两方面提高监测准确性。在变电站现场，三相避雷器一般都是按一字型结构布置的，因为同时都带电的原因，所以避雷器相间会存在杂散电容，考虑杂散电容的避雷器等值电路如图4所示。而正是这些电容导致避雷器各相之间存在电气连接，所以避雷器参数的测量会受到相间杂散电容的影响。这种影响的大小主要跟运行电压高低和相间距离有关。为了消除避雷器相间的电容干扰的影响，可通过增设相间电容的方式，利用信号采集处理方法将介损角进行消除。

图4 避雷器三相系统等值电路

电源电路部分要求的抗干扰能力需要达到4级，属于目前电磁干扰防护的最高要求。在电路设计中主要通过在电源的入口处添加压敏电阻来对高压放电进行泻放，同时通过高性能的滤波电路，将较大的脉冲限制在电源电路外侧，从而保护电源，具体的电路设计如图5所示。

图5 电源抗干扰电路

2）系统具备实时和历史两种报警功能。当出现实时报警信息时，操作界面上自动弹出红色醒目带闪烁的提示对话框，同时语音播报当前出现的具体故障信息。历史报警记录可以按任意时间段和设定的条件进行记录查询。

3）采用大规模集成电路，为了适应变电站强干扰环境下的电磁兼容性，PCB板应采用多层双面设计，芯片及元器件全部采用工业级以上产品，以保证监测系统的稳定、精确工作。

4）电流取样单元采用穿心式电流互感器，将其安装在MOA接地线上，对泄漏电流进行采样。通过运算放大器进行信号协调，运算放大器同相输入端电压为参考电压，电流采样电路设计如图6所示。使用MULTISIM进行电路仿真，检验其对工频电流及高次谐波的取样精度，仿真结果如图7所示。

图6 电流采样电路

图7 电流采样电路仿真波形

5）本系统装置与传感器之间采用物联网技术来实现通讯，系统装置之间采用局域网复合多CPU的通信规约进行通讯。采用标准485和IEC61850数据接口，可通过串口或usb口和笔记本电脑进行连接，也可以通过组网与监控中心交换数据，支持多种符合电力通信规约的外部数据通信方式，支持连接并构成分布式监测诊断系统。

3.3 电流互感器取样方法研究

阻性电流在线监测装置所测的MOA的总泄漏电流非常微弱，此外变电站其他设备会带来许多的不可控的干扰因素使得传感器很难获得真实、准确的泄漏电流。为了达到良好的测量精度的目的，要求电流互感器的比差和角差小［23］，还要具备在高电压的情况下互感器不会因为雷电流或故障电流流过而被损坏。系统采用的穿心式电流传感器为无源磁性耦合电流传感器［24］，将一、二次侧进行电气隔离，降低系统过电压或者雷击所造成的设备损坏。使用白钢外壳对强电磁场干扰进行屏蔽并将其接地，增强设备抗强电磁干扰能力，提高测量精度。二次侧有一个引线端子将电流信号引出。一次侧由MOA接地线穿心，使用坡莫合金等材料制成适合低频信号通过的铁心。

由于线圈的漏抗和电阻数值较小，可以忽略其影响，那么影响检测数值的因素便主要是铁心的励磁电流［25］。角差可以通过降低负载中的阻性分量来实现。

3.4 软件系统设计

由于本监测系统主要用于监测避雷器的性能，在本项目中选用了谐波法，同时和FFT算法相结合。由于系统对实时性处理要求很高，这就要求在处理器上计算速度快，计算能力强。为此，最终选取了TI公司生产的DSP（TMS320F28335）作为本系统的处理器。软件设计是硬件软件化的直接体现，由Borland公司推出的Delphi是全新的可视化编程环境，它提供了一种方便、快捷的Windows应用程序开发工具，采用弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言（Object-Oriented Language），简化了软件设计流程。图8为编写上位机程序界面。

本系统软件主要功能包括用户管理、数据管理、通信设置、通信规约、调试等6个部分。系统软件结构如图9所示。