基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究（可编辑）

基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究（可编辑） 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量 技术研究 分类号. 编号 江薛大擎 硕士学位论文 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量 技术研究申请学位级别 专业名称 亟? 电力丕统壁墓自动丝 论文提交日期三生垒旦 论文答辩日期 生鱼旦 学位授予单位和日期 江菱太堂圣生鱼旦 评阅人独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外,本论文 不包含任何其它个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:锵诲炙 日期函『;年月 学位论文版权使用授权书 四四黼 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 光盘版电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电子文 档,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容一致,允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提 供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂志社将本论文编入《中国 优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布包 括刊登授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 导师签名:荔? 导师签名:蕙锚 学位论文作者签名:际海欠 /乌年。‘月。日 年。彭月 ?江苏大学硕士学位论文 摘要 高压输变电设备的安全运行是保证电力系统安全、稳定和经济运行的重要因 素, 一旦发生事故,不仅造成设备的损坏,还会造成民生、经济等成多方面的损 失。传统 的预防性试验己难以满足现代电力可靠性的要求,近年来发展起来的高压设 备在线监 测技术方兴未艾。介质损耗因数是反映高压设备绝缘状况的重要参数,对高压设备的 介质损耗因数进行在线监测不仅能及时发现设备的绝缘缺陷,预防事故发生,还能制 定合理设维护 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,提高设备维护效益。因此,高压设备介质损耗因数测量技术的研 究与发展具有十分重要的意义。 本文介绍了高压设备绝缘在线监测技术国内外研究现状及技术难点,并介绍了介 质损耗的形成原理和介质损耗角常见的测量方法,同时 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了各种测量的优缺点。针 对目前广泛应用的谐波分析法,重点阐述了由于电网频率波动产生的“频谱泄露”和 “栅栏效应”的原因及解决办法。 基于传统的几种介质损耗测量方法在面对诸如电网的频率波动、高次谐波、白噪 声等干扰因素影响时,表现不尽如人意,本文提出了一种基于小波去噪结合高阶正弦 拟合的测量方法,首先用一种改进的小波阈值去噪法对采集到的电压电流信号进行预 处理,消除信号中的白噪声,然后对消噪后的信号进行高阶正弦拟合,求出电压电流 信号的基波相位角,从而得到介质损耗因数的值。由于传统的阈值函数在阈值邻域内 高阶不可导,使信号在重构后不够平滑,甚至丢失细节信息,本文采用了一种在阈值 邻域内可自适应调整的阈值函数,并采用浮动的阈值来处理各层小波系数,能在最大 程度消除噪声的同时保留信号的弱特征。高阶正弦拟合法把电网频率、基波分量和谐 波分量当做未知量进行计算,可抑制频率波动及谐波对测量精度的影响,并采用收敛 更快.迭代法求解,减少计算耗时。 文章最后通过虚拟仪器平台设计了基于本文算法的高压设备介质损耗 测量软件。仿真和计算的结果表明,基于小波阈值去噪结合高阶正弦拟合的介质损耗 角测量方法能有效的抑制电网的各种干扰,具有较高的精度,对提高在线监测系统性 能具有积极的意义。 关键词:介质损耗角,小波阈值去噪,高阶正弦拟合法,基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 曲 , . ’. ? ,. , ?., . 衔, ..’’ “ ’’“ . ’, 鲥, , , 玎 ? ,, .?, ,谢 , ,, ’ .? 、 ,江苏大学硕士学位论文 .. ,、, , ?. : , , , 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 目录 摘要?.? .......................................................... 第一章绪论。 .高压设备在线监测技术的研究背景??..... .在线监测技术的研究现状及存在的关键技术问题. ..在线监测技术的研究现状?. ..在线监测技术的关键技术问题??. .本文的研究目的、意义及主要内容. ..本文的研究目的、意义??一 ..本文的主要内容??一 第二章介质损耗原理? .介质损耗基本概念? .介质损耗角正切值.介质损耗因数与绝缘劣化的关系? .影响介质损耗因数测量准确性的因素?.. 。本章小结?一 第三章介质损耗因数测量方法... .传统测量方法??.. .现代测量方法??.. ..过零时差比较法..正弦波参数法 ..相关分析法? ..高阶正弦拟合法..最小二乘法提取基波原理? ..谐波分析法? .加窗的谐波分析法一 ..谐波分析法的局限性. ..加窗的作用? 江苏大学硕士学位论文 ..加窗函数的性能指标 ..基于.窗频谱校正介损测量??.. .本章小结 第四章小波去噪在介质损耗数字化测量中的应用?.. .小波分析基本理论.. ..定义与解释? ..小波逆变换? ..二进小波变换 ..多分辨率分析 .。 算法??.. .小波阈值去噪法?.. ..小波阈值去噪的步骤 ..小波基选取? ..分解层数的确定..阂值函数的选择..阈值的选取? .本章小结?一 第五章基于 的去噪仿真和介质损耗计算.?,.??.. .虚拟仪器及的基本概念 ..虚拟仪器简介 .. 简介??.. .基于的小波去噪仿真与介损角计算? ..小波消噪仿真 ..介质损耗角测量.计算结果分析??一 ..不同电网频率下测量结果分析..不同谐波含有量下测量结果分析? ..不同信噪比下测量结果分析 .本章小结?.. 第六章结论与展望?. 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 一一?????????????????????????????????????????????????????一 .结论.. .展望一 参考文献??..?..??.?,??。 致 谢.??.??..?..??..?..?.?.??.. 攻读学位期间发表的学术论文?. 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 .高压设备在线监测技术的研究背景 近年来,随着发电容量和用电负荷的增长以及输电距离的延长,超高压输变 电技 术得到了快速的发展和广泛的应用,其中高压设备发挥着重要的作用。高压 设备发生 故障往往导致一系列严重的后果,首先造成部分甚至全部地区的供电中断,其次影响 国民各生产部门的正常运作,破坏社会的正常秩序,造成财力物力的巨大损失。 年美国和加拿大联合电网发生大面积停电事故,导致万居民失去电力供应,并 造成了难以估量的损失,引发了人们对现代电网可靠性和安全性重新思考。从大量数 据和文献可知,绝缘劣化是高压设备失效的主因。根据相关统计每年由绝缘劣化引起 事故的高压设备台数事故总台数的%以上】。采用新型绝缘材料、改进制造工艺可 以在一定程度上提高设备的可靠性,但更重要的是对设备进行实时监测,获取设备运 行的关键参数,对设备绝缘状况做出准确判断,并采取及时有效措施。因此,高压设 备绝缘在线监测技术的研究对高压设备的稳定运行具有重要的意义。 随着电力电子技术的飞速发展、自动控制和监测技术的广泛应用,在线监测技术 已经应用在国民经济的很多领域,并产生了重要而深远的影响。在线监测技术在电力 系统中已经发挥了重要的作用。研究表明,对于电容型电气设备,通过监测其介质损 耗因数可以发现早期绝缘缺陷;监测其交流泄露电流,可以反映设备的受潮程度; 监测其等值电容可作为补充监测参考,综合分析三个检测量、,、可以全 面地了解电容型设备的绝缘状况。在线监测系统通过高灵敏的传感器对运行中高压设 备进行实时连续巡回的信息采集,并通过有丰富软件支持的计算机网络对采集到的信 息进行处理和辨识,可以及时发现电气设备故障隐患,避免事故的发生,从而保证了 电力系统的安全可靠运行。 每年电力公司根据原电力部颁布的/?《电气设备预防性试验规程》 【,,定期对设备进行预防性维修。随着电网容量和等级的不断攀升,预防性维修的 局限性也越来越明显,主要表现在:首先预防性非破坏试验所加电压远低于运行电压, 难以发现设备潜在的故障隐患,破坏性试验所加电压超过运行电压,容易对本来完好 的设备造成破坏,其次预防性试验不能对设备进行不间断的监测,对预防性试验周期基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 内发生的故障缺乏有效的预防措施;再次,预防性试验大部分工作靠人工完 成,工作 量大,自动化水平低,实验结果随机性大;最后,预防性试验在停电的状态下进行, 会对国民生产生活造成影响。随着绝缘在线监测技术的发展,预防性维护逐渐被预知 也被状态维修 性维护所取代,过去一直沿用的定期维修 所取代。状态维修具有很多优点,可实时获取设备 的绝缘信息,对设备的运行状况作出准确判断;根据对绝缘状况的判断,可提高设备 的利用率和维修水平。 .在线监测技术的研究现状及存在的关键技术问题 ..在线监测技术的研究现状 纵观高压设备绝缘在线监测技术【】的研究背景,国内外学者对高压设备的研究主 要集中于在线监测信号提取、数字测量、诊断分析等几个方面。近几年国内外学者己 进行了大量的研究并取得了一系列成果。 上个世纪年代,美国最初开始了高压设备在线监测技术的研究并将之应用于 早期故障的发现;年代中期,加拿大对油中气体分析进行了研究并将之应用于 变压器的早期故障检测装置;日本对油中氢气进行了监测设备的设计;苏联 对电容型 设备绝缘监测和局部放电在线监测进行了研究【‘】。随着现代电力电子技术的快速发 展,我国于年代开始对高压设备在线监测技术开展相关研究,介质损耗、电容 和不平衡电流进行了相关监测,相对于发达国家起步时间较晚。文献对过电压在 线监测系统进行了深入研究,设计了硬件电路并进行了调试和校正。最后得到了响应 优良、高精度、工作稳定可靠的过电压在线监测系统。文献】开展了基于紫外检测 法的高压输电线路的电晕放电在线监测系统的研究,深入研究了一种借助模糊推理实 现的设备绝缘状态评估新方法并给出了状态数值,为后续研究提供了参考。结果表明, 该系统具有良好的抗干扰能力,且具有响应快速、能够远程通信、实时在线等优点。 文献提出了一种基于分频感应容性设备对地电流的电压传感器并研制了相应的 在线监测系统,并对所提出的监测系统进行了实验验证,具有传输速度快、稳定性高、 测量简单等优点。文献对电力电容器的在线监测系统进行了研究,提出了一套完 整简单的在线监测技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,并通过比较正确诊断出电力电容器的实时运行状态,达 到了在线监测的目的,为后续研究提供了宝贵的运行经验。文献设计了电力电缆 江苏大学硕士学位论文 的在线监测系统,对和载流量进行了分析与计算,建立了电力电缆仿真模型并 进行了仿真。结果表明,该系统能有效实现对数据的监视并获得数据报表。 ..在线监测技术的关键技术问题 尽管在线监测技术在近几十年已经得到了广泛的研究与应用,并取得了一系列成 果,但考虑到电力设备需求的日益增长和智能化的需要,尚且存在一些关键性技术问 题亟待解决。在线检测技术的关键技术问题主要有如下几个方面【。】: 关键参数的准确测量【】:反映设备运行状况的关键参数往往淹没在电网的大 量噪声中,而且测量现场的强电磁干扰,相间干扰,互感器角差以及电网频率波动、 高次谐波都会影响到测量的准确性。 测量数据有效提取:由于在线监测系统对高压设备实施小时监测,累积数 据采集量相对大,很多数据具有冗余性,其中还包含了很多“垃圾”数据,如何发现 数据的规律性,对数据进行有效的提取和压缩将极大的影响绝缘诊断的准确性。 绝缘故障正确诊吲:目前的高压设备在线监测和诊断还停留在一个简单 处理数据的层次上,缺乏有效的判定手段。实测数据表明,一台绝缘状态良好的设备, 其介质损耗因数的值往往呈现周期性变化趋势,不同的温度、湿度等外界环境因数对 测量值有很大的影响,因此不能简单地根据单次测量值来判断设备的绝缘状况。通过 引入人工神经网络、专家系统、模糊识别、灰关联分析等理论应用在电气设备在线监 测系统中,可提高故障诊断的准确性。 .本文的研究目的、意义及主要内容 ..本文的研究目的、意义 年月,国家电网公司发布了《高压设备智能化导则》,明确提出建设 具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化特征的高压设 备。介质损耗因数是反映高压设备绝缘状况的重要参数,介质损耗因数数字化测量技 术对实现高压设备智能化具有重要的意义。 介质损耗因数常用计算方法【,】包含很多种,主要分为以模拟法为主的传统测量 方法和以数字法为主现代测量方法。由于数字测量法具有精度高、抗干扰能力强、易基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 于传输和存储等优点,在高压设备介质损耗因数在线监测系统中得到广泛应用。不同 测量方法都以抑制干扰、提高测量精度为目的,主要区别在于如何获取数字化信号及 采用何种信号处理方式得到介质损耗因数的值。基于硬件电路的介质损耗角测量法受 零点漂移、谐波的影响较大,测量精度的提高依靠硬件设备的巨大投入,代价较大。 由于基于软件的介质损耗数字化测量法精度高、计算快、成本低、易于误差修正等优 点,是目前研究的热点,具有更广阔的前景。 小波分析具有良好的时频特性,已经在国内外得到了广泛的研究和应用。小波去 噪具有低熵性、多分辨率、去相关性、选基灵活性等优点;高阶正弦拟合法对电网频 率波动和谐波的干扰有很强抑制能力。本文致力于采用小波去噪法并结合高阶正弦法 实现对介质损耗因数的数字化测量。这种方法能够有效的抑制电网工频干扰,实现对 介质损耗角进行快速、准确测量,达到对电力设备实时监测的目的。本文的 意义在于 提高电力设备的绝缘性能提供有益的尝试,并为后续研究提供良好的参考和理论与实 验基础。 ..本文的主要内容 介质损耗因数的实时、快速、准确的测量是高压电气设备绝缘在线监测的技术基 础,这将对高压设备安全稳定的运行产生深远的影响。在对在线监测技术的研究背景、 研究现状及存在的关键问题进行分析和概述的基础上,本文将以介质损耗因数的数字 化测量方法为研究对象借助虚拟软件进行仿真和计算。本文将主要开展如 下工作: .详细阐述了在线监测技术的研究背景及应用前景,并对其研究现状进行了简要 的概述和总结。提出了高压绝缘在线监测存在的关键技术问题,并在此基础上说明了 本文的研究目的及意义。最后,对本文的主要研究内容进行了简要的概括。 .阐述了现有的介质损耗测量技术和方法,介绍了各种算法的优缺点。主要分析 了引起谐波分析法测量误差的原因,并详细介绍了基于.窗的谐波分 析法介质损耗测量方法。 .详细介绍了小波分析的基本原理,针对电网白噪声特性,采用了一种改进的阈 值函数和浮动的阈值应用于介质损耗计算,最后具体阐述了小波阈值去噪方法及步骤。 .基于平台建立介质损耗在线监测系统进行仿真计算。仿真结果表明 江苏大学硕士学位论文 了本文提出的介质损耗测量方法的可行性和可靠性,为后续研究提供了良好的参考。 .对本文所做的工作进行了总结,并对在线监测技术需要进一步完成的工作进行 了简要的预测。基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 第二章介质损耗原理 .介质损耗基本概念 电气绝缘的作用是把不同电位的导体隔开,使之在电器上不连接,没有电流通过, 电气绝缘材料被称为绝缘材料或电介质。电介质在电场作用下,会发生种种物理现象, 如极化、电导、放电等,同时造成能量损耗,该损耗就称为介质损耗,这种损耗按照 其物理性质有以下三种形式:电介质极化引起的损耗,漏导引起的损耗,局部放电引 起的损耗,介质损耗示意图如图.所示。 .电介质极化引起的损耗矾 电介质内部的带电质子在交流电压作用下,沿交变电场方向作往返的有限位移和 重新排列,发生周期性的极化现象,极化的强弱程度由电介质分子的运动形式和其内 部结构决定。介质极化的等效电路可用电阻墨及电容的串联支路与电容的并联 电路表示。介质中电子位移极化相关电容量用表示,介质松弛极化相关的参数用冠 和表示。 .漏导引起的损耗形 电介质试品在交变电场的作用下总会产生泄露电流,表现出一定的电导特性,由 此造成热能量损耗。电介质在交流和直流电压作用下都存在这种热能量损耗,被称为 漏导损耗,可以用电阻上的热能损耗等效表示,如图.中用。表示,彤表示内部 体积电阻,表示表面电阻,足由和匙并联组成。通常情况矿很大,与电介 质试品的形状结构及环境有关。 .局部放电引起的损耗形 由于电介质的材料劣化、受潮或结构有缺陷,所受电压超过正常水平时,电介质 内部或表面将会发生局部放电现象,产生附加损耗。在图.中,电介质局部放电相 关的电容参数中用和表示。在电压变化最大的区域内局部放电现象比较集中。 局部放电现象会极大地影响电介质的性能,应尽量避免正常工作时局部放电。 江苏大学硕士学位论文 图.介质损耗等效电路图 .介质损耗角正切值 在交变的电压作用下,电介质内部发生极化效应和电导,其内部有阻性电流流过, 使通过电介质的电流不是超前电压州,而是伊角度。其电流向量图及功率三角形 如图.所示 图.电介质的电流向量图和功率三角形 电介质可以等效为一个电阻和一个电容的并联或者串联,如图.所示。在向量 图中,流过电介质的电流,比电介质两端的电压汐超前一个相位角,当设备的绝缘 状态良好时,常被视为容性设备,流过电介质的几乎都是纯无功电容电流,》厶, 妒接近。。当绝缘劣化时,等效并联电阻变小,存在电阻电流厶,产生有功损耗尸, 使小于。,其中电阻电流厶与电容电流的比值就是介质损耗因数。 对于并联等效电路 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 . 万皇去 . /% 对于串联等效电路 . 笋缈 /【一 . 石 虿 一般情况下,电介质的介质损耗因数万很小,工程上常近似地认为万?, 所以这两种等值电路中介损表达式是相同的,即: . 亿, 万志吾 其中,万是介质损耗角,也是功率因数够的余角,是介质损耗因素,也称 介质榀耗切倌,缈县电源角频率。 并联等值电路 串联等值电路 图.电介质等值电路及矢量图 电介质品质的好坏用介质损耗来表征很不方便,电介质两端所加电压、形状尺 寸都等因素都会影响到介质损耗的大小,不同的试品间仅通过介质损耗尸值不好比 较其绝缘状态的好坏。因介质损耗角因数大小仅与电介质材料的特性有关,而 与其形状尺寸关系不大,所以经常用电介质的介质损耗因素来判断其品质。 在交变电场的作用下,介质损耗因数与频率及介质极化松弛时间有关,其表达式 如下:万:竺二盘 万????????』? 、 亿, 其中,为电介质电导率;为介电常数;岛为真空介电常数.×法/米; 氏为对应于电子位移极化的相对电介质常数; .介质损耗因数与绝缘劣化的关系 当高压电容型设备绝缘出现严重劣化时,其等效电路图如图.所示,它由有绝 缘缺陷的部分电容和剩余完好部分的电容串联组成‘。绝缘缺陷部分即介质有 损耗的部分用和的并联等效电路表示。介质损耗角正切由式计算: . 磊丽 。一卜 图.电介质绝缘劣化时等效电路图 由图可知,绝缘复导纳的变化?吃决定了因绝缘缺陷引起的电流的变化止, 即 ?,,一/一艺 . 式中,为绝缘有缺陷时流过的电流;厶为设备完好流过的电流;为绝缘上所 加电压;矿为有缺陷时设备绝缘的等效电路的导纳;】;:为完好设备的绝缘等 效电路 的导纳;?兄为由缺陷引起等效电路导纳的变化。 从等效电路可得 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 砰一? 坐撑 广??一, . 旦阳』? 糍赤 一、 式中,石绝缘缺陷部分的无功容性阻抗;七鱼为绝缘缺陷部分部分和 完好部分电容之比。流过绝缘的电流相对变化为 . 等锗黼智 莉 . 石以 设备由缺陷引起的电容的变化等于?虼及表达式中虚部之比,即 . 叫 尼 ,盟~、 堡竿?裔刮协一 式.中,虚部和实部之比为绝缘有缺陷后的,式.为绝缘完好的情况, 即, 故绝缘有缺陷后的增 万一瓯,即 . 石以 ?万孺 一 群岛竿门、州 求解式.和.,可得电流增量?的相位角缈为 ?均 删上舟一彘皖 一般缺陷占绝缘中.。/』、的体积,故》,?,则江苏大学硕士学位论文 . 驴?屯岛 说明/的相位角恰好是局部缺陷的介质损耗角?。以下分析监测,, 世对发现彩的灵敏度。可认为衫七?,得以下几个关系式: . 、 ’ 黑?、岛 ‘ . 叫 抛坑; 以、 ?一?面/ 二 . , ?怒?名 缺陷发展的起始阶段皖《,则?,测量?和的灵敏度是一致的; ?,说明监测比更灵敏;??/皖,说明监测比更灵敏。在 缺陷发展的后期阶段,力,??,监测?和灵敏度相近;?,说明监 测?比万具有更高的灵敏度。各个监测参数的变化量都较小,总的监测灵敏 度较 低,但随着局部缺陷的扩大,即女值减少,监测灵敏度将增大,所以监测介质 损耗角 、电流,和电容值,对发现绝缘整体劣化比较灵敏。 .影响介质损耗因数测量准确性的因素 万非常小,万%.时相当于万.。,对于交流信号来说,相当 于的脉宽,非常容易受到各种干扰因素影响测量准确性。影响设备介质损耗因数 测量准确的因数很多,按影响性质的不同可分为三种类型影响因素: .环境因素,主要包括测量现场的温度、湿度及各种电磁干扰。绝缘材料的介质 损耗因数 大小受其本身的温度影响较大,通常情况万会随着温度升高而增大。 电介质表面的电场分布情况会受到环境湿度的影响,电介质在受潮后也会引起电导损 耗增大,导致介质损耗因数也增大。 .硬件测量误差,主要包括电压互感器角差、/转换精度等。通常从母线电压 互感器二次测获得的电压作为试品的端电压,而电压互感器在从高压侧到低压侧获得 感应电压时会产生一个相角误差,此误差会随着二次负载和运行电压的变化而发生改 变,某些时候甚至会超过设备介损角的大小,最终导致较大的测量偏差。研究表明,基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 相角差变化’就会引起介质损耗因数误差.%,所以电压互感器角误差必将对介 损测量结果产生影响。/转换是把模拟信号转换为数字信号,输入的模拟信号幅值 具有从而。一“一之间的无穷个可能数值,有限位长的二进制码只能表示有 限个数值, 对于一个转换位数为的/转换器,只能输出个数值,用有限个数数字信号来 表示无限连续的模拟信号必然会造成误差的。所以,/转换的过程存在误差,该误 差具有随机性,输入信号的变化越复杂,误差随机性越强。 .来自电网的干扰,由于电网频率的波动、谐波及白噪声的普遍存在,已成为影 响介质损耗测量准确性的主要因素。 电网频率波动影响:在介质损耗因素测量中,从二次侧获取的电压和电流信 号可看作连续的周期信号。计算机只能处理有限长的数字信号,所以必须对连续的模 拟信号转换为数字信号。如果可以满足采样定理,即采样频率大于或等于信号中最高 频率的倍,那么信号经变换后,仍完整保留了原始信号中的信息,这样可实 现对信号的准确分析,最终获得信号基波分量的幅值和相位角。但在实际情况中,电 网频率并不是严格的,一般在..之间波动,难以满足整周期采样的要 求,引发“频谱泄露”和“栅栏效应”现象,导致计算产生误差,影响测量精度。 谐波影响:随着大功率电力电子设备在输配电过程的广泛使用,使电网波形 畸变率非常高,含有大量各次谐波。电网中的谐波主要是~次谐波,各次谐波含 量的比例依次为%、%、%、%、%,正常情况电介质的介质损耗因数 很小,需要很高的测量精度,谐波频率、波形畸变率、谐波初相角及谐波所占比例等 因数对会极大的影响测量精度。 白噪声影响:我们使用的电网中,广泛存在着大量的电网噪声,有由雷电等 自然想象引起的噪声,也有由各种电子设备如计算机、家用电器产生的噪声,这些噪 声频率范围宽、随机性强,严重的影响了介质损耗因数的测量精度。 .本章小结 本章介绍介质损耗的基本概念、物理意义及三种不同的形成机理,描述了电介质 两种等效电路下介质损耗因数万和介质损耗尸的数学表达式;接着论证了介质损 耗因数和绝缘劣化的关系;最后分析了影响介质损耗因数测量准确性的因素。 江苏大学硕士学位论文 第三章介质损耗因数测量方法 .传统测量方法 早期介质损耗因素测量以模拟方法为主,包括瓦特表法、谐振回路法、西 林电桥法,其中西林电桥法应用最广泛。 .瓦特表法 瓦特表法最早使用的一种测量方法,是通过计算电介质等效电路中电阻消耗 的有 功功率和电容消耗的无功功率的比值得到介质损耗因数,由于该方法测量误差较大, 已经被淘汰。 .谐振回路法 谐振回路法通过集中参数谐振电路测量介质损耗,谐振电路通常采用电感、电容 组成谐振回路,并与高频信号做耦合进行测试。可分为变频法、变电纳法、变电导法、 变电阻法和谐振升高法。它可以在和的频段内测量介质损。谐振回 路法测量方法简单,缺乏规范的测量规程,测量频率不固定,难以满足高精度的要求, 尤其在高压实验条件下更难达到要求,所以高压试验中很少采用该方法。 .西林电桥法‘】 西林电桥法是基于交流电桥差值比较原理的一种测量方法,通过调节低压臂端的 可调电容和电阻的大小,达到电桥平衡,从而得到试品的介质损耗因数,是最早最广 泛的方法之一。基本电路如图.所示。 图.西林电桥法基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 西林电桥高压桥臂分别接被测试品乙由和并联等效和无损耗即 万的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电容器?组成;低压桥臂分别接无感可变电阻恐和无感电阻心和可 变电容的并联支路。各桥臂的导纳为: . 量瓦扣尸 . /? . 万 . 万歹?。 调节,、使电桥达到平衡时,应满足: . 即: , //巾。肛 解得此方程得: ?。。 ?赢钏 , 凳击去 当.,误差允许不大于%时,式.可改写为: . ?鲁 西林电桥法测量介质损耗具有很高的精度,在预防性试验中广泛使用,但在实际 使用中具有一定的局限性,主要表现在以下几个方面: .测量步骤复杂,工作量大,自动化水平低,测量结果受人为影响较大。 .抗电磁干扰能力差。 .不能测量高电压大电容试品。 .当有较大的谐波干扰时,检流计不能指零。 .不能用于在线豁涮。 江苏大学硕士学位论文 .现代测量方法 随着微电子技术、计算机技术、高精度传感技术及数字信号处理技术的快速发展, 使得介质损耗的数字化测量方法【】有了更深入的研究和更广泛的应用,并开发出许多 介质损耗数字化测量方法。介质损耗因数的数字化测量方法的步骤都相似,首先从互 感器获得电压电流信号,然后经调理电路滤波、放大、整形,接着通过信号处理系统 把模拟信号转换为数字信号,最后由数据处理系统得到介质损耗因数,其 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图.所示。 \ 、 信 数 电压互感器 / / 调 号 据 理 处 处 \ / 理 理 电 系 系 路 \ %、 电流互感器 统 统 / 图.介质损耗数字化测量流程图 不同的测量方法区别在于获取数字信号的方法和数据处理的算法,主要有两 大分 支。一种是靠硬件电路的实现方法,以过零点时相位比较法或称脉冲计数法 为代表, 此类方法受电磁干扰影响较大,容易产生零点漂移现象,造成较大误差。另一 种方法 是以谐波分析法为代表的软件测量分析方法,主要通过软件的方法得到电压和电流的 相位,最后求的介质损耗因数艿。 ..过零时差比较法 过零时差比较法【是把对相位的测量转换为对时间的测量的一种方法。通过比较 流过试品的电流,和试品上所加电压的过零点时刻 和,,然后通过时间差计算得 到两个信号的相位差。通过电压、电流互感器得到电压电流信号经过滤波、放大、整 形等处理后,得到信号过零点时的相位图,再经过逻辑转换电路得到宽度为岔的方 波信号图。方波的宽度反映了电压和电流信号的相位差,所以通过测量出脉冲宽度 即可求出试品的介质损耗因数。过零时差比较法原理图如图.所示。 若信号的周期为丁,则电压和电流的相位差可表示为:基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 . 伊砌×孚 介质损耗角表达式为: . 万要一伊 若计得脉冲数为聆,脉冲频率为厂,可得: 四 万争等 过零时差比较法具有线性好、易数学化、测量分辨率高的优点,但谐波分量和零 点漂移会导致电压和电流的过零点偏移,造成测量误差。谐波的频率、谐波初相角、 谐波畸变率是主要影响因素。 、么 ,, \:/、 ‘ , 一 图.过零时差比较法测量原理图 ..正弦波参数法 正弦波参数法是把待测信号与某一确定频率的正余弦函数进行周期积分利用 三角函数的正交性,求得与该基准函数频率相同分量的实部和虚部,进而求得待分析 信号中该频率分量的幅值和相位角。设试品两端的电压: . “‰丘 流过试品的电流: . 研够 式.和.可展开为 江苏大学硕士学位论文 国 . “ / / . 式.和.: %伊. 々. . 够 厶仍 由此可得: . 纸一二 . 仍一二 则 、 万兰一删仍一纯 、。 ,, 设为正弦波的周期,由下式.口求得、、、: ;胁 吾甜归国砒 。 :瓢咖砒 孤国础 从算法公式中可以看出通过三角函数的正交性可消除信号材,和中的直流 分量及各次谐波的影响。但正弦波参数法受电网频率波动影响较大,如果不 能满足整 周期采样,则积分长度也不能保证是整周期,从而造成测量误差。同时在电网 信号含 有大量白噪声,信噪比较低的情况下,也不能保证其测量精度。 利用最小二乘法也可求得、、、,甜和为实际电压、电流的 采样信号,令拟合信号和实际信号误差平方和为: . 缈 ? 耐,一“, .基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 】, . 国日 一‘ 】,:。哆日?讲 为使和】,最小,则下式.成立: :翌:翌: . 一:蛾 妈 由式..建立线性方程组可求得、、、,最终求出。 ..相关分析法 相关分析法算法【简单,对硬件要求较低,抗干扰能力强,可以在信噪比较低 的 情况下提取出微弱有用信号。经采样滤波后得到流过试品的电流信号 么耐臼和试品两端的电压信号。其中“【进行了 。的相移,臼为测量频率与实际电网频率的差值,万为介质损耗角,缈玎,为 电网频率,么和分别为电流电压信号的幅值。电流电压信号的自相关函数和 互相关 函数分别为: 于 。彳出等 . 专了 %吾彳斛臼斛臼万出警万 , 、 ./尼、 拈一型?商‰ 上式中,为整周期,,是电流信号的自相关系数,是电压信号的自相关系 统,如,是电流和电压信号的互相关系数,万介质损耗角。在实际测量中,需要处理 的是离散信号,其表达式如下: 专?玎船 』 . 尺万刍,玎 %寺?门玎 』’江苏大学硕士学位论文 相关分析法对电网白噪声有较强的抑制能力,对采样电路要求较低。电网频率波 动对相关分析法影响较大,如果不能满足在整周期区间内准确积分,采样频率不能达 到电网信号频率的整数倍时,测量精度将难以达到要求。 ..高阶正弦拟合法 高阶正弦拟合法【,】是一种受电网频率波动影响较小的算法,可在非同步采样条 件下测量介质损耗因数万,它将高阶正弦函数作为拟合函数,电网频率作为 未知 参数,对待测信号进行非线性最小二乘拟合,求得到基波相位角,最终得到介 损因数。 构造如下数学模型: . 彳? 口 其中是直流分量,国,,仍分别为基波频率、幅值、相位角,是女次谐 波的幅值,依是次谐波的相位角。令采样频率为砉,对信号采样后得到?“点 离 散序列咒,,,?,?拟合的目标函数为: . 五五?盈缸氟 数据拟合在某一拟合优度下进行,寻找‖‘,名,,,...,如,订,旌?.,?, 。.。, 。 。 ‖’姜“一姜七国。疚。 血姜?一心一荟 七哆纯 、 。 嚣 ’ 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 初值。 用上限频率较低的低通滤波器滤除高次谐波,减少运算量,而对基波信息没 有影响。 高阶正弦拟合法可以适应电网频率小范围的波动,但该方法计算量大,当未 知量 过多时,会影响了高阶正弦拟合法的实时性。在待测信号信噪比低的情况下, 高阶正 弦拟合法测量误差较大。 ..最小二乘法提取基波原理 对采集到电压电流进行基波信号最小二乘拟合‘,设基波信号表达式为: . 研妒 展开后的表达式为: . 式.中 :而 。’ 妒:删詈 根据最小二乘原理,目标函数可以写成 . ?‖【,一/‘】 式.:/是估计得到的基波信号在第点的值;厂是 经小波阈值去噪后得到的在点值;为估计所用的点数;彳为加权系数,根据响 应 时间和估计精度来选取,一般在.到之间,为计算简单,一般名取。要使值 最小,可得 ,、 ?? . ,、 ?? 即 . 厶。墟 式.中: 江苏大学硕士学位论文 . 厶。?‖毗 . 厶?五川 . 厶厶?五” . 以?允”’ . 以?‖,厂, 相应的递推公式为: . 。,。 . :尼:嚷。嘶。 . :旯:。 . 骂弛七嚷,。 . 垦十见垦。厂嚷。 . ,::骂垦 求解式.可得和的值,代入式.可分别求得电压和电流信号的基波相 位角。该方法计算简单快速,受电网频率波动干扰较小,但其测量值容易受到 高次谐 波和白噪声的影响。 ..谐波分析法 谐波分析法【‘的原理是从电压传感器和电流传感器获得试品的运行电压和 泄 露电流,通过/转换器转为离散的数字信号,再应用离散傅里叶变换或者快 速傅里叶变换求得俩信号的基波相位角,进而得到介质损耗因数。电压信 号和电流信号,在满足狄里赫利条件的下可进行傅里叶级数展开,表达式 如下: . ?%% 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 . 厶? 式中,、,。分别为电压、电流的直流分量;%、分别为电压、电流各次 谐波的幅值;%、屏分别为电压、电流各次谐波的相位角七,,?,。。只需 提取电压、电流『中的基波分量,根据三角函数的正交性可以得出: . 。: ?? . ::。 :?? ?? . ,:厶。。届:?? . ::‘。协属:?工?广 其中,。、局分别为电压、电流的基波相角。由介质损耗因素的定义可知,介 质损耗角万为: . 万。一屈 即 鄢, 万。。一卜爱一砌毒 这样便可求的试品的介质损耗因素。 谐波分析法基于离散傅里叶变换,在准确获取电压和电流信号的条件下,对被测 电压和电流进行分析,运用该算法可求得电压、电流信号基波相角,从而得到介质损 耗因数的值,其结果不受高次谐波的影响。同时,谐波分析法是以软件分析为主,能 有效的减少硬件电路造成的影响。由计算过程可知,根据三角函数的正交特性,、 ,中直流分量砜、并不影响口。、届的值,所以最后测得介质损耗因数万受硬 件电路零点漂移的影响较小,从而提高了测量的精确度和稳定性。但在实际测试中, 电网频率波动会造成采样频率和实际信号频率不同步,产生“栅栏效应”和“频谱泄 露”现象,给介质损耗因数占测量带来很大误差。而且,电网中广泛存在的白噪 声对测量也有较大的影响。江苏大学硕士学位论文 .加窗的谐波分析法 由于系统频率往往是波动的,很难满足整周期采样,由此造成的“栅栏效应”和 “频谱泄露”极大的影响分析和测量的稳定性和准确性。为了消除频率波动带来的误 差,很多文献在谐波分析法的基础上,提出了一种加窗和插值修正的谐波分析法】。 ..谐波分析法的局限性 理论的傅里叶变换是对信号在整个时域内的变换,但在实际应用中,快速傅 里叶变换只能对有限长度的信号进行变换。在时域上,有限长度的信号相当于无限 长信号与矩形窗信号的乘积,时域的乘积运算对应傅里叶变换结果的卷积运算,因此 通过算法得到傅里叶变换结果相当于实际信号的傅里叶变换与矩形窗傅里叶变 换的卷积,并不是真正实际信号的傅里叶变换。解决了离散傅里叶变换运 算量大、实时性差的缺点,促成了在工程中的广泛运用,但仍然存在一些固有 的问题。 混叠现象 根据采样定理,只有当采样频率大于信号的最高频率两倍时,才能保证从采样值 完全重构原始信号。从时域的角度来看,实际信号的持续时间是有限的,从理 论是上 考虑,其频谱宽度是无限的,这与计算机只能处理有限的信号是相矛盾的。信号在离 散化过程中,如果采样频率不够高,抽样出来的点即代表了信号中的低频信号的样本 值,同时也代表高频信号样本值,在信号重构的时候,高频信号被低频信号代替,两 种波形完全重叠在一起,造成严重失真。因此,工程上必须对信号做抗混叠滤波处理。 频谱泄露 在实际测量在中,从互感器获得的电压、电流信号经/转换器得到有限长的 采样序列,只有当采样频率为电网频率的整数倍,也就是采样长度是工频周期的整数 倍,满足如式.所示的整周期采样的条件时,谐波分析法才能严格成立。 .”?’ 三 考型或五 乃 其中,?为采样点数,上为周期数,?与分别为信号周期和采样周期,厶与 分别为系统基波频率和采样频率。 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 从离散傅里叶的等效滤波器频谱特性分析可得出造成频谱泄露的原因。有一类非 递归式数字滤波器,在一的时刻,滤波器的输入与输出关系可用差分方程式 表 达,即 一 . ?. 时间序列玎的离散傅里叶变换: 等 . :?疗 对比上述两式可以看出,对序列门作离散傅里叶变换,可看作是把这 个序列,通过一个非递归式数字滤波器,其系数%的表达式为 . ?。胛 从上式可以看出,输入序列刀中的每个样本都有相位滞后哪砌’/?。对一个 信号序列作离散傅里叶变换,相当于把它送入一组?个滤波器,如图.所示。 每一 个滤波器显示出不同的值,也就是不同离散频率的幅值和相位,这些滤波器 都可看 作是带通滤波器,其中心频率分别为,七,,?,,其中,/, 为采样频率,?为采样点数。 图. 的“滤波器”示意图 展开离散傅里叶变换公式: 七:等女石一,等姒??一等?一妒’. 江苏大学硕士学位论文 式.可以看做尼是输入序列聆和一个滤波器的脉冲响应玩刀的卷积, 即 . ?即玩 该滤波器的脉冲响应为 %行:秘一删,,?,? . ”或胛? 对滤波器的脉冲响应吃刀求变换得: ?一 以魄船?壤即‖ :一,和。芝每叫矿 . ,等/坚霉. 一一’矿 令:问:寺,其中:;为采样频率,则可得滤波器的幅频特性 . . 风, 鬻 由上述公式.可知,也的中心频率为识/?,它的频率特性的峰值位于 识/?上,即第跟谱线上。在其它的相邻间隔一个频率分辨单位的各个频率上, 即在频率厂哌/?上,其幅频特性为零。因此,当输入序列是一个角频率为 的复正弦信号时为整数,则只在?的频谱线上有输出。若输入信号的 频率不在频谱序列的某个离散点上,将使多个滤波器都有输出,造成频谱泄露现象, 如图.所示。基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 图.非同步采样信号离散频谱示意图 栅栏效应 对信号采用算法进行计算,把原本连续的信号离散化,在频域内,只能看 到频谱的一部分,其它频率点则看不到,这就相当于透过栅栏观看风景,就称为“栅 栏效应”。只是当时域采样满足采样定理时,栅栏效应不会有什么影响。而频域采样 的栅栏效应则影响很大,“挡住”或“丢失”的频率成分有可能是重要的或具有特征 的成分,使信号处理失去意义。 ..加窗的作用 在离散傅里叶变换式中对输入序列进行加权,如式.后:: . 爿二尼篓,国,一,等疵 其中国的频谱函数为: ‖埔 . ‖七:?彩咒‘和 ‖七?彩咒 离散傅里叶的逆变换式: . ,丙刍』和 代入式.,得: 江苏大学硕士学位论文 彳七篓国胛认/万毛七’,鲁删叫等旆 . . ?七?国,叫‖”叫 :?七,芝国胛吖.钞 ’ ’’七木形七 从式.可知,加窗后的频谱函数瓦后是输入信号刀的频谱与加窗序列的 频谱的卷积。 若尼只含有‰一根被测谱线,则 . 瓦‰‰形 若还存在一根干扰谱线毛,则 . 虬‰‰形毛形‰ 此时即使没有‰的谱线,输出‰也不一定为零。 根据以上论述,要抑制‰的谱线值上出现的干扰谱线墨的影响,可以选择 适当的窗函数国刀,使得它将对应的形‰一向的值予以抑制,即要抑制形后的旁 瓣幅值。若要抑制噪声频谱的输出,则需选择合适的窗函数缈门,使它能压缩加窗 频谱函数形七的宽度和旁瓣幅值。 ..加窗函数的性能指标 窗函数种类繁多,通常窗函数在处理有限长度的信号时,在其频谱检测能力和频 谱估计精度可做选择的依据。表.给出了几种常用窗函数的主要性能指标各种窗函 数的性能指标可以用以下几个方面来衡量: 最大旁瓣电平和旁瓣跌落速率。 最大旁瓣电平是用来表征窗函数抑制噪声频谱和窄带线谱能力的指标,最大旁瓣 电平越小,抑制能力越强;旁瓣跌落速率是用来表征在主瓣附近的旁瓣的幅值下降速 度的快慢。 等效噪声宽带 加窗函数分析信号过程中,噪声也将作为谱线幅值干扰量一起输出,这个干扰量 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 的大小由两个方面决定,一是噪声大小,二是加窗频谱函数的带宽。等效噪声带宽用 来表征在不同加窗函数条件下的噪声输出。 栅栏损失 栅栏损失用来表征由于采样频率和信号频率不同步而引起的最大可能输出损失。 在离散傅里叶变换中,如果被处理的信号频率是频率最小分辨单元的整数倍,信号的 各次谐波分量正好落在个频率分辨率点上,加窗变换处理后的输出将不存在偏差,如 果各次谐波分量落在位于两个相邻分辨点之间,则信号在加窗变换后的输出将产生偏 差,这就是栅栏效应。 袁.几种余弦窗函数的性能指标对比图 旁瓣跌落速 最大旁瓣电 等效噪声带宽 栅栏损失 加窗类型 率分贝/十倍 平分贝 分辨单元 分贝 频 矩形窗 . . . . 汉宁窗 . . . . . . 海明窗 布莱克曼窗 . . . . 准确的布莱克曼窗 . . . . 项系数 . ? . . 布莱克曼一哈里斯 窗. . . . . 项系数 从表.可知,由于.窗在抑制长范围频谱泄露方面表现优良, 很多文献采用基于.窗插值修正算法以求减少非整周期采用下的 谐波分析法引起的误差。 ..基于.窗频谱校正介损测量 设信号的频率为石,幅值为彳,初相角为口,经过采用率为的模数转换后得 到离散信号如下: , 州协竽刁 加窗后该信号的连续傅里叶变换为: 江苏大学硕士学位论文 厂?,国,口研 。一’ 扣国掣卜文掣 窗对负频分量长范围泄露有较好的抑制能力,可忽略负频点一 处频峰的旁瓣影响,所以在正频点附近的连续频谱函数的表达式为: , 础’虿%驾掣 将式.离散化得: , 孙牡万‖国半 式.中,离散频率为鲈/?。令峰值点左右两侧的谱线分别为第毛和屯条 谱线,幅值分别是岛,如鲈,令口‰一毛一.,根据上式., 可得: ’ 此 刀缈一口./?刀缈一口一./? 嚣雕嚣瓣搿?., 令‖儿一乃/奶一乃,当较大是,式.看简化为‖口,其反函数 记为口‖,采用多项式逼近法计算口一‖,这样既能使计算简化又可以保 证精度。 直接对墨,岛两根谱线幅值进行加权平均,并当做实际分支点的幅值,计算公 式 、 , 。 耽 一疡再瓦研孓可硼 肚锱搿一 一 当?较大时,式.:莲一步简化为:儿口的形式,其中口是 偶函数。通过多项式逼近求出口的近似计算公式,可得计算公式: . 么?咒乃口包口?岛,口‘ 基于小波去噪结合高阶正弦拟合法的介质损耗角测量技术研究 式.,,,,?,,为次多项式的偶次项系数。 基于.窗修正公式推导过程如下: 小..等/.,?百 。功 一.嘶三 令%妒::%缈一,丁?,则如?窗的幅值函数为: 嘣国.%一半降一万国矗习 半%国一惫%仞篙 一半?一是%国篙 限。、 当》时,式.可以近似表示为: %彩.彩一些竽%国一等%国等 ?, 半%国一等%国等 一半%彩一等曝彩等 将瑚小鲈训肛代入%缈?等可得: 限蚴 ???????????弋一. 万七一? %芈?斜一 利用多项式拟合函数进行多次计算,最终得到如下修正公式: 口.... . 。坎..口.口.. 最终得到: .