专利名称：变压器套管绝缘状态在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力设备绝缘在线监测系统，特别是一种变压器套管绝缘状态在线监测系统。
背景技术：
变压器套管将变压器内部高、低压引线弓到油箱外部，不但作为引线对地绝缘，而且担负着固定引线的作用，因此变压器套管的绝缘特性是保证其安全可靠工作的前提。而变压器套管的电容量和介质损耗是反映变压器套管绝缘状态的主要指标，因此变压器套管介损和电容量监测是保证其可靠运行的重要手段。现有的变压器套管介损和电容量监测主要有两种方法，第一种时离线式，通过西林电桥等离线方法测出变压器套管的介损和电容量；另一种是在线测量上述两个参数。离线式测量方法由于需要停电，并且接线麻烦，实际使用时，工作量较大。在线测量方法不仅大大减少了工作量，还可对变压器套管介损等关键数据进行长期测量，可为套管绝缘老化评估提供数据支撑，但由于电力系统中频率变化引起的非整周期采样、电压电流非同步采样及套管所处的环境(温湿度)不一样等原因，使得套管监测的精度一直难以提高。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种变压器套管绝缘状态在线监测系统。首先通过PT 二次侧输出获取实时电网频率，然后通过锁相环倍频后作为AD转换器的时钟，从而实现对电压、电流的整周期采样，利用同步采样AD转换器实现对电压、电流的同步采样，实现介损精度优于O. 01%。本发明的技术解决方案如下
一种变压器套管绝缘状态在线监测系统，特点在于其构成包括PT信号调理模块接入变压器的ABC三相PT电压，该PT信号调理模块的转接头与PT互感器的信号接头相连；
CT信号调理模块接入CT套管末屏接地电流，该CT信号调理模块的信号转接头与CT互感器的信号接头相连；
所述的PT信号调理模块三路信号输出通道与CT信号调理模块三路信号输出通道分别与AD同步转换器的六路信号输入通道连接；所述的PT信号调理模块的信号输出通道与锁相环模块的第一信号输入通道连接，该锁相环模块的信号输出通道与所述的AD同步转换器的时钟输入通道相连；该八0同步转换器的数据总线与主控模块的数据总线、SRAM的数据总线分别相连，所述的主控模块的通道控制接口与高速静态缓存(SRAM)的通道控制接口连接，所述的主控模块的以太网接口和光纤接口与外部工业计算机连接；所述的主控模块的信号输出通道与所述的锁相环模块的第二信号输入通道连接。所述的锁相环模块包括正弦波方波转换电路和方波倍频电路两部构成，
所述的正弦波方波转换电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和比较器，所述的第一运算放大器的输出端经第一电阻、第二电阻接第二运算放大器的正向输入端，所述的第一运算放大器的负向输入端接第一运算放大器的输出端，所述的第一电阻和第二电阻之间的节点经第一电容接所述的第二运算放大器的负向输入端和输出端，所述的第二电阻和第二运算放大器的节点经第二电容接地，所述的第二运算放大器的输出端接所述的比较器的负向输入端，该比较器的正向输入端经第三电阻接地，该比较器的正向输入端经第四电阻接该比较器的输出端，该比较器的输出端经第五电阻接3. 3V直流电源(+3V3D)，该接该比较器的输出端接所述的方波倍频电路的锁相环芯片的AIN接口，图5中U200A和U200B为双通道运算放大器LM358的两个通道，U200A起到隔离放大器的作用，R226、R227、C204、C207和U200B构成了二阶低通滤波器，按图中的取值其截止频率为70Hz，符合低通滤波的要求。U209为比较器LM393，和R233、R234形成了双极性过零比较器，将正弦波整形成方波信号PwrFrqln，以作为后级倍频电路的输入信号。R232为输出端的上拉电阻，取值为200欧姆，使得LM393输出电平PwrFrqIn为0-3. 3V，与后级的CD4046的输入电平匹配。与现有技术相比，本发明的技术效果如下 I.锁相环模块锁相环模块的信号输出作为AD的时钟频率，模块的信号输出始终为电网电压频率的整数倍，使AD的采样频率fs始终与系统实际运行的频率fl保持固定的比例关系N=fs/fl，采样频率随系统运行的频率的变化能实时地调整，实现了对于电压电流的同步采样，避免了因电网系统的频率波动而产生泄漏误差，使得基波电压的测量精度不受到电网系统频率波动的影响。本发明介损精度可优于O. 01%。2.通道16位同步AD转换器具有6通道电压电流信号的同步采样能力，同时该AD转换器具有高SNR、高动态范围，最高可以200kHz的速率进行采样，在高精度要求下可实现过采样，具有很高的分辨率，足以满足测量交流小信号的要求。3.测量数据精度高采用了高精度的传感器、同步采样的方法、高精度的ADC等综合措施，确保了介损测量的精度。4. WEB形式发布数据，可实现远程浏览。同时具有以太网和光纤接口，可远程与主站系统连接，并且可实现自动定期定时自动采集、记录规定时间内采集数据、远程手动启动测量。


图I是本发明变压器套管绝缘状态在线监测系统的结构示意图。图2是本发明的CT的信号调理模块电路图。图3是本发明的PT信号隔离滤波模块电路图。图4是本发明的锁相环模块中正弦波方波转换电路图。图5是本发明的锁相环模块中方波倍频电路图。图6是本发明的多通道同步AD转换器电路图。图7是本发明的主控模块电路图。图8是本发明的主控模块中存储器电路图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图I是本发明变压器套管绝缘状态在线监测系统的结构示意图。如图所示，一种变压器套管绝缘状态在线监测系统，包括PT信号调理模块2接入变压器的ABC三相PT电压，该PT信号调理模块2的转接头与PT互感器I的信号接头相连；CT信号调理模块接入CT套管末屏接地电流，该CT信号调理模块4的信号转接头与CT互感器3的信号接头相连；所述的PT信号调理模块2三路信号输出通道与CT信 号调理模块4三路信号输出通道分别与AD同步转换器6的六路信号输入通道连接；所述的PT信号调理模块2的信号输出通道与锁相环模块5的第一信号输入通道连接，该锁相环模块5的信号输出通道与所述的AD同步转换器6的时钟输入通道相连；该AD同步转换器6的数据总线与主控模块的数据总线、SRAM的数据总线分别相连，所述的主控模块7的通道控制接口与SRAM9的通道控制接口连接，所述的主控模块7的以太网接口和光纤接口与外部工业计算机8连接，所述的主控模块7的信号输出通道与所述的锁相环模块5的第二信号输入通道连接。 电压互感器(PT)和电流互感器(CT)主要采集变压器套管的电压和电流值，信号调理模块为电流传感器提供恒定电流，使互感器正常工作，同时隔离互感器输出信号中的直流分量；锁相环模块通过PT 二次侧输出获取实时电网频率，实现对电压、电流的整周期采样；同步A/D转换器完成变压器套管绝缘状态在线监测系统(IED)中各通道电压和电流信号的同步数字转换；主控模块完成整个系统的数据采集、存储、分析，并将分析结果以IEC61850标准格式送出；光纤/以太网接口为标准通讯接口，完成振动监测IED与其他系统的通讯连接。由于套管的在线监测是从接地小套管中提取测量信号，因此电流值一般是在IA以下，本实施例中电流互感器选用北京海通公司的BCT-2。CT信号调理模块接入CT套管末屏接地电流，CT信号调理模块的信号转接头与CT互感器的信号接头相连。该互感器的铁芯工作在理想的零磁通状态，能够准确检测100 μ A—700mA的工频电流。互感器工作电压为±12V，输出为相位变换误差不大于O. 01°，具有极好温度特性和电磁场干扰能力，满足为套管中电流值得测量要求。CT信号调理模块主要由线性光耦组成的隔离电路及容阻滤波两部分组成，其详细电路如图2所示。D204为瞬态抑制二极管TSMB6.8CA，起到瞬变和浪涌保护的作用。D205为电压抑制二极管GBLC03，将输入电压限制在3V内。U204为低噪声精密运算放大器0P27，作用是完成信号的隔离传输。R210、R211、R212构成同相放大器，放大倍数为2倍，U201的输出CT_AnaInPutl跟随输入电压CT_Inputl的变化。通过PT互感器的二次端获得电压信号，然后通过PT信号隔离滤波模块作为基准电压信号。PT信号调理模块接入变压器的ABC三相PT电压，PT信号调理单元的信号转接头与PT传感器的信号接头相连。PT信号隔离滤波模块主要由电压互感器组成的隔离电路及容阻滤波两部分组成，其详细电路如图3所示。图3中的U202为精密交流电压互感器TV1013,其输入和输出电流额定值为2mA,起到信号的隔离传输作用。由于输入电压值约为220V，所以设计R204为自恢复保险丝，D202为250V的气体放电管，两者都起到起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。R203为采样电阻，取值为100K欧姆时，可将输入值为220V的电压信号PT_InputO+转换成2. 2mA的电流信号，通过互感器传到后级。R208为互感器TV1013的二次侧采样电阻，取值为249欧姆，使得互感器二次侧输出电压额定值为U=2mAX249 ^ O. 5V。D203为瞬态抑制二极管TSMB6. 8CA，为后级的运放起到过电压保护作用
由于输出电压将作为锁相环的基准电压，因此对电压的精度要求较高，选用了图中的U203作为为高精度仪表放大器AD8221，并在输入端采用差分对连接方式，以提高电压信号传输的精度，减少相位偏移。R209为可调增益电阻，当其取值为49. 9欧姆时，增益为49. 9k/49. 9k+l=2,即最后的输出电压PT_InputO的额定幅值为IV。R206、R207和C200、C201构成低通滤波器，选择合适的阻值可以滤除有用频带以外的信号。锁相环模块分为正弦波方波转换电路和方波倍频电路两部分。锁相环模块的作用是通过PT 二次侧输出获取 实时电网频率，然后通过锁相环及倍频处理后作为AD同步转换器的时钟，从而实现对电压、电流的整周期采样。PT信号调理模块输出的一路电压信号作为锁相环模块的输入，经过锁相环及倍频处理后输出频率为电网频率整数倍的方波信号。图4是本发明的锁相环模块中正弦波方波转换电路图，图5是本发明的锁相环模块中方波倍频电路图。如图所示，所述的正弦波方波转换电路包括第一运算放大器51、第二运算放大器52和比较器53，所述的第一运算放大器51的输出端经第一电阻R226、第二电阻R227接第二运算放大器52的正向输入端，所述的第一运算放大器51的负向输入端接第一运算放大器51的输出端，所述的第一电阻R226和第二电阻R227之间的节点经第一电容C207接所述的第二运算放大器52的负向输入端和输出端，所述的第二电阻R227和第二运算放大器52的节点经第二电容C204接地，所述的第二运算放大器52的输出端接所述的比较器53的负向输入端，该比较器53的正向输入端经第三电阻R233接地，该比较器53的正向输入端经第四电阻R234接该比较器53的输出端，该比较器53的输出端经第五电阻R232接+3V3D，该接该比较器53的输出端接所述的方波倍频电路的锁相环芯片U502的AIN接口。图4中U200A和U200B为第一运算放大器51和第二运算放大器52的两个通道，U200A起到隔离放大器的作用，第一电阻R226、第二电阻R227、第一电容C207、第二电容C204和U200B构成了二阶低通滤波器，本实施例中R226=15K、R227=15K、C207=0. luF、C204=0. 22uF，其截止频率为70Hz，符合低通滤波的要求。比较器53、第三电阻R233和第四电阻R234形成了双极性过零比较器，将正弦波整形成方波信号PwrFrqln，以作为后级倍频电路的输入信号。第五电阻R232为输出端的上拉电阻，取值为200欧姆，比较器53输出电平PwrFrqIn为0-3. 3V，与后级的⑶4046的输入电平匹配。图5中U502是锁相环集成电路芯片⑶4046，其工作原理是通过内含的压控振荡器和相位比较器完成两信号相位同步的自动控制闭环系统，实现输出电压和输入电压同相位，实现相位跟踪功能。U502的14脚为输入电压PwrFrqIn，4脚为输出电压AD_Clk，作为AD转换器的时钟。由于CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，所以R502、R504、C503作为外接充放电元件，R502和C503的阻值决定了芯片的振荡频率范围，当R502=30k，C503=40p时，振荡最高频率为1/RC=8. 3MHz。R504、R505、C505作为外接低通滤波器，调整其阻值大小可以实现输出方波的稳定。U501是分频器74HC4040，通过跳线帽接不同的引脚可以实现不同的采样频率，以满足不同的采样要求。由于输入信号为50Hz，所以当接4、13、12、14脚时实现的AD时钟频率分别为25KHz、50KHz、IOOKHz、200KHz。图6是本发明的多通道同步AD转换器电路图，图中3、4、5号引脚为过采样选择端，分别与主控模块中LPC2292对应的过米样选择输出引脚相连,进行过米样选择；6号引脚为AD7606-6接口方式选择，接低电平时选择并行输出方式，接高电平选择串行输出方式，本设计中接低电平选择并行方式；7号引脚为挂起引脚，由主控模块控制AD7606-6是否挂起，低电平有效；8号引脚为RANGE选择输入端，接IOOK电阻R500接地，同时与主控模块LPC2292的AD_RangeSel引脚相连，当RANGE输入端为低电平时，采样范围为±5V，当RANGE输入端为高电平时，米样范围为±10V ;23号引脚为Vdkie引脚,米用3. 3V ;9、10号引脚为前三路、后三路采样频率输入引脚；11号脚为RST引脚，当AD7606-6正常工作前，需要对其进行复位操作，由主控模块进行控制；12、13脚分别为读取控制数据时AD7606-6的读信号输入引脚以及片选信号输入引脚；14号脚为中断输出引脚,每次米样完成，AD7606-6将输出中断信号通知LPC2292采样结束；15号脚为FirstData标志引脚，用于串行输出方式中起标记作用；44、45脚分别为前三路、后三路参考电容引脚，接IOuF电容C504后接46号脚AGND，保证采样过程中参考电压波形稳定。主控模块7主要由主控CPU LPC2292、存储器IS61WV10 2416BLL及61850规约转换模块组成。图7中，40、1 40、1 41、1 41、1 45和C40，共同组成U40的程序下载接口及系统上电复位电路。42和49脚为串口通信端口，主要与61850规约转换模块通信。33脚和99脚为触发信号输入端口，当有触发信号时，由LPC2292启动数据采样程序，59、61、68和12脚构成SPI通信端口，主控CPU主要通过SPI端口向DA转换器输出设定阀值。100脚为AD转换完毕信号，当其为低电平时，表明AD转换结束，主控CPU可按照规定时序读取AD转换值。C43、C44、JT40和R45构成主控CPU的振荡时钟，为系统提供稳定时钟。Exi_DATA0_15系统数据线，AD_RangeSel、AD_RST、AD_nSTBY、AD_0verSmpl0-2 及 AD_FstData 在 AD 转换器部分已经介绍。xi_ADD0-23为系统地址线。Exi_nRD、Exi_nWR分别为读写控制信号。CS_SRAM和AD_CS分别为存储器和AD转换器的选通线。61850规约转换模块用0K6410嵌入式开发板，主要完成61850标准信号的产生，并通过网络接口将采集信息发送出去。本发明变压器套管绝缘状态在线监测系统的具体工作过程如下
变压器套管绝缘IED可自动定期定时自动测量，也可以随时手动启动测量，启动后测量三路PT互感器的电压信号和三路CT传互感器的电流信号后，主控模块输出控制信号给AD同步转换器，AD同步转换器同时选通6个信号采集通道。PT互感器的电压信号经过PT信号调理模块后输送至锁相环模块，锁相环模块对接收到的信号进行滤波后产生一个与电网电压同频率的方波信号，该方波信号被输送至方波倍频电路，根据主控模块的控制信号产生AD同步采样的时钟信号，输送至AD同步转换器的时钟输入端口。PT互感器和CT互感器的信号经过信号调理电路后输送至AD同步转换器的6个信号采集通道，AD同步转换器启动采集时采集到的数字信号先存入SRAM中，在采集结束后由主控模块对数据进行读取。主控模块对采集到的电压和电流数据采用数字滤波、基波提取、相位鉴别等综合处理方法进行处理，计算被测变压器ABC三相每一相的介质损耗tan%、全电流值A、阻性电流值A、荣性电流值A、电容量pF等数据。保存所得数据，同时通过61850规约以WEB形式定期上传数据，实现套管监测IED向主站系统的远程数据传输，可远程进行检查数据的查看和分析。
权利要求
1.一种变压器套管绝缘状态在线监测系统，特征在于其构成包括PT信号调理模块(2)接入变压器的ABC三相PT电压，该PT信号调理模块(2)的转接头与PT互感器(I)的信号接头相连； CT信号调理模块(4)接入CT套管末屏接地电流，该CT信号调理模块(4)的信号转接头与CT互感器(3)的信号接头相连； 所述的PT信号调理模块(2)三路信号输出通道与CT信号调理模块(4)三路信号输出通道分别与AD同步转换器(6)的六路信号输入通道连接；所述的PT信号调理模块(2)的信号输出通道与锁相环模块(5)的第一信号输入通道连接，该锁相环模块(5)的信号输出通道与所述的AD同步转换器(6)的时钟输入通道相连同步转换器(6)的数据总线与主控模块的数据总线、SRAM的数据总线分别相连，所述的主控模块(7)的通道控制接口与SRAM (9)的通道控制接口连接，所述的主控模块(7)的以太网接口和光纤接口与外部工业计算机(8)连接，所述的主控模块(7)的信号输出通道与所述的锁相环模块(5)的第二信号输入通道连接。
2.根据权利要求I所述的变压器套管绝缘状态在线监测系统，其特征在于，所述的锁相环模块(5 )包括正弦波方波转换电路和方波倍频电路两部构成， 所述的正弦波方波转换电路包括第一运算放大器(51)、第二运算放大器(52)和比较器(53)，所述的第一运算放大器(51)的输出端经第一电阻(R226)、第二电阻(R227)接第二运算放大器(52)的正向输入端，所述的第一运算放大器(51)的负向输入端接第一运算放大器(51)的输出端，所述的第一电阻(R226)和第二电阻(R227)之间的节点经第一电容(C207)接所述的第二运算放大器(52)的负向输入端和输出端，所述的第二电阻(R227)和第二运算放大器(52)的节点经第二电容(C204)接地，所述的第二运算放大器(52)的输出端接所述的比较器(53)的负向输入端，该比较器(53)的正向输入端经第三电阻(R233)接地，该比较器(53)的正向输入端经第四电阻(R234)接该比较器(53)的输出端，该比较器(53)的输出端经第五电阻接+3V3D，该接该比较器(53)的输出端接所述的方波倍频电路的锁相环芯片(U502)的AIN接口。
全文摘要
一种变压器套管绝缘状态在线监测系统，包括PT信号调理模块与PT互感器相连，CT信号调理模块与CT互感器相连；PT信号调理模块与CT信号调理模块的三路信号输出通道分别与AD同步转换器的六路信号输入通道连接；PT信号调理模块的信号输出通道与锁相环模块的第一信号输入通道连接，锁相环模块的信号输出通道与时钟输入通道相连；AD同步转换器的数据总线与主控模块的数据总线、SRAM的数据总线分别相连，主控模块的通道控制接口与SRAM的通道控制接口连接，主控模块的信号输出通道与锁相环模块的第二信号输入通道连接。本发明实现了对于电压电流的同步采样，使得基波电压的测量精度不受到电网系统频率波动的影响。
文档编号G01R31/14GK102628919SQ201210122070
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘亚东, 岳天琛, 朱柳惠, 杜凤青, 江秀臣, 盛戈皞, 雷兴列 申请人:上海交通大学