基于人工智能技术的电压互感器二次绝缘监测系统

於立峰，胡凯波，余 程，马 聪

(1．浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321100； 2．浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

电力系统运行过程离不开电压互感器，电压互感器出现故障时增加了介质损耗，易造成电力系统的二次电压偏差。通过停电预试可发现电压互感器的各种故障，但电压互感器的停电预试周期过长，影响电力系统正常运行，且无法及时检测电压互感器存在的故障[1-2]。

开展电压互感器二次绝缘监测研究，可以及时明确电压互感器设备绝缘状况[3]，依据电压互感器二次绝缘监测结果制定电压互感器的检修策略。电压互感器二次绝缘监测系统长时间运行于电力系统的强电磁干扰环境以及变电站高压母线中，监测系统的抗干扰性能决定了系统运行状况[4]。二次绝缘监测系统受环境干扰影响严重时，容易造成电压互感器二次绝缘监测结果具有较高的波动性，甚至可能影响监测系统中的设备正常运行。

目前，众多研究人员针对电压互感器出现异常情况开展研究。邱太洪[5]等人将能量管理系统中的数据作为电压互感器二次电压监测的基础数据，获取绝缘诊断结果，由于能量管理数据中的数据量过大，为绝缘诊断带来了一定难度；周庆红[6]等人选取220 kV电容式电压互感器作为研究对象，通过试验分析了二次电压单相异常原因，该方法虽然可以明确二次电压单项异常的主要原因，但试验过程复杂，应用性较差。该文研究了基于人工智能技术的电压互感器二次绝缘监测系统，利用人工智能技术实现电压互感器二次绝缘监测。测试结果验证了该系统具有较高的监测电压互感器二次绝缘有效性。

1 电压互感器二次绝缘监测系统

1.1 系统总体结构

电压互感器二次绝缘监测系统结构如图1所示。该系统运行环境较为恶劣，硬件应具有较高的抗干扰性能以及灵敏度。系统采集电压互感器的三相电压及三相电流值，利用前置处理电路将所采集的信号转化为0～3 V的电压信号，利用A/D转换模块的AD7606-4转换芯片将完成转换的电压信号转换为数字信号，并传送至型号为TMS320F2812的DSP芯片。DSP芯片利用LM算法校正电压互感器稳态误差，利用射频通信模块将完成校正的监测结果传送至上位机，通过上位机显示界面并利用监测结果明确电压互感器的二次绝缘运行状态，保障电压互感器稳定运行。

图1 系统总体结构

1.2 硬件设计

1.2.1 DSP芯片

选取工业级的TMS320F2812芯片作为二次绝缘监测系统的DSP控制芯片。DSP芯片内部集成了Flash存储器，具有高达160 MHz的时钟频率。将TMS320F2812芯片应用于二次绝缘监测系统中，利用该芯片具有的数字信号处理水平以及嵌入式控制功能，提升系统对于不同二次绝缘监测事件的监测水平[7]。TMS320F2812芯片集成了A/D转换器及SPI等众多元件，具有较高的集成性能，可降低系统开发难度，以最低的开发成本搭建系统。

1.2.2 前置处理电路

前置处理电路具有电路放大器的功能，系统中输入A/D转换模块的电压信号为0～3 V。将传感器采集的电压互感器信号，通过前置处理电路转换至可输入A/D转换模块的电压值。电压互感器二次绝缘监测系统对器件噪声以及器件精度要求较高，前置处理电路中的放大器需满足低噪声以及精度高的需求[8]。选取TI公司的OPA227放大器芯片作为前置处理电路的放大器芯片，该放大器具有集成度高、噪声低、精度高等优势[9]，可满足电压互感器二次绝缘监测中的有源滤波以及数据提取等性能，对于系统信号预处理具有重要作用。前置处理电路中的放大器电路如图2所示，图中选取20 V的电源为放大器供电，放大器的输出电路为1.5 V，可满足DSP芯片的ADC参考电压输入需求。

图2 放大器电路

1.2.3 射频通信模块

采用射频通信模块为监测系统提供数据传输的通信功能。射频通信模块选取型号为NRF24L01的无线射频芯片，该芯片具有高达2.5 GHz以上的工作频率。设计射频通信模块时，将主电路板与射频收发电路分开设计，使2块电路板均为独立状态[10]，选取2 mm的单排针连接射频电路模块以及主电路板的相关电路。

射频通信模块电路如图3所示。ADL5521为低噪声射频放大器，ADG936为射频开关，ADL5606为射频功率放大器，射频功率放大器的最大输出功率为1 W。射频开关利用引脚INA及引脚INB的电平状态实现功放电路收发状态的有效切换。

图3 射频通信模块电路图

NRF24L01芯片中的晶振是重要部件，利用NRF24L01内的锁相环PLL倍频电路可将晶振输出的频率信号有效合成。晶振在射频电路中受环境影响较大，因此芯片中的晶振具有不同的老化漂移情况[11]。为了避免射频通信电路中的晶振影响电路正常连接，选取具有0.6 mg/m3老化率的温度补偿晶振(TCXO)作为射频通信模块中的晶振。

NRF24L01芯片具有极小的输出功率，为了提升芯片的通信能力，将低噪音放大器和功率放大器置于芯片的发射端中，利用高增益天线将芯片收发信号放大[12]，提升射频通信模块的抗干扰水平和发射功率。

1.2.4 A/D转换芯片

A/D转换芯片位于系统A/D转换模块中。系统的A/D转换芯片选取ADI公司的AD7606-4芯片，该芯片可实现电压互感器4路信号的同步采样，具有高达400 Kbps的四通道同步采样转换速率。AD7606-4芯片中设置抗混叠二阶模拟滤波器，该滤波器截止频率为24 kHz，同时设置了精密基准稳压参考源，16位逐次逼近型高速A/D转换器。选取2.5～5 V的宽电压为AD7606-4转换芯片供电，芯片内设置电压翻转电路[13]，可实现双极性模拟信号输入，具有较高的稳定性以及灵活性，同时抗干扰性能优越，应用于电压互感器二次绝缘监测系统中，具有极高的可靠性。AD7606-4转换芯片电路图如图4所示。图中的CH1～CH4均为模拟数据输入通道，可将原始波形电压输入信号、输入电压有效值信号、相位测量以及频率测量的电压输入信号利用以上通道传送至DSP控制芯片中。

图4 AD7606-4转换芯片电路图

1.3 基于LM的电压互感器稳态误差校正

将LM电压互感器稳态误差校正方法应用于二次绝缘监测中，避免监测过程中受到系统频率变化以及电压互感器二次侧负载影响监测效果。

1.3.1 电压互感器误差校正模型

R1表示中间变压器T一次绕组电阻R1T与补偿电抗器等值电阻RL之和，L1表示中间变压器T一次漏感L1T和补偿电抗器电感L之和；电压互感器二次绝缘监测系统监测过程中，应考虑与电容C损耗相对应的等值电阻RC1与RC2。电压互感器稳态误差校正数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：U与I分别表示电压互感器的电压与电流。

1.3.2 电压互感器二次绝缘监测误差校正方法

LM算法建立拟合函数表达式如下：

(6)

式中：An与a0分别表示次谐波分量的幅值以及直流分量；f0与φn分别表示信号的基波频率以及二次谐波分量的初相角，获取带求向量表达式如下：

x= [a0,A1,A2,…,AK,φ1,φ2,…,φK,f0]T

(7)

通过最小二乘方法拟合(tm,ym)，获取拟合函数残差以及采样信号平方和最小的目标函数为：

(8)

设基波频率f0为变量，ri(x)是与x相关的非线性方程。将谐波分析结果设置为LM算法的输入，实现最小二乘拟合方法的快速收敛。目标函数以及迭代次数满足所设定阈值时完成迭代[15]，此时所获取的各项参数即为所求参数，将以上参数代入数学模型中，获取电压互感器的一次电压，利用精准的一次电压保障电压互感器二次绝缘监测的精度。

2 系统测试

为了验证所设计二次绝缘监测系统监测电容互感器的二次绝缘性能，将系统应用于某地区电力企业电力系统中，该电力系统包含257台电容互感器。选取某220 kV输电线路作为监测对象，监测对象中的电容互感器的绝缘电阻均为10 000 MΩ，低压端对地为10 000 MΩ。

统计采用该系统监测电力系统电压互感器二次绝缘性能，不同频率情况下的监测结果如图5所示。由图5可以看出，采用该系统监测电容互感器的运行频率，二次绝缘监测过程中监测的频率与真实频率相差极小，验证了系统具有较高的监测性能。该系统可以获取极高的电容互感器频率监测精度，可以有效克服频谱泄漏情况，提升频率监测性能。

图5 电容互感器频率监测结果

采用监测电力系统中的3号、7号和12号电容互感器，统计3个电容互感器的电容量，统计结果如图6所示。从图6可以看出，3个电容互感器的电容量大部分接近于1 μF左右。12号电容互感器的第5层电容单元和7号电容互感器的第7层电容单元的电容量分别为0.85 μF和0.67 μF，与0极为接近，说明此时2个电容互感器的电容单元存在异常情况。电容互感器选取膜纸绝缘结构作为内部薄膜电容器电容，当电容存在击穿等异常时，将出现电容量接近0的情况。定位12号和7号电容互感器，拆开电容互感器检查时，发现电容互感器出现击穿痕迹，验证了系统二次绝缘监测结果的有效性。

图6 电容量二次绝缘监测结果

采用该文系统实现电容互感器二次绝缘监测，当频率为50 Hz、初相角为1.0°时，校正前后不同负载的幅值变化结果如图7所示，不同负载的相位角变化情况如图8所示。

图7 校正前后幅值变化

图8 校正前后相位角度变化

由图7、图8实验结果可以看出，采用该文系统可以实现对二次绝缘监测的幅值及相位角度变化的有效校正。系统校正后的幅值及相位角度可稳定在理想范围内，验证了该校正算法校正监测结果的有效性。

进一步采用该文系统校正二次绝缘监测结果的比差变化以及角差变化，统计结果如图9、图10所示。由图9、图10可以看出，未采用该文系统校正前，系统监测电压互感器二次绝缘结果伴随负载的变化波动性较大，分散性较为明显；采用该文系统校正后，比差以及角差明显有所降低。

图9 比差校正结果

图10 角差校正结果

对比采用该文系统以及未采用该文系统时电力系统电容互感器设备运行状况，统计结果如表1所示。采用该文系统监测电力系统电压互感器的二次绝缘后，设备完备率有了明显提升，运行故障数量下降至0，事故率由原有的0.24%下降至0%。表1实验结果有效验证了该文系统具有较高的监测有效性，提升了电力系统的运行稳定性。

表1 电容互感器设备运行状况

3 结论

电压互感器是获取电压信号的重要设备，电力系统二次侧负载的大小以及运行频率对电压互感器输出结果影响较大，校正电压互感器输出误差对于提升二次绝缘监测精度具有重要作用。通过系统测试验证了所设计系统可以有效抵抗谐波因素以及系统频率波动对监测结果的影响，具有较高的监测稳定性，有效避免电压互感器二次绝缘监测结果受二次负载大小以及系统频率影响，提升系统在线二次绝缘监测的精度。