鲁达 吴 健1，樊 创1，冯国亮2，朴 亨2
（1.陕西电力科学研究院，陕西 西安710054；2.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林132012）
基于GPS授时技术设计了网络同步采集卡，进行高压交流输电线路电晕信号的测量。采集卡采样频率可达每通道10 MS/s，使用TCP/IP协议进行数据传输；可介入局域网或互联网。利用瞬时功率法对高压输电线路的电晕损耗进行分析计算，使用首端电阻法对薄膜电阻法测量电晕损耗的可行性进行了进一步验证。实验结果表明，系统抗干扰能力强，能获得电晕放电信号的细节信息，实用性较强。
网络同步测量；电晕损耗；高压屏蔽；瞬时功率计算
中图分类号：TM591
文献标识码：A
DOI：10.16157
中文引用格式：吴健，樊创，冯国亮，等. 基于网络同步技术的在线电晕损耗监测系统设计[J].电子技术应用，2017，43(2)：51-53，57.
英文引用格式：Wu Jian，Fan Chuang，Feng Guoliang，et al. Design of online corona loss monitoring system based on network synchronization technology[J].Application of Electronic Technique，2017，43(2)：51-53，57.
0 引言
随着输电电压的不断提高，输电线路表面和周围的空间电场强度也随之变大，当输电线路的表面电场强度超过周围空气的击穿场强时，输电线路就会发生电晕现象[1]。在输送电能的电网设计中，输电线路电晕损耗计算有着重要的作用[2]。电晕损耗测量方法主要有采样电阻法[3]、电晕笼法[4]、电桥法[5]等。
对电晕损耗的研究，虽然已经总结出了一些经验性的计算公式[6]，但这些公式的适用性受到很大限制，尤其是对于我国特有的超高压输电线路的电晕损耗，并不一定适用。使用实验方法测量线路电晕损耗的方法鲜有报道，本文在前期设计的基于金属膜法测量线路电晕损耗基础上[7]，设计了一套高压输电线路电晕损耗的测量系统，对线路电晕损耗进行测量、分析计算。
1 电晕损耗监测原理
输电线路电晕损耗测量原理如图1所示，高压试验装置中的调压模块，最高可以产生190 kV的交流电压。在输电线表面覆盖一层绝缘薄膜，然后在绝缘薄膜上再覆盖一层铜箔胶带，薄膜、铜箔厚度均为0.06 mm。输电线路、绝缘薄膜、铜箔层就构成了一个电容。铜箔层将电晕放电产生的放电小电流与输电线路的大电流分离出来，对电晕放电产生的小电流进行采集、分析计算，从而获得电晕损耗能量。具体方法是铜箔层与输电线之间串联一个线绕无感电阻R1，电晕放电时通过铜箔层向外放电的泄漏电流均从R1流过。输电导线产生电晕损耗的电晕泄漏电流由两部分组成，一部分是稳态的低频电晕电流；另一部分为瞬时电晕放电脉冲电流。通过采集R1两端的波形，可以获得电晕放电波形。同时为了验证该方法的正确性，在空载的输电线路前端串联一个首电阻R0，R0与R1共同连接的输电线段为公共电位，则这两个电阻测得的相关参数应相同或近似。
输电线为钢芯铝绞线，其型号为LGJ-300/40，长度为14 m，本次实验中铜箔层长度为2 m；R0与R1为无感电阻，且阻值均为200 Ω。
根据功率的基本定义，在计算输电线路的电晕损耗时采用瞬时功率计算法。瞬时功率法采取同一时刻的电压和电流值相乘，是比较快捷简便的计算电晕损耗的方法，对稳定的低频电晕电流和电晕放电脉冲产生的电晕损耗都可以进行计算。
电晕损耗功率通过电阻R0的电流与输电线路电压的功率值来计算。整个空载线路的损失可以看作主要由电晕损耗引起，通过计算首端电阻R1的电流与输电线路电压的功率值来表征，则R0与R1上消耗的功率归一化后，应该是一个接近的值。
2 高速采集卡设计
采集系统以XILINX Spartan 6 FPGA芯片为核心，利用AD9226作为12 bit AD采集模块。芯片最高采样率可达65 MS/s；设计输入电压范围为-5 V～+5 V。
根据AD9226芯片手册，将AD9226配置为单端输入，输入范围1.0 V～3.0 V的模式，在此模式下，使用AD9226内部基准源，即VREF基准电压为2 V。VREF是基准电压输出端口，可提供1 V和2 V两种基准电压。本文将SENSE与GND连接，使用2 V基准电压来设计衰减电路。
在衰减电路中，采用了一片145 MHz的AD8065运算放大器，AD8065 FastFET放大器为电压反馈型放大器，提供FET输入。原始电压输入范围为-5 V～+5 V，需要减小到1 V～3 V。本文设计了一个满足上述要求的衰减电路，转换公式为：
当Vin=-5 V时，Vout=1 V；当Vin=+5 V时，Vout=3 V。转换为数字信号以后，将上述转换公式反向运算，并将数字信号进行放大，即可得到输入电压的真实数值。信号经过衰减电路后会存在一定的误差，将其误差视为线性误差，并对信号进行人工校准，减小误差范围。
设计FPGA的最小系统，并将AD9926的12 bit数据位、时钟位和OTR位连接至FPGA的总线上，构成了高速采集卡。高速采集模块以AD9226转换芯片为核心，采用AD8065作为反馈放大器输入端，TL072作为低噪声JFET输入的运算放大器，将输入信号送至AD9226。由于环境干扰等因素影响，采集卡的采样速率并未达到芯片最高采样速率，其稳定采样速率最高可达10 MS/s。
3 在线监测系统设计
电晕采集及监控系统用于高压输电线路，为了保证线路的安全，输电线不能与高压塔架有线连接，人员也无法靠近输电线路进行相关测量，否则有安全隐患，故采用无线方式。测量系统要求对电晕波形进行完整测量，设计的采集模块采样频率最高为10 MS/s，对于兆级采样速率，采用高速3G网络或者WiFi组网方式，使用TCP/IP协议进行高速数据传输。
由于电晕损耗采用瞬时功率法计算功率，故设计的系统需要对输电线路电压和电晕泄漏电流做到无时延同步采集。无线测量系统如图2所示，输电线电压波形的测量和铜箔上波形的测量在不同的空间位置，采用高精度GPS授时模块同步采集时间。无线传输方式下，高速数据采集卡采集的数据通过TCP/IP网络协议传输。采集卡1为两路同步采集卡，测量首端电阻R0与铜箔电阻R1两端电压波形信号。采集卡2测量输电线路的电压，调压装置本身具有测量端输出接口，实际电压与测量端输出电压的比值为1 000：1。数字高压表进一步将电压比值变为125：1，最终输出一个小信号，由采集卡2进行测量。
系统同步采集的过程是上位机客户端给两个采集卡发送同步采集命令，采集卡接收命令后通过GPS授时模块判断采集开始时间，采集成功后返回成功信息标志。若信号采集失败，则采集卡延时一段时间后重新同步采集，直到成功为止。
图3为输电线上采集装置实物图，使用胶囊状外壳，内壁为金属屏蔽涂层，屏蔽涂层与输电线连接。输电线从外壳中间穿过，屏蔽外壳与输电线共电位，形成了一个同电位保护层，虽然输电线上电位很高，但是在屏蔽外壳中，电子设备受到的电磁干扰大大降低。
4 采集及分析软件设计
铜箔电阻、首端电阻和输电线电压通过网络传输至PC后，在PC端通过LabVIEW软件进行数据的记录、分析及显示。
采集卡为两路同步模拟采集卡，量程为±2.5V，每通道最高采样频率10 MS/s，并可以设置多档采样频率，存储深度为8 MB，通过网络接口TCP/IP编程实现连接。采集卡可直接与计算机连接，也可通过交换机、路由器或3G网卡接入局域网或互联网。采集卡命令码为6 B，分别为：功能码、时、分、秒、异或码、结束符。功能码为1 B，4～7 bit固定为1111；3 bit代表采集方式，同步采集时需读取GPS时间；0～2 bit代表采集频率。采集卡接收命令后，采集并回传采集数据，每个数据为16 bit带符号整数。
上位机软件采用LabVIEW平台编程实现，主要包括线路电压、首端电阻及铜箔薄膜电阻电压信号波形的实时显示、波形相位角的测量、信号的傅里叶变换、电晕功率的计算等功能。在主界面输入线路长度、铜箔薄膜长度、自动/手动方式等参数，上位机软件接收采集卡发送的数据，并对数据进行显示及分析。图4为在空载输电线路电压122 kV时，采集的各路波形信号，幅值最高的1号曲线为输电线路电压波形，幅值最小的3号曲线为铜箔薄膜电阻两端的电压波形，2号波形为首端电阻两端电压波形，这些信号均为同步采集获得。
功率信号的计算在LabVIEW平台下采用电能功率计算模块实现，电能功率计算模块的两个输入信号为输电线路信号与首端电阻电流信号，输出功率值。在输电线路122 kV电压下，输电线路消耗的功率为4.48 W/m,铜箔薄膜电晕损耗功率为4.06 W/m。测得的薄膜功率小于输电线路的功率，这是因为受实际线路上两端连接处及导线表面的平整度等因素影响，使得输电线路的平均功率较大。
输电线路与铜箔电阻电压波形的相位角测量实现方法：使用提取单频信号模块计算线路电压与铜箔薄膜电阻两端电压的相位差。
5 测量结果及分析
在空载输电线路下进行了多次实验测量，在不同电压下进行实验测得的数据如表1所示。随着输电线路电压的增加，采样电阻两端电压及电晕功率均随着增加，但是线路电压与采样电阻两端电压的相位角基本保持一致。
测得的电晕消耗功率如图5所示，首端电阻法测得的电晕损耗要略大于铜箔薄膜法测得的电晕损耗功率。实验线路中的两端尖端放电引起的能量消耗，实际包含在首端法消耗的功率，由于尖端放电的功率很难进行量化处理，计算线路长度时，并未减去线路两端尖端放电引起的功率消耗，故首端法测得的电晕功率要高于薄膜法测得的电晕功率，这符合实际情况。
6 结论
电晕损耗的计算一直是电力行业内的一个重点和难点，到目前为止尚未有通用、实用的测量方法对输电线路的电晕损耗进行精确测量。目前已有的文献中对于电晕损耗的计算多以理论分析为主，实验验证较少。本文设计了实用的在线输电线路电晕损耗测量系统，采集频率可达10 MS/s，并利用GPS授时进行同步采集。实验结果表明，交流输电线路电压越高，输电线路的电晕损耗越大。利用该系统测得的波形数据，为进一步研究输电线路电晕特性提供了基础条件。
参考文献
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