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摘要：基于传统介质损耗tanδ测量法在抗干扰能力上存在的不足，将注入信号法应用于介质损耗测量中。详细介绍了注入信号法的基本原理以及对工频干扰的有效抑制方法，同时通过系统硬件误差自校正的分析，消除了测量装置本身带来的传输通道延时误差。仿真结果表明该方法能够有效削弱电网工频的干扰，并能消除测量装置的固有测量误差，使介质损耗因数测量的精确度和抗干扰能力显著提高。
关键词：介质损耗因数；注入信号；误差自校正；绝缘在线监测
作者简介：董锐（1970-），男，河南郑州人，郑州供电公司配电服务中心，高级工程师；郭立（1984-），男，河南郑州人，郑州供电公司配电服务中心，助理工程师。（河南 郑州 450000）
中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）18-0115-02
近年来，超高压电网甚至特高压电网相继投入使用，对高压电力设备的安全可靠性提出了更高的要求。经研究表明，高压电力设备绝缘性能的降低甚至失效是导致其故障的最主要原因。[1-4]对于高压设备的绝缘状态，介质损耗（tanδ）是主要参数，[5-7]它能宏观地评价绝缘基本状态。因此在绝缘在线监测中，tanδ的实时、准确测量具有重要意义。
目前，tanδ在线监测技术在处理和分析所测信号时，有两种实现手段：一种靠硬件实现，如过零比较法、[8]过零点电压比较法[9]和双极性过零比较法，[10]另一种靠软件实现，如Fourier分析法[11]和谐波分析法。[12]而以上方法在抗干扰能力上均存在一定的不足。比如过零比较法易受硬件和外界工频强电场的同频干扰，双极性过零比较法虽然消除了硬件的零点漂移误差，但对通道传输延时不一致和强工频干扰则无法处理。
本文基于注入信号技术，通过产生异于工頻50Hz的注入信号，利用现场可编程门阵列（FPGA）进行数据检测，采用100MHz的高精度晶振对相位差计数，通过同时检测正向过零和负向过零的相位差及动态平均法达到减小零点漂移的目的，最终实现了高精度的tanδ在线测量方法。
一、注入信号法测量原理
注入信号法的测量原理如图1所示，将控制系统产生的可变频信号通过电源回路输入至试验电源中，对由此生成的高压电源进行介质损耗测量，并将测量后的数据发送到选择开关处，与原可变频信号进行对比，供测量控制系统进行误差校正，使其达到最大精度。
1.注入信号的产生
在介质测量系统中，注入信号是由MCS96系列的P8090单片机和FPGA共同产生的。
注入信号频率按高精度晶振转换为对应的方波信号，并经数据总线传送之FPGA。FPGA再将此方波信号经过信号调整回路后，分为两路。其中一路进行介质损耗测量，另一路信号为测量系统提供误差自校正信号。
消除工频同频干扰是注入信号法成功应用的关键。在此，将注入信号通过中压互感器加入到220V工频中压中，并升压至2kV~10kV，从而生成带有注入信号的高压试验电源。
2.消除同频干扰
在介质损耗测量时，由于高压试验电源与产生干扰的信号（电网）属于同一个供电网路，即二者的频率相同。因此，在介质损耗过程中，高压试验电源会受到较为严重的同频信号干扰，使测量结果产生一定的误差。
为了遏制工频干扰严重影响到测量现场，一方面可以采取有效的滤波，另一方面可以采用注入信号的方式，也能取得良好的效果。在测量装置中产生的可变频信号中选择频率为50Hz左右的信号作为注入信号，并通过电压互感器耦合到试验电源中，运用滤波技术滤除50Hz左右之外的其他频率，通过相位差检测，用双极性过零比较法求出各频率下的介质损耗值。由于注入信号和工频信号的频率不同，所以可达到抑制电网工频同频干扰的目的。
3.误差自校正系统
造成测量装置的硬件误差原因主要有：两路传输通道存在的传输延时性差异和过零点比较器产生的零点漂移。为了消除硬件装置的误差，提高装置的测量准确性，武汉大学的严玉婷等人提出了过零点中压比较法和双极性过零比较法等。但是这些方法主要是降低零点漂移误差，而传输通道的延时误差并没有有效解决。
本文采用注入信号法来解决传输通道存在的延时误差问题，对系统进行校正，当改变注入信号频率或每隔一定时间系统开始误差自校正时，用FPGA产生的信号来代替原有的测量信号进行介损测量，然后用FPGA计算出注入信号经过不同通道后产生的相位差，设该相位差为ns，将ns存储到CPU中后，恢复原测量信号进行介损测量，从而得到优化后的tanδ。
介质损耗因数的计算公式为：
（1）
式（1）中，n为相位差计数值，Ts为晶振计数周期，T为注入信号周期。
将优化后的tanδ计算公式与传统过零比较法的tanδ计算公式相比较可以看出，由于ns的引入，优化后的ns计算公式避免了电网频率的影响，其精度更高，抗干扰能力更强。由此可见，将注入信号法和过零点比较法相结合的新方法，不仅可以有效校正硬件装置固有的误差，而且避免了电网频率波动带来的测量误差，使得介损测量因数tanδ的准确性大为提高。
二、注入信号法的硬件实现
采用注入信号法的硬件装置主要包括：单片机控制系统、FPGA系统、信号注入系统、光电隔离、选择开关等几部分。硬件装置原理图如图2所示。
硬件装置中，由于FPGA系统的使用，有效解决了测量值过小不易测量的难题，使得注入信号法的使用成为可能。同时，利用100MHz高精度晶振测量相位差，充分确保了信号读数的精度，另外同时检测正、负向过零相位差和动态平均法的使用，降低了零点漂移不稳定带来的影响，提高了装置的抗干扰能力，保障了仪器在线测量的准确性和及时性。
三、仿真研究
在仿真中使用的晶振频率为50MHz，时钟周期为20μs，测量信号的频率周期为20μs，电流信号超前电压信号1.5μs。仿真结果如图3所示，U、I分别为输入电压信号和输入电流信号，XWCCOM为相位差计数值存储器，FOUT为输出注入信号，FIN为输入注入信号，FCCOM为系统频率周期计数值存储器。
由图可以看出，零时间差为1.5μs时，计数值为4BH，过零时间差为1.72μs时，计数值为56H。如表1所示。
同样，当系统频率周期从20.2μs变化为20μs时，计数值从3F2H变化为3E8H。如表2所示。
可见，FPGA可有效检测出过零点时间差和系统频率的微小变化。此外，由仿真结果还可以看出，即使信号与晶振时钟信号不同步时，不同步产生的误差远小于一个计时周期，完全可以忽略不计，对测量结果的准确性不会产生影响。
四、结束语
本文通过采用注入信号法，利用其变频技术有效抑制了电网工频干扰和系统高次谐波的干扰，并利用注入信号取代测量信号进行系统自校正，使测量值更接近于真实值。通过与双极性过零比较法的综合使用，可以消除测量系统的固有硬件误差和电网频率波动引起的测量误差。仿真结果证明了该方法的有效性和实用性。
参考文献：
[1]龙锋,等.基于DSP的容性设备介质损耗因数在线监测方法[J].电力系统自动化,2004,28(19):71-74.
[2]邱昌容,曹晓珑.电气绝缘测试技术[M].北京:机械工业出版社,2002:27-69.
[3]Li Q,Zhao T,Siew W H.Definition and digital algorithms of dielectric loss factor for condition monitoring of high—voltage power equipment with harmonics emphasis[J].IEE Proceedings on Generation,Transmission and Distribution,2005,152(3):309-312.
[4]李国庆,庄重,王振浩.电容型电气设备介质损耗角的在线监测[J].电网技术,2007,31(7):55-58.
[5]贾嵘,等.基于卡尔曼滤波和加窗插值谐波分析法的介损测量方法[J].电网技术,2007,31(19):52-56.
[6]严学文.基于改进谐波分析法的介损数字测量[J].电网技术,2009,33(19):195-198.
[7]Wang Pei,Raghuveer M R.,McDermid W et al.A Digital Technique for the On-line Measurement of Dissipation Factor and Capacitance[J].IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation,2001,8(2):228-231.
[8]段大鹏,等.基于正交分解的介质损耗因数数字测量算法[J].中国电机工程学报,2008,28(7):127-133.
[9]蔡国雄,等.测量介质损耗的数字化过零点电压比较法[J].电网技术,2002,26(7):15-18.
[10]严玉婷,等.双极性过零比较法在线监测绝缘介质损耗角[J].高电压技术,2004,30(2):34-36.
[11]张明君,弭洪涛.电力系统微机保护[M].北京:冶金工业出版社,2002:24-45.
[12]剡公孝.电力谐波分析设备中数据采集系统的设计与实现[D].西安:西北大学,2009.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：介质损耗因数；注入信号；误差自校正；绝缘在线监测
作者简介：董锐（1970-），男，河南郑州人，郑州供电公司配电服务中心，高级工程师；郭立（1984-），男，河南郑州人，郑州供电公司配电服务中心，助理工程师。（河南 郑州 450000）
中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）18-0115-02
近年来，超高压电网甚至特高压电网相继投入使用，对高压电力设备的安全可靠性提出了更高的要求。经研究表明，高压电力设备绝缘性能的降低甚至失效是导致其故障的最主要原因。[1-4]对于高压设备的绝缘状态，介质损耗（tanδ）是主要参数，[5-7]它能宏观地评价绝缘基本状态。因此在绝缘在线监测中，tanδ的实时、准确测量具有重要意义。
目前，tanδ在线监测技术在处理和分析所测信号时，有两种实现手段：一种靠硬件实现，如过零比较法、[8]过零点电压比较法[9]和双极性过零比较法，[10]另一种靠软件实现，如Fourier分析法[11]和谐波分析法。[12]而以上方法在抗干扰能力上均存在一定的不足。比如过零比较法易受硬件和外界工频强电场的同频干扰，双极性过零比较法虽然消除了硬件的零点漂移误差，但对通道传输延时不一致和强工频干扰则无法处理。
本文基于注入信号技术，通过产生异于工頻50Hz的注入信号，利用现场可编程门阵列（FPGA）进行数据检测，采用100MHz的高精度晶振对相位差计数，通过同时检测正向过零和负向过零的相位差及动态平均法达到减小零点漂移的目的，最终实现了高精度的tanδ在线测量方法。
一、注入信号法测量原理
注入信号法的测量原理如图1所示，将控制系统产生的可变频信号通过电源回路输入至试验电源中，对由此生成的高压电源进行介质损耗测量，并将测量后的数据发送到选择开关处，与原可变频信号进行对比，供测量控制系统进行误差校正，使其达到最大精度。
1.注入信号的产生
在介质测量系统中，注入信号是由MCS96系列的P8090单片机和FPGA共同产生的。
注入信号频率按高精度晶振转换为对应的方波信号，并经数据总线传送之FPGA。FPGA再将此方波信号经过信号调整回路后，分为两路。其中一路进行介质损耗测量，另一路信号为测量系统提供误差自校正信号。
消除工频同频干扰是注入信号法成功应用的关键。在此，将注入信号通过中压互感器加入到220V工频中压中，并升压至2kV~10kV，从而生成带有注入信号的高压试验电源。
2.消除同频干扰
在介质损耗测量时，由于高压试验电源与产生干扰的信号（电网）属于同一个供电网路，即二者的频率相同。因此，在介质损耗过程中，高压试验电源会受到较为严重的同频信号干扰，使测量结果产生一定的误差。
为了遏制工频干扰严重影响到测量现场，一方面可以采取有效的滤波，另一方面可以采用注入信号的方式，也能取得良好的效果。在测量装置中产生的可变频信号中选择频率为50Hz左右的信号作为注入信号，并通过电压互感器耦合到试验电源中，运用滤波技术滤除50Hz左右之外的其他频率，通过相位差检测，用双极性过零比较法求出各频率下的介质损耗值。由于注入信号和工频信号的频率不同，所以可达到抑制电网工频同频干扰的目的。
3.误差自校正系统
造成测量装置的硬件误差原因主要有：两路传输通道存在的传输延时性差异和过零点比较器产生的零点漂移。为了消除硬件装置的误差，提高装置的测量准确性，武汉大学的严玉婷等人提出了过零点中压比较法和双极性过零比较法等。但是这些方法主要是降低零点漂移误差，而传输通道的延时误差并没有有效解决。
本文采用注入信号法来解决传输通道存在的延时误差问题，对系统进行校正，当改变注入信号频率或每隔一定时间系统开始误差自校正时，用FPGA产生的信号来代替原有的测量信号进行介损测量，然后用FPGA计算出注入信号经过不同通道后产生的相位差，设该相位差为ns，将ns存储到CPU中后，恢复原测量信号进行介损测量，从而得到优化后的tanδ。
介质损耗因数的计算公式为：
（1）
式（1）中，n为相位差计数值，Ts为晶振计数周期，T为注入信号周期。
将优化后的tanδ计算公式与传统过零比较法的tanδ计算公式相比较可以看出，由于ns的引入，优化后的ns计算公式避免了电网频率的影响，其精度更高，抗干扰能力更强。由此可见，将注入信号法和过零点比较法相结合的新方法，不仅可以有效校正硬件装置固有的误差，而且避免了电网频率波动带来的测量误差，使得介损测量因数tanδ的准确性大为提高。
二、注入信号法的硬件实现
采用注入信号法的硬件装置主要包括：单片机控制系统、FPGA系统、信号注入系统、光电隔离、选择开关等几部分。硬件装置原理图如图2所示。
硬件装置中，由于FPGA系统的使用，有效解决了测量值过小不易测量的难题，使得注入信号法的使用成为可能。同时，利用100MHz高精度晶振测量相位差，充分确保了信号读数的精度，另外同时检测正、负向过零相位差和动态平均法的使用，降低了零点漂移不稳定带来的影响，提高了装置的抗干扰能力，保障了仪器在线测量的准确性和及时性。
三、仿真研究
在仿真中使用的晶振频率为50MHz，时钟周期为20μs，测量信号的频率周期为20μs，电流信号超前电压信号1.5μs。仿真结果如图3所示，U、I分别为输入电压信号和输入电流信号，XWCCOM为相位差计数值存储器，FOUT为输出注入信号，FIN为输入注入信号，FCCOM为系统频率周期计数值存储器。
由图可以看出，零时间差为1.5μs时，计数值为4BH，过零时间差为1.72μs时，计数值为56H。如表1所示。
同样，当系统频率周期从20.2μs变化为20μs时，计数值从3F2H变化为3E8H。如表2所示。
可见，FPGA可有效检测出过零点时间差和系统频率的微小变化。此外，由仿真结果还可以看出，即使信号与晶振时钟信号不同步时，不同步产生的误差远小于一个计时周期，完全可以忽略不计，对测量结果的准确性不会产生影响。
四、结束语
本文通过采用注入信号法，利用其变频技术有效抑制了电网工频干扰和系统高次谐波的干扰，并利用注入信号取代测量信号进行系统自校正，使测量值更接近于真实值。通过与双极性过零比较法的综合使用，可以消除测量系统的固有硬件误差和电网频率波动引起的测量误差。仿真结果证明了该方法的有效性和实用性。
参考文献：
[1]龙锋,等.基于DSP的容性设备介质损耗因数在线监测方法[J].电力系统自动化,2004,28(19):71-74.
[2]邱昌容,曹晓珑.电气绝缘测试技术[M].北京:机械工业出版社,2002:27-69.
[3]Li Q,Zhao T,Siew W H.Definition and digital algorithms of dielectric loss factor for condition monitoring of high—voltage power equipment with harmonics emphasis[J].IEE Proceedings on Generation,Transmission and Distribution,2005,152(3):309-312.
[4]李国庆,庄重,王振浩.电容型电气设备介质损耗角的在线监测[J].电网技术,2007,31(7):55-58.
[5]贾嵘,等.基于卡尔曼滤波和加窗插值谐波分析法的介损测量方法[J].电网技术,2007,31(19):52-56.
[6]严学文.基于改进谐波分析法的介损数字测量[J].电网技术,2009,33(19):195-198.
[7]Wang Pei,Raghuveer M R.,McDermid W et al.A Digital Technique for the On-line Measurement of Dissipation Factor and Capacitance[J].IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation,2001,8(2):228-231.
[8]段大鹏,等.基于正交分解的介质损耗因数数字测量算法[J].中国电机工程学报,2008,28(7):127-133.
[9]蔡国雄,等.测量介质损耗的数字化过零点电压比较法[J].电网技术,2002,26(7):15-18.
[10]严玉婷,等.双极性过零比较法在线监测绝缘介质损耗角[J].高电压技术,2004,30(2):34-36.
[11]张明君,弭洪涛.电力系统微机保护[M].北京:冶金工业出版社,2002:24-45.
[12]剡公孝.电力谐波分析设备中数据采集系统的设计与实现[D].西安:西北大学,2009.
（责任编辑：麻剑飞）
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