GIS智能检测系统理论与实践研究

论文摘要

随着电力系统的发展，对SF6气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulted Switchgear，GIS）可靠性和自动化的要求日益提高，尤其是变电站自动化系统无人值守运行模式的实施，在很大程度上要求GIS在监测、控制和保护等方面完全自动化和智能化。同时随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术及网络通讯技术的发展，一种以数字处理技术为核心的智能GIS（SMART GIS）应运而生。论文在系统分析国外各种GIS智能化方案的基础上，架构了全新的SMART GIS智能检测系统，以电流、电压测量为重点，从传感器设计、电路方案选择、模型参数分析、误差校正方法等方面展开了理论与实践研究。 解决了系统的整体设计和外围问题。首先在确定设计任务的基础上，从检测项目选择、检测手段、指标体系到工作环境，设计SMART GIS检测系统的总体框架。GIS智能检测系统采用模块化结构设计，建立气密度温度检测、开关机械特性检测模块框图，针对倍频、辨向等问题提出解决策略，并且选择各传感器类型。其次针对系统与二次设备数字接口、系统电磁兼容等问题，解决外围问题整体结构设计。通过对IEC61850的分析，讨论标准化接口的结构和模型，归纳标准化接口的设计方法。在电磁兼容方面，对GIS工作环境下的电磁干扰特点和传播途径进行分析，在硬件和软件方面采取抑制电磁干扰的措施。 采用罗氏线圈作为电流传感元件。论文重点分析GIS相邻母线的电磁干扰现象，提出罗氏线圈设计的注意事项，并且利用ANSYS有限元的分析方法对其内电场进行仿真研究，结果验证传感器绝缘结构设计尺寸以及安装位置的合理性，符合工程要求。 研究并设计出一种具有结构新颖简单、适合GIS结构特点的同轴电容作为电压传感器。论文分析了同轴电容电压传感器的基本原理，其中包括等效电路和相量图，以及稳态特性和暂态特性，重点研究一次短路和俘获电荷现象等暂态问题。在理论分析的基础上，讨论影响同轴电容电压传感器测量误差的各种因素，提出了补偿算法和设计原则。研制出样机，并对样机进行试验，结果说明以同轴电容为传感器的电压互感器与传统电压互感器相比，线性度高，测量范围广，经过努力精度可以达到0.2级。 以设计GIS智能检测系统中的信号测量传输系统为目标，完成系统总体硬件电路设计以及相应的软件编程，调试和试验，提出并实现了合并单元与电子式互感器接口的多路信号同步采样分时传输方法。利用DSP高速数据处理与FPGA高速、灵活的逻辑控制能力，解决DSP对数字输出不能同步接收的问题，实现信号的同步采样，且成本降低，结构更加简单。

论文目录

• 独创性说明
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 GIS智能检测
• 1.2.1 GIS信息采集检测系统
• 1.2.2 GIS信息处理和通信系统
• 1.3 国内外智能GIS的发展历史和研究现状
• 1.4 课题来源及本文主要内容
• 2 GIS智能检测系统总体方案研究
• 2.1 概述
• 2.2 GIS智能检测系统的指标体系和总体工作环境
• 2.2.1 系统的指标体系
• 2.2.2 系统的总体工作环境
• 2.3 GIS智能检测系统的构成
• 2.3.1 气密度温度测量
• 2.3.2 开关位置机械特性监测
• 2.4 基于IEC61850数字接口的形式
• 2.5 系统电磁兼容设计
• 2.5.1 GIS电磁环境分析
• 2.5.2 GIS智能检测系统电磁兼容的软硬件措施
• 2.6 本章小结
• 3 智能GIS中电流/电压传感器的设计及理论分析
• 3.1 智能GIS中电流传感器的设计及理论分析
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 罗氏线圈电流传感器的结构和工作原理
• 3.1.3 参数计算与结构设计
• 3.1.4 罗氏线圈电流传感器的电场分析
• 3.1.5 线性度测定与实验
• 3.2 智能GIS中电压传感器工作原理
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 同轴电容电压传感器原理结构
• 3.2.3 稳态响应分析
• 3.2.4 暂态响应分析
• 3.3 电压传感器暂态特性仿真研究及结果分析
• 3.3.1 电网现象
• 3.3.2 一次短路
• 3.3.3 滞留电荷
• 3.4 智能GIS中同轴电容分压器结构设计
• 3.4.1 同轴电容各直径的设计
• 3.4.2 同轴电容长度的设计
• 3.4.3 样机设计
• 3.5 各种误差因素对电压传感器性能的影响及改进方法
• 3.5.1 加工工艺的影响
• 3.5.2 温度变化的影响
• 3.5.3 气密度的影响
• 3.6 电压传感器样机试验及结论
• 3.6.1 线性度
• 3.6.2 温度影响
• 3.6.3 准确度
• 3.7 本章小结
• 4 基于FPGA的智能GIS信号传输与处理系统
• 4.1 智能GIS信号传输与处理系统的总体结构
• 4.2 信号传输与处理系统的集成设计
• 4.2.1 电压和电流信号处理单元基本参数的确定
• 4.2.2 合并单元
• 4.3 基于FPGA的接口同步功能的研究及实现
• 4.3.1 接口同步功能研究的意义
• 4.3.2 接口电路的设计规划
• 4.3.3 基于FPGA接口电路逻辑设计及仿真结果
• 4.4 本章小结
• 5 基于数据融合的误差补偿研究
• 5.1 概述
• 5.2 基于多维回归分析的多传感器数据融合原理
• 5.3 基于数据融合误差补偿的研究与仿真
• 5.3.1 数据融合的结构形式
• 5.3.2 电流信号的误差补偿
• 5.3.3 电压信号的误差补偿
• 5.4 仿真计算及结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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