基于頻譜分析方法的高壓開關(guān)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉展威,崔維新

(1.石家莊鐵道大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,石家莊 050043;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,對電力的依賴越來越嚴(yán)重,因此對于電力的調(diào)度和合理使用的要求越來越高。高壓開關(guān)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行重要的開關(guān)設(shè)備,高壓開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測以及隔離開關(guān)位置的在線監(jiān)測越來越受到人們的重視。

目前,高壓開關(guān)位置狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的方法主要以單片機(jī)(或DSP)[1,2]作為前置采集終端,將采集到的開關(guān)狀態(tài)信息通過GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))無線通信方式或其它通信方式傳送到控制處理中心。這種類型的高壓開關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思想上有以下弊端:

1)前置采集終端數(shù)量多而且分散,不利于系統(tǒng)供電,供電成本很高。

2)前置采集終端多采用單片機(jī)控制,電路相對復(fù)雜,電路成本高,同時(shí)由于現(xiàn)場干擾嚴(yán)重,增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

3)判斷故障周期較長,實(shí)時(shí)性差,無論采用問答式,還是采用循環(huán)式,系統(tǒng)對故障的判斷都不能并行處理,大大增加了故障判定時(shí)間。

4)選擇的通信方式成本過高,現(xiàn)有的高壓開關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)采用GPRS無線通信方式,需要在前置采集終端配置一個(gè)GPRS通信模塊,無疑會(huì)大大增加系統(tǒng)的成本。

基于頻譜分析方法的高壓開關(guān)在線監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng))是一種集電路簡單、成本低廉以及可靠性高于一體的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是:

1)最大程度地簡化前置采集終端電路,以簡單的數(shù)字邏輯電路代替復(fù)雜的單片機(jī)電路,從而提高系統(tǒng)的可靠性,并降低系統(tǒng)的成本。

2)提高電纜的利用率,所有的測試信號集中在一根多芯電纜上同時(shí)傳輸,同時(shí)本電纜還為前置采集終端供電,大大降低供電成本。

3)采用快速傅立葉變換(FFT)集中頻譜分析,快速并行識(shí)別各個(gè)代表不同高壓開關(guān)的頻率信號,大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4)采用高性能ARM系列微處理器(32位)作為前端信息處理控制器,在不增加系統(tǒng)成本的前提下,大大提高系統(tǒng)處理能力和處理速度,同時(shí)降低系統(tǒng)成本。這些設(shè)計(jì)思想上從根本上突破了以往設(shè)計(jì)思路,為電力系統(tǒng)高壓開關(guān)的高效、安全運(yùn)行提供了有力保障。

1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:前置采集終端;控制與供電電纜;前端信息處理與控制器;信息處理中心。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1)前置采集終端的主要功能:從高壓開關(guān)輔助接點(diǎn)采集開關(guān)位置信息;產(chǎn)生特定頻率信號,該信號與高壓開關(guān)位置信息對應(yīng),在同一個(gè)變電站內(nèi),一個(gè)頻率信號只能表示一個(gè)高壓開關(guān)輔助接點(diǎn)(一個(gè)高壓開關(guān)可以有多個(gè)輔助接點(diǎn),只需要選擇一個(gè)輔助接點(diǎn),常開的或常閉的均可)。

2)控制與供電電纜的主要功能:為前置采集終端提供電源;控制各個(gè)特定頻率信號的產(chǎn)生與停止;耦合各個(gè)前置采集終端發(fā)射的測量信號。

總之，對于播音主持工作者來說，語言可以讓他們在節(jié)目中較好地傳遞信息、表達(dá)觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)目與受眾的良性交流。對此，播音主持人只有不斷完善自己的語言水平，才能真正提升節(jié)目品質(zhì)，展現(xiàn)節(jié)目的真正魅力。

3)前端信息處理與控制器的主要功能:集中處理前置采集終端傳輸?shù)男畔?運(yùn)用快速傅立葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析,判定高壓開關(guān)的位置信息;將分析處理結(jié)果,通過電力IP網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備發(fā)送到信息處理中心。

4)信息處理中心的主要功能:集中處理多個(gè)前端信息處理與控制器發(fā)送的處理結(jié)果,及時(shí)反映高壓開關(guān)故障位置信息,通過GIS方式顯示出來。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前置采集終端

前置采集終端的電路框圖見圖2。該終端核心電路由一個(gè)14級計(jì)數(shù)器和由兩個(gè)十進(jìn)制器構(gòu)成的可編程分頻器組成。14級計(jì)數(shù)器可以產(chǎn)生一個(gè)頻率小于4000 Hz的方波信號,該信號再經(jīng)過可編程分頻器可以產(chǎn)生多個(gè)頻率信號,這樣同一個(gè)電路就可以通過編程的方法得到多個(gè)所需要的頻率信號。例如一個(gè)頻率為3600 Hz的信號,通過分頻,可以得到:3600,1800,900以及450 Hz四個(gè)頻率信號,這4個(gè)信號可以代表4個(gè)高壓開關(guān)位置信息,可應(yīng)用到4個(gè)開關(guān)量的測量上。其它頻率信號只要改變14級計(jì)數(shù)器的晶振,可以依照相同的方法獲得。

輔助接點(diǎn)接通可以控制可編程分頻器的工作,此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)特定的頻率信息,該頻率就表示該開關(guān)的狀態(tài)信息;一旦輔助接點(diǎn)不能接通,則可編程分頻器不能工作,則表示該開關(guān)沒有正常工作,一旦被前端信息處理與控制器檢測到該信號不存在,就會(huì)通知信息處理中心。信號調(diào)理電路只需要一個(gè)簡單的RC并聯(lián)電路就可以了。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)對頻率信號的幅度、相位均沒有嚴(yán)格要求,只要幅度大于100 MV,波形類似于正弦波,使用一個(gè)普通晶振作為基頻就可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 前置采集終端電路框圖

2.2 控制與供電電纜

控制與供電電纜為四芯電纜,可以是帶屏蔽的,也可以不帶屏蔽。四個(gè)纜芯分別用作9 V供電、地線、信號傳輸線和控制線。其中供電纜芯根據(jù)終端數(shù)量的多少選擇電纜直徑。代表開關(guān)位置的頻率信號通過電容耦合到信號傳輸線上,實(shí)驗(yàn)證明也可以通過電阻匯接到信號傳輸線上,由于信號傳輸線上直流分量比較大,該電阻在選擇時(shí)需要考慮承受一定的功率?？紤]到測量的準(zhǔn)確性,在設(shè)計(jì)時(shí)使用了控制線,控制線的作用是禁止所有頻率信號的產(chǎn)生,以便了解信號傳輸線上的噪聲干擾。

2.3 前端信息處理與控制器

前端信息處理與控制器的電路框圖如圖3所示。該部分的核心器件是ARM處理器,設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是LPC2131。選擇ARM處理器的一個(gè)很大優(yōu)勢是運(yùn)行速度快,程序移植方便,處理能力強(qiáng)大。LPC2131是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,并帶有32 kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。在進(jìn)行頻譜分析時(shí),通過接口與控制電路,向控制與供電電纜提供電源,前置采集終端具備電源以后開始工作,高壓開關(guān)輔助接點(diǎn)如果采集到開關(guān)位置信息,則該終端產(chǎn)生代表該開關(guān)的頻率信號;如果沒有采集到開關(guān)位置信息,則不產(chǎn)生代表該開關(guān)的頻率信號。所有的頻率信號通過控制與供電電纜傳送到前端信息處理與控制器。前端信息處理與控制器通過LPC2131的10位A/D轉(zhuǎn)換器采集到所有頻率信息。將這些信息通過快速傅立葉變換,再和數(shù)據(jù)庫中的頻率對比,從而判斷哪些頻率信號存在,哪些頻率信號不存在,從而獲得高壓開關(guān)位置狀態(tài)信息。

圖3 前端信息處理與控制器電路框圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 快速傅立葉變換算法

監(jiān)測系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是引入了頻譜分析的方法,其核心的算法就是快速傅立葉變換[3](FFT:Fast Fourier Transform)。一維信號序列 f(x)={f(0),f(1),…,f(M-1)}離散傅立葉變換(DFT:Discrete Fourier Transform)可表示成公式(1):

將公式(3)中偶數(shù)和奇數(shù)部分分別設(shè)為

則可表示成公式(4):

3.2 頻譜分析軟件流程

頻譜分析軟件流程如圖4所示。

圖4 頻譜分析軟件流程

4 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的測試環(huán)境為:

1)配置50個(gè)前置采集終端;

2)控制與供電電纜為四芯,長度大于200 m,纜芯導(dǎo)體截面0.75 mm2,不帶屏蔽。

3)測量結(jié)果打印輸出。由于數(shù)據(jù)較多,特提取10個(gè)典型測試數(shù)據(jù),對比結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:

1)滿足防衛(wèi)度要求。為了測試頻率的準(zhǔn)確性,防止因?yàn)闇囟茸兓鸬念l率漂移,在編寫軟件時(shí),一定要滿足一定的頻率偏移要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),防衛(wèi)度為±3 Hz,測量結(jié)果完全滿足要求。當(dāng)然防衛(wèi)度也不是越大越好,容易引起不必要的干擾。

2)滿足測量精度要求。50個(gè)前置采集終端共進(jìn)行了上百次實(shí)驗(yàn),每次監(jiān)測的結(jié)果都達(dá)到100%。當(dāng)采用帶屏蔽的電纜時(shí),測量結(jié)果沒有任何變化。

3)滿足測量實(shí)時(shí)性要求。50個(gè)前置采集終端所監(jiān)測的開關(guān)位置信息均能在1 s之內(nèi)一次性判斷出來,這種并行處理數(shù)據(jù)的高效性是任何其它方法都難以比擬的,具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

測量時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn):

1)控制與供電電纜傳送到前端信息處理與控制器的信號直流成份較大,一定要采用電容隔離,并且將信號幅度限制在3.3 V以內(nèi),以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。

2)快速傅立葉變換時(shí),要選擇合適的歸一化幅值。由于多種信號在同一電纜中傳輸,傳輸?shù)男盘栔g會(huì)產(chǎn)生多種交調(diào)信號,交調(diào)信號會(huì)對測試產(chǎn)生干擾,選擇合適的歸一化幅值是對交調(diào)信號進(jìn)行篩選的一種措施。在設(shè)計(jì)頻率信號時(shí),不要選擇出現(xiàn)在交調(diào)頻點(diǎn)上的信號。

5 結(jié)論

監(jiān)測系統(tǒng)在遼寧電力公司試運(yùn)行一年多時(shí)間,取得了令人滿意的監(jiān)測效果。這種通過頻譜分析獲得高壓開關(guān)狀態(tài)信息的方法,在高壓開關(guān)監(jiān)測領(lǐng)域?yàn)槭状尾捎?。該設(shè)計(jì)方法思路巧妙、速度快并且成本低,很容易推廣到電力系統(tǒng)其它的開關(guān)狀態(tài)信息檢測場所,從而帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),對其它行業(yè)開關(guān)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測,也是一種很好的借鑒和提示。

[1]劉國輝,馮啟明.采用單片機(jī)的高壓開關(guān)特性測試儀[J].電工技術(shù),2001(5):45-46.

[2]肖文明,孔力.高壓開關(guān)機(jī)械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].高電壓技術(shù),2004,30(1):52-53.

[3]張文.快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)方法的改進(jìn)[J].懷化學(xué)院學(xué)報(bào),2008,27(2):60-63.