基于DSP和光纖技術(shù)的分布式電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭萍　金鵬

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電容型設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，保證變電站的安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了基于DSP和光纖通信技術(shù)的分布式電容型設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文章介紹了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及原理，采用分壓法采集信號(hào)，解決了傳統(tǒng)傳感器采集信號(hào)法因受溫濕度影響導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差大的問(wèn)題。檢測(cè)單元集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、DSP控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光纖通信于一體，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量就地化和數(shù)字化。針對(duì)變電站電磁干擾、地環(huán)干擾以及雷擊等問(wèn)題，系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在軟件開(kāi)發(fā)中，采用模塊化的思想，各個(gè)模塊在功能上相互獨(dú)立，便于維護(hù)與升級(jí)。在變電站的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：電容型設(shè)備，tanδ，DSP；在線監(jiān)測(cè)；鎖相倍頻；光纖通信

1引言

變電站中的變壓器、電容性設(shè)備、避雷器、斷路器等高壓電氣設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中受到電場(chǎng)、導(dǎo)體發(fā)熱、機(jī)械力、化學(xué)腐蝕、溫度、濕度等因素的影響，不可避免地將逐漸劣化、老化，并導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行性能變壞，出現(xiàn)缺陷。如果任其繼續(xù)發(fā)展，不采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施，可能引發(fā)電力設(shè)備的故障，造成巨大損失。電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行情況下連續(xù)提取設(shè)備的各種狀態(tài)信息參數(shù)，根據(jù)各種故障征兆，運(yùn)用智能技術(shù)對(duì)其健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)判，依據(jù)診斷結(jié)果制定檢修方案和策略，從而既減少了停電試驗(yàn)和維修的盲目性，又能持續(xù)真實(shí)地反映設(shè)備在運(yùn)行電壓下的性能和健康水平，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的缺陷，降低設(shè)備事故率。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為三層。第1層由相應(yīng)的傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成，主要完成測(cè)量采集變電站內(nèi)電容型設(shè)備的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)，包括溫濕度、泄露電流I、PT電壓信號(hào)，CT電流信號(hào)，采集模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DSP處理計(jì)算，通過(guò)光纖通信與第2層（變電站通信管理系統(tǒng)）通訊。第2層包括前端通信控制單元、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器，前端通信控制單元通過(guò)光纖接收并處理來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元的在線監(jiān)測(cè)信息，并將監(jiān)測(cè)信息送給數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)服務(wù)器完成在線分析計(jì)算功能；Web服務(wù)器為第3層的監(jiān)控提供服務(wù)。第3層的IE用戶，通過(guò) TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)應(yīng)用光纖通信技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分層分布式結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)，擴(kuò)展非常靈活，抗干擾能力強(qiáng)。用戶只需要安裝瀏覽器軟件就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)，從而方便地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，具有良好的可擴(kuò)展性及靈活性。另外，在現(xiàn)場(chǎng)采集處理模塊可在現(xiàn)場(chǎng)完成模擬信號(hào)的計(jì)算處理，有效地避免了信號(hào)因遠(yuǎn)距離傳輸而導(dǎo)致信號(hào)失真。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要集中在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)，并有效地完成分布式數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3.1現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗角正切tanδ、泄露電流I、電容量。該系統(tǒng)是數(shù)字信號(hào)處理DSP和高精度A/D為核心的數(shù)字式一體化現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元，該單元集信號(hào)調(diào)理、高速采樣、CPU控制、傅里葉頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光纖通信為一體，可就地計(jì)算出介質(zhì)損耗角正切tanδ、等值電容、泄露電流等各項(xiàng)參數(shù)，如圖2中虛線部分所示。該系統(tǒng)可以對(duì)分布在同一變電站內(nèi)不同位置的所有電容型設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，且監(jiān)測(cè)周期可以任意設(shè)置。

3.2泄露電流的測(cè)量

由于信號(hào)微弱，傳感器必須有較高的精度同時(shí)也要具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而目前采用的穿心式電流互感器方式還存在許多問(wèn)題。本系統(tǒng)采用了電容分壓的方式來(lái)提取泄露電流，通過(guò)選擇合適的分壓電容，使測(cè)量的信號(hào)在40V左右，有效地提高了信號(hào)的信噪比。為防止電容故障導(dǎo)致末屏開(kāi)路，保證信號(hào)提取的安全性，應(yīng)配置合理的保護(hù)方式。

3.3保護(hù)回路的設(shè)計(jì)

在高壓電容型設(shè)備末屏回路中串入分壓測(cè)量電容進(jìn)行介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)時(shí)，為防止末屏開(kāi)路和抑制高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)電壓侵入到二次測(cè)量系統(tǒng)，在提取信號(hào)時(shí)需添加保護(hù)單元。本系統(tǒng)采用氣體放電管和金屬壓敏電阻組成的混合保護(hù)單元，如圖4所示。壓敏電阻R1的作用是改善器件的反應(yīng)時(shí)間，使保護(hù)單元更靈敏，安全性更高。

3.4鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)

電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的波動(dòng)是不確定的，使得電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難滿足整周期采樣，由此產(chǎn)生的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。為減小系統(tǒng)頻率變化對(duì)測(cè)量的影響，本系統(tǒng)采用鎖相頻率跟蹤和同步采樣技術(shù)，保證測(cè)量精度的準(zhǔn)確性，使得信號(hào)頻率與采樣頻率同步，減少泄漏誤差。

采用同步技術(shù)進(jìn)行交流采樣時(shí)，提高采樣精度的一個(gè)方法是增加一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N，另一個(gè)是提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。但在同時(shí)滿足以上兩個(gè)方法的前提下，真正影響測(cè)量精度的是測(cè)量周期能否均勻的進(jìn)行N等分，可以利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)跟蹤輸入信號(hào)頻率，使采樣周期與信號(hào)周期同步。本系統(tǒng)中采用專用鎖相環(huán)芯片CD4046和計(jì)數(shù)器CD4060配合來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻信號(hào)精確鎖相倍頻，分頻比為1/64。在工頻信號(hào)恰好為50 Hz的情況下，該電路的鎖相倍頻頻率為50×64=3200 Hz，相當(dāng)于一個(gè)工頻周期內(nèi)有64個(gè)采樣脈沖，頻率跟蹤鎖相電路接線圖如圖5所示。

由圖5可看出，工頻方波信號(hào)由AIN輸入，經(jīng)過(guò)倍頻的方波信號(hào)由VCOUT輸出去觸發(fā)A/D芯片ADS8364。

3.5數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用美國(guó)TI公司推出的專為高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的6通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，它具有高速、高分辨率、低功耗、多通道同步采集等功能，片上帶2.5V基準(zhǔn)電壓源，可用作ADS8364的參考電壓。具體的數(shù)據(jù)采集模塊接口電路如圖6所示。

圖6中的PTout為模擬信號(hào)的輸入，其電壓范圍為-5V～+5V，經(jīng)過(guò)差分電路輸入到ADS8364的模擬輸入通道A0。ADS8364的BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對(duì)每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過(guò)地址線A2、A1、A0來(lái)選擇。ADS8364的片選信號(hào)由TMS320LF2407的地址線A15、A14、A13和I/O空間選通，因此ADS8364芯片地址所占用的是TMS320LF2407的I/O空間的低32K地址空間，與程序的調(diào)試和運(yùn)行地址無(wú)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)ADS8364六個(gè)通道的同步采樣，ADS8364的A、B、C三組啟動(dòng)控制信號(hào)HOLDA、HOLDB、HOLDC由TMS320LF2407的同一I/O引腳控制，這樣只要TMS320LF2407使該引腳有效就可以同時(shí)啟動(dòng)ADS8364的六個(gè)通道，從而實(shí)現(xiàn)六通道的同步采樣。

3.6通信接口模塊設(shè)計(jì)

光纖通信是一種高速率數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)、配置靈活、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。

變電站內(nèi)存在電磁干擾、地環(huán)干擾、雷擊、化學(xué)腐蝕等外界因素，影響了整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性和精確度。為解決此問(wèn)題，本系統(tǒng)采用光纖通信，它通信容量大、抗電磁干擾、不怕雷擊、抗化學(xué)腐蝕，解決了通信距離與通訊率的矛盾，并從根本上解決了電磁干擾、地環(huán)干擾以及雷擊和電浪涌的難題，大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性、安全性和保密性。

第1層和第2層之間采用光纖通信方式，連接方式采用國(guó)內(nèi)通用的ST接頭，核心部件選用Agilent公司的光收發(fā)模塊，通信光纜選用鎧裝，每個(gè)環(huán)節(jié)都能保證系統(tǒng)光纖通信的穩(wěn)定性和可靠性。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要任務(wù)是處理和保存數(shù)據(jù)信息，通過(guò)光纖，系統(tǒng)軟件發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)束后數(shù)據(jù)又通過(guò)光纖送入計(jì)算機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器供軟件分析。根據(jù)系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求，軟件框架分為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)和信息查詢系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件框架如圖7所示。

通過(guò)圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖形界面，構(gòu)建系統(tǒng)模型與設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并初始化有關(guān)參數(shù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備信息采集、分析與計(jì)算數(shù)據(jù)，并將結(jié)果返回設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)在監(jiān)測(cè)畫(huà)面上顯示；信息查詢系統(tǒng)主要完成信息發(fā)布，可將數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)或撥號(hào)方式傳送到上級(jí)監(jiān)測(cè)中心。

將系統(tǒng)軟件分解成若干模塊是根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模與功能實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)模塊在功能上相互獨(dú)立，只保留幾個(gè)接口進(jìn)行通訊。設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能減少各模塊接口，減少模塊間的直接數(shù)據(jù)聯(lián)系，以增強(qiáng)模塊的獨(dú)立性，使維護(hù)升級(jí)更簡(jiǎn)單。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的分布式電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，采集智能模塊將數(shù)據(jù)參數(shù)就地處理計(jì)算后通過(guò)光纖把數(shù)字量傳輸?shù)娇刂茖?，解決了集中式結(jié)構(gòu)中模擬信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題，并有效地解決了電磁干擾、地環(huán)干擾、雷電、化學(xué)腐蝕影響數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)膯?wèn)題，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、數(shù)字化傳輸、數(shù)據(jù)大容量傳輸。采用分壓法采集信號(hào)，解決了傳統(tǒng)傳感器采集信號(hào)法因受溫濕度影響導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差大的問(wèn)題。采用鎖相頻率跟蹤和同步采樣技術(shù)，保證測(cè)量精度的準(zhǔn)確性，使信號(hào)頻率與采樣頻率同步，減少泄漏誤差。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能長(zhǎng)期、有效地監(jiān)測(cè)變電站內(nèi)電容型設(shè)備的有關(guān)參數(shù)。

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