基于光聲光譜原理的變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

曾毅+嚴新榮+李志軍+宗起振+曹玲燕

摘 要：當前，嵌入式軟件應(yīng)用越來越廣泛，根據(jù)變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)特點，利用VxWorks操作系統(tǒng)、嵌入式Sqlite數(shù)據(jù)庫、Webs GoAhead等相關(guān)技術(shù)，采用B/S架構(gòu)、IEC61850通信規(guī)范，以C語言、Javascript語言和矢量圖形庫插件為工具，結(jié)合隨機森林算法和三比值相結(jié)合的診斷方法，提出了基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計，并實現(xiàn)了單臺監(jiān)測裝置對多臺變壓器的數(shù)據(jù)采集、Web服務(wù)、故障診斷功能。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、性價比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：VxWorks；GoAhead；隨機森林算法；光聲光譜；IEC61850

DOIDOI：10.11907/rjdk.171212

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0100-03

0 引言

基于氣相色譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測是近年來應(yīng)用較為廣泛的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，由于變壓器油中產(chǎn)生的各種故障氣體的組成和含量與變壓器故障類型及其嚴重程度有密切關(guān)系，因而通過對變壓器油中溶解氣體進行實時而連續(xù)的在線監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障并實現(xiàn)狀態(tài)檢修，結(jié)合診斷技術(shù)可預(yù)測及跟蹤其故障發(fā)展趨勢[1-3]，由此基于氣相色譜原理變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測產(chǎn)品在電網(wǎng)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用和推廣。但也存在某些不足：如存在需定期更新載氣和色譜柱，維護成本高；測量精度也有待提高等缺點。

本文提出的基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)可以很好地解決上述問題，同時依托硬件和軟件的支持，實現(xiàn)了單臺監(jiān)測智能單元（簡稱IED）同時監(jiān)測兩臺變壓器油中溶解氣體的功能，大大降低了監(jiān)測設(shè)備的生產(chǎn)、采購以及運維成本。

1 光聲光譜檢測原理

光聲光譜檢測原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），是利用一束強度可調(diào)制的單色光源照射到密閉光聲池的待測氣體（以氣體為例），氣體吸收光能，并立即以釋放熱能的方式退激。釋放的熱能使氣體按光的調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加熱，從而導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動，這種壓力波動可用微音拾音器和壓電陶瓷傳聲器檢測，并通過放大得到光聲信號。由于每種氣體都有其特有的紅外光譜（通常指吸收光譜），根據(jù)這種氣體的特性，采用特定的單色光波長進行照射，則可檢測到隨波長變化的光聲信號圖譜，從而得到待測氣體分子濃度[4-6]

2 系統(tǒng)技術(shù)特點

Vxworks（RTOS）依靠其良好的實時性和高可靠性在通信、國防、醫(yī)藥等技術(shù)尖端和新興領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[7]，與其它嵌入式操作系統(tǒng)如Linux相比，Vxworks系統(tǒng)具有高可靠、可裁剪和高實時性等特點。它采用多任務(wù)機制，對任務(wù)的控制采取優(yōu)先級搶占和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機制，從而保證了重要任務(wù)優(yōu)先響應(yīng)。

Embedthis GoAhead Webserver3.6[8]是一款開放源代碼，采用C語言的嵌入式WebServer程序，因此移植性比較強，支持如 Linux、VxWorks、WinCE、pSOS等多種操作系統(tǒng)，其重要特性有：支持虛擬服務(wù)器，支持ASP、JavaScript、CGI、DHTML，占用內(nèi)存少等特點。與風河公司提供在Vxworks操作系統(tǒng)下的有償WebServer開發(fā)包相比，更具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。因此，采用Embedthis GoAhead Webserver是在Vxworks開發(fā)WebServer的首選[9-10]。

SQLite3是一款開放源代碼的超輕量級嵌入式關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫引擎，非常適合在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中。其特點：支持大多數(shù)的SQL語言、多表、索引、視圖、事務(wù)、觸發(fā)和一系列的API接口函數(shù)及驅(qū)動，具有小、快、簡單、穩(wěn)定、可靠、安全、免費以及零配置的SQL數(shù)據(jù)庫引擎等特點[11-12]。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用實時性高的Vxworks6.8操作系統(tǒng)、Embedthis GoAhead3.6的Web服務(wù)器、嵌入式Sqilte3數(shù)據(jù)庫、IEC61850通信協(xié)議等技術(shù)。Vxworks開發(fā)工具為workbench3.2，硬件平臺采用PowerPC處理器。由于本系統(tǒng)不僅要對兩臺變壓器進行數(shù)據(jù)采集，同時也采集微水、溫度、鐵心接地電流等數(shù)據(jù)，具有對多種設(shè)備或傳感器數(shù)據(jù)同時采集、處理，支持Web瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)修改、IEC61850服務(wù)器、數(shù)據(jù)遠傳等多種功能，因此，在系統(tǒng)軟件設(shè)計時根據(jù)了VxWorks自身的優(yōu)勢，采用了多任務(wù)、動態(tài)優(yōu)先級的設(shè)計理念。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

光聲光譜單元完成油中溶解7種特征氣體（H2、CH4、C2H2等）的數(shù)據(jù)采集，傳送給監(jiān)測智能單元。監(jiān)測智能單元除采集這7種氣體數(shù)據(jù)外，還集成了多種傳感器，通過RS485/RS323串口采集溫度、微水以及變壓器鐵心電流等數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，依靠對油氣分離單元硬件的專門設(shè)計與軟件設(shè)計的緊密配合，采用兩路送/回油路，通過軟件轉(zhuǎn)換油閥方向，在國內(nèi)首次實現(xiàn)單臺監(jiān)測智能單元同時對兩臺變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)的采集功能。理論上，采集兩臺變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)所用時間是單臺變壓器所用時間的2倍。相對于采用氣相色譜原理，采用光聲光譜原理具有數(shù)據(jù)采集量少、采集時間短、測量精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點。

3.2 Web服務(wù)器模塊

Web服務(wù)器模塊主要通過采用B/S架構(gòu)，可以實現(xiàn)對多臺變壓器設(shè)備進行遠程化管理，用戶只需在客戶端瀏覽器輸入監(jiān)測智能單元事先設(shè)置好IP地址就可以進行遠程訪問，IED具有IP、串口參數(shù)配置、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、趨勢圖分析、故障診斷、實時監(jiān)測設(shè)備運行狀況等功能，實現(xiàn)對IED遠程化管控。為了方便創(chuàng)建具有高度交互性的動態(tài)圖形網(wǎng)頁，在本系統(tǒng)中用到的GoAhead WebServer開發(fā)包中提供一種嵌入式的EJscript腳本語言，它可實現(xiàn)靈活方便的人機交互。它由Web服務(wù)器端提供，由客戶端瀏覽器裝載，運行在客戶端，Web服務(wù)器只需提供給客戶端所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再利用嵌入式JavaSeript具有與平臺的無關(guān)性，最后在客戶端瀏覽器上完成對數(shù)據(jù)的計算、顯示功能，這樣極大減輕了Web服務(wù)器的負擔。同時為了在頁面上呈現(xiàn)出滿足用戶所需要的的矢量圖形以及數(shù)據(jù)趨勢圖，本系統(tǒng)采用了高性能的wz_jsgraphics.js[13]和dygraph.js[14]矢量圖形插件。實時監(jiān)測頁面如圖2所示。endprint

3.3 通信功能模塊

通信功能模塊主要是通用采用標準的MODBUS、IEC61850、I2等通信規(guī)范以及私有通信規(guī)約完成與后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳送功能，同時采用SNTP（Simple Network Time Protocol）技術(shù)使IED和后臺服務(wù)器時鐘同步，使IED數(shù)據(jù)采集、分析、處理和實時監(jiān)測所采用的時標與服務(wù)器時間保持一致性。隨著智能變電站對狀態(tài)信息的數(shù)字化采集，通信規(guī)約和傳輸網(wǎng)絡(luò)的標準化，以實現(xiàn)可靠快速實時監(jiān)測與故障分析[15]。為此，本系統(tǒng)采用基于IEC61850通信規(guī)范作為最主要的通信方式之一。

3.4 DGA故障診斷模塊

DGA故障診斷模塊采用立方體圖示法、TD圖、大衛(wèi)三角形等方式顯示診斷結(jié)果，本系統(tǒng)通過采用隨機森林算法與改良三比值相結(jié)合的方式，使故障分類更加有效，從而提高了對故障診斷的準確性。同時具有對歷史數(shù)據(jù)趨勢進行分析，以及具有放大、還原、選擇要顯示的曲線條數(shù)等功能，如圖3所示。

4 系統(tǒng)性能

本系統(tǒng)測試環(huán)境如下：

嵌入式操作系統(tǒng)：Vxworks6.9；關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)據(jù)庫采用SQlite3.8，WebServer采用GoAhead3.6，IEC61850通信接口采用開源的libiec61850庫。為測試本系統(tǒng)運行時的整體性能，采用CPU：MPC8313E、PowerPC32-Bit，主頻為400MHz。在數(shù)據(jù)采集負載均衡，5個瀏覽器客戶端和5個IEC61850客戶端下： IEC61850通信服務(wù)響應(yīng)時間一般在0.1～0.3s，WebServer在傳輸30K個字節(jié)左右，響應(yīng)時間在1.0～1.2s。采用光聲光譜比采用氣相色普柱技術(shù)的采集時間縮短了50%左右。在滿負荷下測試表明，系統(tǒng)整體性能運行穩(wěn)定、響應(yīng)及時，滿足實際工程需求。

5 結(jié)語

本文詳細介紹了光聲光譜原理，Vxworks、SQlite和Goahead Webserver等開發(fā)中采用的一些關(guān)鍵技術(shù)，以PowerPC 處理器作為硬件平臺， 采用VxWorks6.8為嵌入式軟件平臺， 實現(xiàn)了基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，同時國內(nèi)外創(chuàng)新提出單臺設(shè)備對多臺變壓器的在線監(jiān)測功能，已在電網(wǎng)、電廠、鋼鐵、石化等行業(yè)有應(yīng)用經(jīng)驗。結(jié)果表明，該系統(tǒng)較好地解決了單臺設(shè)備對多臺變壓器的遠程監(jiān)控，以及通信標準化、信息圖形化、Web界面簡潔友好、故障診斷多樣性等技術(shù)難題，可有效地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)、運行和維護費用。對于高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測產(chǎn)品的嵌入式開發(fā)具有重要的參考價值。

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