基于DPS的变电站容性设备介质损耗角在线监测---夏梁

1、摘要20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息,来处理现实信号的方法,这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。由于现代国民经济对电力供应的依赖性日益增大,停电事故造成的后果和损失越来越严重。在线监测高压电容型设备的介质损耗角(简称介损 可以有效的判断设备的绝缘状况。为了提高电力系统高压电气设备监测的安全性、可靠性及信息化指标,研究了一种基于DPS芯片的新型高压电容型设备介损在线监测系统。可以实时掌握设备运行状态。系统采用绝对比较法来测

2、量介损,并采用RS485通讯模式实现远程控制和数据传输。监测终端将采集到的数据进行放大、滤波、模数转换后通过RS485传输到主机,最后由专家软件对设备的绝缘性能进行判断。试验结果表明,该系统介损测量的可信度、精确度和稳定度比传统仪器有很大提高,具有较大的使用和推广价值。关键词: DPS芯片介质损耗角在线监测绝对比较法 RS485ABSTRACTSince the nineteen sixties, along with the computer and the rapid development of information technology, digital signal process

3、ing technology, emerge as the times require and gets a rapid development. Digital signal processing is through the use of a mathematical skills to perform the conversion or extraction of information, to deal with real signals, these signals by digital sequence. In the past twenty years, the digital

4、signal processing in telecommunications and other fields has been widely applied. TI, Freescale and other semiconductor manufacturers in this field is very strong.Modern national economy on the dependence of the power supply increases day by day,Outage the consequences caused bythe accidents and los

5、s more and more serious,High voltage capacitor online monitoring of the equipment can be effective dielectric loss Angle of the insulation of the equipment condition Judge,In order to improve the high voltage electrical equipment monitoring power system of safety, reliability and informatization ind

6、ex,A new study of high voltage capacitor dielectric loss equipment on-line monitoring system ,which is based on DPS.Can real time control of the running state of the equipment。System uses absolute comparison to measure loss measurement,And adopt RS485 communication mode to realize the remote control

7、 and data transmission,Monitoring terminal will be the data collected were enlarged, filtering, module after converting to host transmission by RS485,Finally by experts of the insulation performance software equipment for making judgments,Test results show that,The system dielectric loss the credibi

8、lity of the measurement accuracy and stability, than traditional instruments have greatly improved,Has a greater use and popularize value。Key words:DSP chipsets ,on-line monitoring ,on-line monitoring,Absolute comparison method ,RDSPS485目录摘要 (1ABSTRACT (1第一章绪论 (41.1电容型设备绝缘在线监测的研究现状 (41.2容性介质损耗在线监测的发

9、展趋势 (41.3电容型设备介损测量的意义 (51.4本论文的内容 (5第二章介质损耗在线监测原理 (82.1电容型设备介质损耗的定义 (82.2 介质损耗在线监测的方法 (82.3影响介损在线监测结果的因素 (10第三章在线监测系统硬件设计 (143.1系统的总体结构设计 (143.2 DSP芯片分类与选择 (143.3 传感器设计 (163.4放大电路设计 (173.5滤波电路设计 (183.6 A/D转换电路设计 (183.7系统硬件防干扰设计 (20第四章在线监测系统软件设计 (224.4上位机流程设计 (224.2下位机软件总体设计 (234.3数据采集程序设计 (254.4数据处理

10、程序设计 (26第五章结论与展望 (27致谢 (27参考文献 (28第一章绪论1.1电容型设备绝缘在线监测的研究现状电容型设备绝缘在线监测是电力系统中开展较早的项目之一,国外在这方面的研究始于六十年代初期,但直到70-80年代,随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与引用,绝缘在线监测技术才真正得到迅速发展。美国、加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体,变压器、发电机、气体绝缘封闭组合电器(GIs等的局部放电,电容型绝缘的介质损耗因数等特性,交链聚乙烯电缆的泄漏电流等在线监测系统。我国对在线监测技术的重要性也早有认识,早在60年代就提出过带电试验的方法,但由于操作复杂,测量结果分散性大

11、,没有得到推广。80年代以来,随着高新技术的发展与引用,我国的绝缘在线监测技术也得到了迅猛发展。电容型设备绝缘在线监测方法是由离线测试方法演变而来的,如早期普遍采用的带电测量介质损耗和电容的西林电桥(1法便沿用了传统停电测试中测量介质损耗的Qs1(2型高压西林电桥的测量原理。但由于必须另配更高耐压的高压标准电容器、并对原有电桥进行改造等原因,难以在实际应用中推广。随着研究的进一步深入,电容型设备绝缘在线监测技术已发展到了一个新的水平。目前,电容型设备介质损耗角在线监测方法主要集中在如何获取数字化测量信号即采用何种信号处理方法,由于对这些数字信号处理和分析等方面的不同而形成了两大分支:一是主要靠

12、“硬件”实现的检测方法。二是主要靠“软件”实现的检测方法。通过上述方法,使绝缘子介损在线监测成为可能。1.2容性介质损耗在线监测的发展趋势电容型设备绝缘在线监测技术目前的技术水平还不够理想,但出于客观需要,绝缘在线监测技术还将不断发展完善。今后该技术的发展趋势为:(1不断提高绝缘在线监测系统的灵敏度、准确度和可靠性;(2对电气设备进行多功能的综合监测和诊断,即能同时反映设备绝缘状况的多个特征参数;(3加强基础理论研究,通过大量实验来分析各种影响因素(如温度、湿度、谐波等对试品介质损耗的影响,从机理上来解释试品特征参数变化的原应。(4大量积累运行经验,尽可能地收集在线信息,从中寻找新的适合于在线

13、处理的故障征兆与诊断判据,为更全面、准确地进行故障诊断创造条件。(5在不断积累监测数据和诊断经验的基础上,发展人工智能技术,建立完整的故障诊断专家系统,真正实现绝缘诊断的自动化。1.3电容型设备介损测量的意义由于传统的对电力设备绝缘可靠性的评价是通过预防性试验来完成的,存在很大的弊端。并且不能及时了解设备的运行状况,容性设备介质损耗在线监测技术的成功,使对设备实时监测成为可能,容性设备介质损耗在线监测技术对电力工业的发展具有重大意义,归纳起来主要有:(1能够及时反映电力设备绝缘状况,从而发现电力设备运行中的缺陷,提高整个电力系统供电的可靠性。(2减少设备停电维护和维修的盲目性,减小维护和维修的

14、费用,降低了供电成本,提高电力系统经济效益。(3在线监测设备接线状态固定,避免了大量停电操作和高空拆装引线、临时布置试验场地等带来的不安全因数,避免了繁重劳动,减少了试验现场人员,提高了工作效率,增加了人身安全性。1.4本论文的工作。本文主要对变电站容性设备介质损耗在线监测进行设计,以便实时获取设备在线运行状态信息。论文主要设计的内容有:1. 介绍了介质损耗在线监测的现状、发展趋势和意义。2. 阐述了介质损耗角在线监测的原理,具体分析了绝对比较法和谐波分析法的原理3. 分析了一些对介质损耗在线监测的影响因素,如,环境温湿度,谐波,噪声,相间等4. 对介质损耗在线监测进行软硬件设计。第二章介质损

15、耗在线监测原理2.1电容型设备介质损耗的定义在交流电压作用下电容型设备的绝缘特性如下图所示。流过介质的电流错误!未找到引用源。,可看成无功电容电流分量错误!未找到引用源。和有功电流分量错误!未找到引用源。两部分,通常错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 。介质的损耗由于机理不同,可分为漏导损耗、极化损耗和局部放电三种基本形式。电气设备绝缘由电介质构成,在电压作用下有能量损耗。电介质的能量损耗包括电导损耗和极化损耗,简称介质损耗,损耗功率如公式(2-1所示错误!未找到引用源。 (2-1u İ=İr+İc İr İc İU P QS 图2-1 介质在交流电压作用时的电流相量图及功率三角形2.2

16、 介质损耗在线监测的方法电容型设备在线测量方法主要有绝对比较法和相对比较法,电容型设备在线监测目前普遍采用的是绝对比较法。绝对比较法是利用电压互感器(TV 二次侧电压信号作为基准信号,与测得设备末屏电流信号进行相位求差,所得的角即是介质损耗角,进而可以求出设备绝缘性能。测试方法接线如下图(2-2所示,在被试品错误!未找到引用源。的地线侧接入电流传感器,经处理电路得到被测电流错误!未找到引用源。的幅值及相位,同样测得反映母线电压错误!未找到引用源。的错误!未找到引用源。,如果忽略互感器的角差,错误!未找到引用源。应和错误!未找到引用源。同相位,因此错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。的相位

17、差即为功率因素角错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。的余角即为介质损耗角错误!未找到引用源。 在线监测系统1 2tan C1C2Uxİİ1İ221 图(2-2 绝对测量法原理图及向量图谐波分析法是通过测量模拟电压和电流信号,再将获得的模拟信号转化为数字信号,采用数字频谱分析的方法求出这两个信号的基波分量的幅值,从而通过对基波的相位比较求介质损耗因数错误!未找到引用源。值的方法。实际上是利用满足狄里赫利(Dirichlet条件的电压U 与电流I 进行傅立叶级数分解,其表达式为:错误!未找到引用源。 (2-2错误!未找到引用源。 (2-3式中,错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为

18、电压、电流的直流分量;错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为电压、电流的各次谐波的幅值;错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为电压、电流的各次谐波相角(k=1,2,3.。在谐波分析法中只需要提取电压、电流中的基波分量,由三角函数的正交性可以得出:错误!未找到引用源。 (2-4错误!未找到引用源。 (2-5错误!未找到引用源。 (2-6错误!未找到引用源。 (2-7 式中,错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。届分别为电压、电流的基波相角。根据介质损耗因数的定义,介质损耗角的正切值为:错误!未找到引用源。-错误!未找到引用源。(2-8将式(2-3至式(2-6代入式上式可得

19、:错误!未找到引用源。(2-9这样错误!未找到引用源。的值便可顺利求得。在准确获得电压和电流信号的条件下,通过谐波分析法就可以准确求出错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。.并精确的得到错误!未找到引用源。的值。但是在实际测量中,电网频率的波动会造成非同步采样,产生谱泄露和栅栏效应,影响计算错误!未找到引用源。值的准确性和有效性。2.3影响介损在线监测结果的因素电容型试品介质损耗角的带电检测中,测量信号的获取包括被测电流信号的采集和基准电压信号的获取。由于电流传感器(一般采用小电流芯式电流互感器一次侧电流只有几十毫安,为了将被测电流信号转化为可由

20、A/D转换器分辨的电压信号,提高信号的信噪比,必须引入放大环节,然而引入放大环节后(无论是有源或是无源,就必然会对信号产生一定的相移,不可避免地存在角差。另外,电流传感器本身一、二次电流变换后也会引入一定的相位误差(虽然可采用零磁通技术,理论上认为不会有相移,但实际上还是有不能忽略的误差。一般正规厂家生产的电流传感器在出厂之前都会对角差进行标定,并标示于铭牌上,这为后续的数字处理工作提供了方便。电力系统属于三相系统,现场中三相设备一般成一直线布置,相间存在电容耦合。因此当在线监测A,B,C三相高压电容型试品时,相间的耦合电容电流会对被测设备的介质损耗因数、阻性电流等产生显著影响。这是因为在测量

21、时,与被测电容型设备的外施电压相差90相角的容性电流往往是主要的,而阻性电流只占很小的部分。虽然由相间的电容耦合形成的干扰电流本身不大,但是它和容性电流不同相,这样只要干扰电流影响到阻性电流的大小,就会影响到流过被测设备的电流的大小和相位,从而影响到介质损失角的大小,使得介质损失角A 相偏大,B相基本不变,C相偏小。相间干扰的严重性取决于试品主电流大小,如果主电流远远大于相间干扰电流,可忽略相间干扰的影响;否则,必须考虑相间干扰的影响。对于电容型设备来说,从末屏得到的电流信号一般都在毫安级,而相间干扰电流只有微安级,因此可以忽略其影响。而且在故障诊断时采用相对比较法,可认为在同样条件下运行电压

22、对同相别设备的影响一致,相间和相邻设备的影响固定,通过差分和相减后,相对比较剔除了同类设备中存在的同类型干扰,也可避免相间干扰的影响。电网中谐波主要是27次谐波,各次谐波之间的比例为40%、25%、15%、10%、6%、4%。一般来说电容性的错误!未找到引用源。值都很小,测量精度要求高,这样谐波频率、谐波波形畸变率、谐波初相角等因素对绝缘监测影响很大,从而产生测量误差。因此,可以考虑通过低通滤波滤除高次谐波,将电力系统常有的三次谐波含量限制在1.0%以内,由于滤波器对更高次谐波的抑制力更强,再加上电源中高次谐波的含量低,所以很容易将五次、七次谐波限制在0.3%和0.1%以内,此时谐波对介质损耗

23、因数测量的影响可以忽略不计。而当采用谐波分析法时,介质损耗因数错误!未找到引用源。不受谐波含量的影响在介质损耗监测中,一般认为在短时间内测得的电压,电流信号都可以作为平稳信号。根据数字信号处理理论可知,只要能够按照被采样信号周期整数倍长度进行采样,即整周期采样,采用离散傅立叶变换(DFT进行频谱分析,频域不会发生泄漏,就可以实现对信号频谱的准确分析,获得信号各次谐波的幅值和相位。否则就会因为栅栏效应和泄漏效应,给计算的频谱尤其是给相位带来较大的误差,影响测量精度。在运行现场,实际的电网频率通常在49.850.2Hz范围内波动,某些情况下可能达到49.550.5Hz,整周期采样的条件很难满足,如

24、果采用谐波分析法,则频率的波动也是影响介质损耗因素测量准确度的一个重要因数。电容型装置长时间安装在变电站的工作现场,老化、污秽、受潮等因素都会影响到装置的性能。由于被测设备周围环境温度、湿度每天都有周期性的变化,而绝缘材料的介质损耗因数与其本身的温度有关,污秽、环境湿度则会影响设备表面的电场分布,从而湿度、温度等外界环境因素的变化将对介质损耗角的在线检测结果产生很大的影响。而实际测量的介质损耗因数变化趋势和温度变化一致,在做绝缘诊断时,采用相对比较法,应用相对值可以显著减少温度、湿度的影响。因此单次的测量结果很难反映错误!未找到引用源。的真实值,不能简单地根据它判断设备的绝缘状况是否良好。如何

25、克服环境因素的影响,迄今为止还是一个较难解决的问题。第三章在线监测系统硬件设计本文是基于DSP芯片实现在线监测功能。DSP(digital signal processor是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。对元件值的容限不敏感,受温度、环境等外部因素影响小,容易实现集成,可以分时复用,共享处理器,方便调整处理器的系数实现自适应滤波,可实现模拟处理不能实现的功能:线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等,可用于频率非常低的信号。3.1系统的总体结构设计在线监测系统主要由传感器,放大电路,滤波电路,A/D转化电路和数据处理几个模块组成,如下图(3-1所示:电气设备传感器放大电

26、路滤波A/D转换数据处理电压电流图3-1 系统结构泄露电流信号经传感器被感知,从而实现设备的监测的目的。由于传感器所测得的信号很小,基本都是微安到毫安级别的,所以必须通过放大器对测得信号进行放大,以使接下来的模块能对其进行处理。在采集进来的信号中,由于电压电流信号不可避免地受到外界电磁的干扰,有必要对信号进行滤波,以提高测量结果的稳定性和准确性。经滤波电路后信号由A/D转化电路将模拟信号转换为数字信号,然后通过DSP单元进行处理得到错误!未找到引用源。3.2 DSP芯片分类与选择DSP运算的基本类型是乘法和累加(MAC运算,对于卷积、相关、滤波和FFT 基本上都是这一类运算。这样的运算可以用通

27、用机来完成,但受到其成本和结构的限制不可能有很高的实时处理能力。DSP运算的特点是寻址操作。数据寻址范围大,结构复杂但很有规律。例如FFT运算,它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越N/2间隔的地址范围,每次变更都很有规律,级间按一定规律排列,虽然要运算log2N遍,但每级的地址都可以预测,也就是寻址操作很有规律而且可以预测。这就不同于一般的通用机,在通用机中对数据库的操作,具有很大的随机性,这种随机寻址方式不是信号处理器的强项。无论是专用的DSP芯片或通用DSP芯片在结构考虑上都能适应DSP运算的这些特点。而专用芯片在结构上考虑的更加专业化,更为合理,因而有更高的运算速度。DSP芯片按用途或

28、构成分类可以分为下列几种类型:为不同算法而专门设计的专用芯片:例如用于做卷积/相关并具有横向滤波器结构,INMOS公司的A100、A110;HARRIS公司的HPS43168;PLESSYGEC 公司的PDSP16256等。用于做FFT,Austek公司的A41102,PLESSYGEC公司的PDSP16150等。这些都是为做FIR、IIR、FFT运算而设计的,因而运算速度高,但是具有有限的可编程能力,灵活性差。为某种目的应用专门设计系统,即ASIC系统。它只涉及一种或一种以上自然类型数据的处理,例如音频、视频、语音的压缩和解压,调制/解调器等。其内部都是由基本DSP运算单元构建,包括FIR、

29、IIR、FFT、DCT,以及卷积码的编/解码器及RS编/解码器等。其特点是计算复杂而且密集,数据量、运算量都很大。积木式结构:它是由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接而成,这种结构方式也称为硬连线逻辑电路。它是一种早期实现方法,具有成本低、速度高等特点,由于是硬连接因而没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端某些高频操作中。用FPGA(现场可编程陈列实现DSP的各种功能。实质上这也是一种硬连接逻辑电路,但由于有现场可编程能力,允许根据需要迅速重新组合基础逻辑来满足使用要求,因而更加灵活,而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些大的公司如Xinlinx、Altera也正把FPGA产品扩展

30、到DSP应用中去。通用可编程DSP芯片:这是目前用得最多的数字信号处理应用器件片上系统Soc(SystemonChip,这是数字化应用及微电子技术迅速发展的产物,是下一代基于DSP产品的主要发展方向之一。它把一种应用系统集成在一个芯片上。通常,为满足系统的性能要求和提高功率效率,会把DSP和MCU的多处理器处理平台集成在一起。图1是由TI公司推出的开放多媒体应用平台(OMAP,用来支持2.5G和3G应用而设计的处理器体系结构,它支持语音、音频、图像和视频信号处理应用的各种性能。其中关键器件有:低功耗的DSP芯片,用来做媒体处理;MCU用来支持应用操作系统及以控制为核心的应用处理;MTC 是内存

31、和流量控制器,确保处理器能高效访问外部存储区,避免产生瓶颈现象,提高整个平台的处理速度。目前应用最广泛的DSP芯片是TI公司的产品,而TMS320F2812工业控制领域的一款高端产品,采用哈弗总线结构,具有3个32位高性能的CPU定时器,片上资源扩展性强,具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特别适用于有大批量数据处理的测控场合。另外,TMS320F2812可以方便的实现FFT算法的需求。3.3 传感器设计信号采集电路主要由传感器构成,是整个在线监测系统的输入端。传感器直接和一次系统相连,处于强电磁场之中,容易受到电磁干扰。同时它又长期放在室外,易受大气条件的影响。因

32、此,传感器是整个系统的关键部分。电流传感器的连接方式可分为直接藕合方式和磁性藕合方式。如图3-2:U CxIICxU图3-2 (a直接耦合方式(b磁性耦合方式由于电容型设备泄漏电流大约在500uA500mA之间,因此采样信号非常微弱。采用有源零磁通技术是提高小电流检测精度的最好途径所以采用的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器具有极好的温度特性和抗电磁场干扰能力,完全满足变电站现场干扰情况下的设备取样精确度。如需检测电压信号,只需通过无感电阻将电压信号转换为电流信号即可。3.4放大电路设计综合考虑整个系统的诸多技术指标,放大器的设计原则是:在保证有用信号通过,即满足系统空间分辨率要求的前提下,尽

33、量压窄放大器的频带宽度,以实现促成系统测量精度的提高和动态范围的加宽。设计放大电路如图3-4所示:其中前放电路的放大倍数为+50,主放电路的放大倍数是+100。由于系统电路的放大部分对带宽、工作速度和精度上的要求都很高,选择AD811 作为前放,AD844作为主放电路放大器件。这两者都是电流负反馈型运算放大器。电流反馈运放,以电流为输入信号,电压为输出信号,强调电流模运算。与电压模运算相比,寄生节点电容的影响小,而且速率比电压反馈运放要快几个数量级。由于AD811和AD844只有一个输出的运算放大器,所以它们具有频带宽,转换速率高,建立时间短等优点。前置跨阻放大器将APD输出的光电流转换成电压

34、信号,电压放大器将该电压信号放大至适合模数转换的信号。探测放大电路输出的电压信号,再与高速采集卡相连,在同步信号的配合下进行A/D 转换。 图放大电路设计3.5滤波电路设计对输入信号进行滤波是减小输入噪声干扰的常规措施。在对传感器在现场采集到的电压、电流信号进行处理时,由于电压、电流信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号影响,同时传感器和放大电路本身也会产生一些噪声信号,如果直接把信号输入A/D转换器,则采样后得到的数据会存在很大误差,因此需要对信号作进一步处理。采用低通滤波对采集到得信号进行滤波处理,抑制杂散干扰信号,进而提高系统的信噪比。在实际运行中,电压、电流信号经过模拟低通滤波器会

35、由于滤波器的相移引入误差,根据介质损耗因素在线监测系统的实际情况,应该首先保证对电压和电流两通道信号的低通滤波具有相同的幅频特性和相频特性,并且尽量满足平坦的幅频特性和线性相移要求,本文采用二阶有源滤波如下图3-3所示:Out+-U7VccVDDAGNDC1C2C3R3R1R2OP37图3-3 滤波电路传递函数的表达式为: 3.6 A/D 转换电路设计通过信号采集和信号调理电路获得了被测模拟信号后,重要的一步便是将它转换成可由计算机分析、处理的数字信号,其中A /D 转换是完成模拟信号到数字信号的核心器件,有了它才能进一步实现数字信号处理。本设计采用AD7863芯片,电路如下图3-4所示:2

36、3 1 46578 INTEMPNCGNDOUTTRIMNCSELAGND +5AD780BN(ANAGND192416277151413121110965432128DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11DB12DB13VREFVDDAGNDAGNDDGNDVB2VA2VA1VB117182526U2VCCXDDXD1GDNDXD2XD3VCCXD4XD5GDNDXD6XD7XD8XD9GDNDXD10XD11VCCXD12XD13GDNDXD14XD15VCCVCCDB0DB1GDNDDB2DB3VCCDB4DB5GDNDDB6DB7DB8DB9GDN

37、DDB10DB11VCCDB12DB13GDNDDB14VCC AD7863SN74LVCHl6T2451DLR1B11B2GND1B31B4VCCB1B51B6GND1B71B82B12B2GND2B32B4VCCB2B52B6GND2B72B82DLR1OE1A11A2GND1A31A4VCCA1A51A6GND1A71A82A12A2GND2A32A4VCCA2A52A6GND2A72A82OEAOCONVSTCSRDBUSYU9图3-4 A/D转换原理图AD器件是采样环节至关重要的一个器件,它的性能决定对整个系统的性能和精度有重要影响。AD7863既可以使用内部参考电压,也可以使用外部

38、参考电压,一般来说,外部参考的准确度更高一些,能保证更高的A/D转换精度。本系统使用AD780BN产生外部参考电压,AD780BN有2.5V和3V两种输出电压,将SELECT引脚悬空即可输出2.5V参考电压。为降低AD7863对前级信号的影响,在信号进入AD7863之前用LF353N进行缓冲处理。AD7863的输出电压范围为05V,而DSP的数据引脚的耐压只有3.3V。为保证DSP的正常工作和器件的安全,需要对AD7863的输出信号进行电平转换。是由德州仪器公司生产的一款电平转换芯片,它能同时将16路信号进行转换,性能完全满足本系统的需要。图3-8是A/D转换的电路图。3.7系统硬件防干扰设计

39、为了保证介质损耗测量仪能在实际应用中可靠的工作,必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。抗干扰的措施主要是切断来自传输通道的干扰。本系统从设计、元件选择、制作、现场安装等各环节充分考虑了抗干扰问题,采用了各种硬件和软件抗干扰的方法,主要措施有:1.针对传感器方面:(1将传感器全部放置在封闭的铝合金外壳内,外壳厚度不小于3砌,并可靠接地,以屏蔽外部的电磁干扰。(2 传感器二次回路不按地。避免接地环流产生干扰以及地电位升高产生的共模干扰。(3传感器的引入线露在外面的部分使用金属蛇皮管可靠屏蔽,且屏蔽牢固接地。(4传感器输出端加过压保护器,保证在任何情况下,输出端的稳态电压幅值不超过10V,以防止因设备故

40、障流过短路电流时传感器输出危险过电压。2.信号电缆方面:(1采用双屏蔽电缆(在一般条件下亦可采用单屏蔽电缆,外屏蔽两端接地,以抑制差模干扰。(2电缆放入电缆沟内时尽量远离大功率电缆,以减小其周围的强电磁场对电缆芯线产生的电磁感应。(3提高传感器的输出电压,提高信噪比。4.硬件设备的抗干扰措施(1装置的外壳用导磁性能良好的铁磁材料制成,加强了对外部电磁干扰的屏蔽;(2模拟电路的地线与数字电路的地线分开,以避免两者之间的相互干扰;(3为了抑制串扰,即信号传输线在相邻导线上所产生的感应脉冲噪声,使信号线尽量贴近底板、印刷板上的信号线尽量靠近地线、信号线分散布线、强弱电应分开布线等:(4合理的系统电路

41、布局,印制板上的元器件按原理图顺序成直线排列,并力求电路安排紧凑、密集,以缩短引线、减小引线电感:(5多余输入端子的处理。在多路选通装置的设计中,AD7863有4个输入端,而仅仅用了其中2个,剩余的2个输入端应注意一定要接地。因为在数字电路中的多余输入端子如果悬空,将成为一根天线,接收辐射噪声;或通过漏电阻、寄生电容接收噪声,形成干扰。第四章 在线监测系统软件设计硬件确定之后,系统的测量功能和操作功能的实现,还必须依赖于软件的设计。本章主要讨论系统的软件设计,包括开发流程介绍、系统主程序设计、接收与发送子程序、采样子程序、数据处理子程序及通信协议的约定及设计4.4上位机流程设计上位机工作站程序

42、主要完成上位机对下位机的参数设置和远程控制、获取下位机的采样数据、完成对数据的分析及故障诊断以及诊断结果的显示、远程传输等功能。其工作流程如下:首先上位机通过RS485总线向监测终端发送采集指令,监测终端接到命令后对末屏泄露电流信号和基准电压信号进行同步采集,采集完成后进行简单处理,经过放大、滤波、A/D 转换后将数据通过RS485上传给上位机,上位机通过专家软件对采集到的数据进行处理分析,进而得到设备运行状态进行预知,提前知道设备安全隐患。如下图所示:RS485监测终端末屏电流监测终端末屏电流监测终端电压基准被测设备1被测设备n上位机图4-4 上位机监控流程设计图4.2下位机软件总体设计下位

43、机软件的设计是绝缘监测装置的核心,它由装置的硬件设计和需要完成的功能所决定。下位机软件结构一般包括主程序和采样中断程序,有的监测软件根据需要还安排有故障处理程序和通讯中断程序。在过去的软件设计中,由于下位机的CPU计算速度慢,使得很多复杂的算法和其他功能不能在下位机上实现,限制了分布式在线监测系统的发展。DSP芯片的引入为保护装置提供了一个强大的硬件平台,超高速的计算能力,大容量的存储空间,让下位机软件的设计受硬件的限制大大降低,监测软件的结构也有了很大的改进。很多新一代高性能的监测程序采用了基于逻辑图的软件设计思想,充分考虑程序的灵活性和开放性,尽量减少软件开发、维护的工作量。本系统的软件设

44、计模块性好,结构清晰,软件的开发、维护方便。由于采用模块化设计方法,软件开发的效率、质量和可维护性都大大提高。在程序设计完成后的维护成本也大大降低,由于各模块的相对独立和密封性,对某一功能模块进行维护和修改将不会影响到其他模块和整体软件功能。下位机软件带有自检功能,包括完成对EPROM、EEPROM、A/D转换、开出通道、NVRAM数据记录地址错误等的自检,这是保证装置正常运行的重要措施。如果自检发现异常,将进行相应的记录和操作。在线监测系统的下位机软件程序分为四个部分:主程序,通信模块,数据采集模块,数据处理模块。主程序通过中断调用的方式启动后三个模块,实现它们各自的功能,这样就可以完成从采

45、集数据、处理数据到数据传送等,一系列功能。下位机软件流程图如图4-1所示,开始系统初始化数据采集调用ADC 中断服务子程序,采集电流、电压信号数据处理,得到tan tan 存够?数据分析及数据诊断系统复位结束判断绝缘状态NYYNYN图4-1 主程序流程图4.3数据采集程序设计当从机接收到主机的命令要求进行数据采样时,从机响应命令,完成对电压、电流信号的同步整周期采样,一次采样中连续采样40个周波。而在进行采样之前,需对采样系统的参数进行一定的设置。整个工作过程是:首先设置A/D转换器的工作模式,设定采样周波数为40,再设定每周波采样点数为256(或128,设定DSP定时器计数值(即A/D采样周

46、期,由DSP触发A/D转换,DSP则不断查询转换是否完成,如果转换完成,则DSP读入A /D片内缓存中的数据。因而,A/D数据采样流程图如图4-2所示。程序开始初始化端口定时器设置的数据信息等采样点数完成?为主时钟发送采样计数器Fft分析处理及存储采样次数完成?为主时钟时发送采样结果通讯?采样命令该状态命令该采样结果命令该采样原始数据读中压频率采样计数器定时器中断入口采样延时到标志?允许同步时钟启动采样完成AD采样入口采样次数到标志?禁止同步时钟置采样完成标志完成YNNY YNN Y图4-2 AD采样流程图4.4数据处理程序设计采样结束后,主控程序需要调用HT计算子程序,计算出本次采样的两路模

47、拟信号(一相电压信号和电流信号的基波傅立时系数。由于计算时需要作大量的正弦和余弦运算,在计算基波傅立叶系数时,已经知道每周期采样256个点,则可以把这些三角函数值先计算出来,按照一定的顺序存放在DSP的程序存储器中,计算时从相应的位置读出来即可。计算时采用浮点数运算,一个浮点数由四个字节组成,该程序计算的结果是两路信号的基波傅立叶系数A和B,一共是四个浮点数。FFT计算程序流程图如图4.3所示。FFT计算程序A=0;B=0;K=0取出第K哥采样值从正余函数表存储单元入第k个值:cos(2k/256,sin(2kA=A+Xxcos9(2k/256B=B+Xsin(2k/256K=K+1K257?

48、 A=A/128 B=B/128结束Y N图4-3FFT计算程序第五章结论与展望电容型设备介质损耗错误!未找到引用源。是反映高压电气设备绝缘性能的一项重要指标,是介质损耗测量技术也是当今高电压绝缘与测试研究的重要内容之一,在工程上应用广泛。本论文在研究国内外介质损耗数字化测量方法的基础上,分析了传统谐波分析法测量介质损耗的基本原理及其存在的一些问题。通过对集中式系统和分布式系统优缺点的比较,采用了分布式系统,以主控计算机为核心,完成对下位机的控制和数据读取,软件和硬件抗干扰措施相互结合,试验证明,该方案控制灵活、补偿方便、可靠性高。展望:作为绝缘在线监测系统的重要组成部分之一,介质损耗在线监测

49、系统一定会随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息处理技术的不断进步,向着高精度、智能化、网络化的方向发展。在线故障诊断和分析的专家系统、人工神经网络作为下一步的研究方向,相信还有大量有意义的研究工作有待开展。致谢本文的研究工作是在导师毛惠丰老师的精心指导和悉心关怀下完成的,在我的学业和论文工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、积极向上的人生态度、平易近人的师长风范和无私的奉献精神使我深受启迪,并将永远铭记在心。从导师的身上,我不仅学到了扎实的专业知识和技能,更学到了做人的道理,做事的方法。在论文完成之际,要向各位老师致以最衷心的感谢!在此,再次向所有关心和帮助过我的老师、同学,家人和朋友表示由衷的谢意!感谢我的家人,正是他们的大力支持才使我