现代传感及电力系统在线监测：第2章-在线监测系统及其组成2

1、现代传感与电力系统在线监测2017年5月教师：湖南大学教师：湖南大学 何赟泽何赟泽第3章 在线监测系统及其组成系统的组成和分类系统的组成和分类传感器传感器信号处理系统（测量系统：放大、滤波）信号处理系统（测量系统：放大、滤波）数据采集系统数据采集系统数据处理（重点）数据处理（重点）故障诊断方法（重点）故障诊断方法（重点）抗干扰技术抗干扰技术第三节第三节 信号处理系统信号处理系统 经传感器出来的信号一般先经信号预处理、传输、信号处理部分再到A/D部分。因此，信号处理部分主要是对模拟信号进行处理，提高抗干扰能力和传送能力。第三节第三节 信号处理系统信号处理系统信号经过长距离传送会产生衰减和畸变，同

2、时在传输过程中还可能有干扰信号进入而降低信噪比，特别对于微弱信号，干扰影响更大。预处理单元可安排在数据采集之前，甚至和传感器安排在一起。一、信号预处理系统一、信号预处理系统预处理单元由放大倍数可调的程控放大器和抗干扰单元，如滤波器等构成，主要是对输入信号的电平作必要的调整和采取抑制干扰的措施以提高信噪比。第三节第三节 信号处理系统信号处理系统测量放大测量放大 对微小电信号，经高共模抑制比测量放大电路后，可提高抗干扰能力。常用精密测量放大器如AD524或3集成仪用放大器组成。滤波提高抗干扰能力滤波提高抗干扰能力 分低通、高通、带通、带阻和全通（用于改变电路负载特性）等。 对幅频特性要求较高时可采

3、用：二阶压控有源滤波器，如巴特沃斯滤波器 对相频特性要求较高时可采用：贝塞尔滤波一、信号预处理系统一、信号预处理系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统特殊抗干扰处理特殊抗干扰处理 根据需要。如局放监测中的差动平衡抗干扰技术，目的是抑制共模干扰。驱动驱动 信号要经长电缆传送，须经阻抗变换，提高驱动能力，常用电路为射极跟随器。若采用光传送信号，此时还需进行电光变换（发光二极管）一、信号预处理系统一、信号预处理系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统电信号传送电信号传送光纤信号传送光纤信号传送第三节第三节 信号处理系统信号处理系统二、信号转换及传输系

4、统二、信号转换及传输系统1 1、电信号传送、电信号传送电信号传送一般采用同轴射频电缆，实用中可采用多芯合一的方法增大直径，提高电缆的机械强度。为提高电信号传送的抗干扰能力，可采用光电隔离等抗干扰措施。第三节第三节 信号处理系统信号处理系统二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统光电耦合器光电耦合器 信号通过电光转换，以光信号传送到下一单元，经光电转换后恢复为电信号，光电耦合器在电路上相互绝缘，隔离电位可从数百伏至数千伏 输入阻抗一般仅几百欧，干扰源的内阻一般在兆欧以上，故能馈送到光电耦台器输入端的噪声很小； 整个耦合器是密封的，不受外界光的影响。 耦合器输入和输出端之间寄生电容很小，仅0.

5、52皮法而绝缘电阻为l012欧。故输出系统的干扰噪声很难通过藕合器反馈到输入系统。 光电耦合器本身的隔离效果和抗干扰能力是比较好的。特别适用于短距离信号的传送。第三节第三节 信号处理系统信号处理系统 采用光电隔离方式来隔离两个系统之间的干扰。采用光电隔离方式来隔离两个系统之间的干扰。 光信号的传送用光纤来完成，特别适用于远距离的信号传光信号的传送用光纤来完成，特别适用于远距离的信号传输，抗干扰能力强。光纤分单模和多模两种；输，抗干扰能力强。光纤分单模和多模两种； 光纤的耐压很高，光纤的耐压很高，1 1米光纤交流闪络电压大于米光纤交流闪络电压大于100kV100kV，可用，可用于隔离很高的电位。

6、于隔离很高的电位。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统2 2、光纤信号传送、光纤信号传送信号调制电光变换光纤传送光电变换信号解调第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输调幅式调制调幅式调制 由模拟信号直接对光载波进行光强度调制。 要求：光源的驱动电流与光功率输出二者之间有好的线性关系。 优点：线路简单、频带宽。 缺点：LED的温度特性会使光功率的输出随温度而变化，LED电源电压的变化以及LED的老化也会引起输出光功率的变化。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输调频式调制调频式调制

7、 先将电信号调制为振幅不变而频率随调制信号（经过预处理后的监测信号）的幅度而变化的调频波，再通过发光二极管的光/电转换成和调频电压波相同的光信号的调频波，然后输入光纤。通过光纤输出的光信号经光/电转换恢复为电信号的调频波，再经解调DM、放大和低通滤波后复原为预处理后的电信号，而后送住数据采集单元。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输调频式调制调频式调制 频率调制FM一般由压控振荡器或电压频率变换器来完成，解调DM一般选用锁相环或鉴频器和频率一电压变换器。 光源通常选用工作在红外线范围的波长0.85m左右的发光二极管；

8、光纤可选用阶跃型多模光纤；压控振荡器的中心频率比信号的最高频率应至少高十倍，中心频率必须保持稳定；光检测器(OE)可用PIN结构的光电二极管。 优点：当调频波的波形和振幅受到干扰，波形发生畸变时，只要其基波频率不变，则通过限幅线路的处理仍可获得好的解调效果。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输脉码调制脉码调制 将模拟信号通过模数转换器ADC转换为数字信号，再将数字信号转换为数字光信号后经光纤传送。 优点：可以长距离传送，抗干扰能力强，对信噪比的要求低，动态范围宽，准确度好。省去了调制、解调、滤波等诸多部件，使信号传输

9、系统大为简化，避免了由于调制器件的中心频率不稳定(例如受环境温度的影响)而引起信号失真等问题。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输光电器件的选择光电器件的选择 光源（电光变换）光源（电光变换） 发光二极管发光二极管LEDLED：发光功率不大，发散角大，出纤功率小。结构工艺简单，寿命长 线性度好。适宜于短波长、短距离、小容量的光纤信号传输。 激光二极管激光二极管LDLD：发光功率大、出纤功率大、耦合效率高，工作寿命短，适用于中、长距离和大、中容量的通信。 光检测器件（光电变换）光检测器件（光电变换） PINPIN型光电

10、二极管型光电二极管：输出功率小，线性关系好。 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)：输出功率大，内部有放大作用，易受温度、偏压的影响，适用于要求高灵敏度的场所二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输光电器件的选择光电器件的选择 光纤光纤 多模光纤多模光纤：纤芯直径较大(60微米)，适用于发散角大的LED光源，可保证较好的耦合效率，损耗大，带宽小，适合中容量、中、短距离的传输。 单模光纤单模光纤：纤径较小(3微米)，要求光源发散角小，带宽极大，适合于长距离、大容量传输。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系

11、统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统光电光纤信号传输光电光纤信号传输信号解调信号解调 根据调幅、调频调制方式分别确定相应的解调电路。 对于脉码调制方式，信号接收后即可进行数字信号处理。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统信号的多路复用信号的多路复用 频分复用频分复用：将多路信号调制成不同中心频率的调频波，而后进入合成单元、电光转换为合成的光信号，通过一路光纤系统传送到另一端，经光电转换为合成的电信号，通过带通滤波器分解为原来的多路调频波，再分别经解调、低通滤波复原为调制前的多路信号。复用路数越多则中心频率越高些，频分复用适用于模拟信号的传输 时

12、分复用时分复用：在不同时间上分别传送不同的信号，适用于数字信号(脉码调制方式)的传送，结构简单，传输时间较长。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统数据的传送数据的传送 并行传送并行传送：通过微机的并行接口传送。可同时传送多位数据，传送速度快。程序查询传送程序中断传送直接存储器存取传送(又称DMA方式) 串行传送串行传送：通过微机的RS232异步串行通讯端口传送，传输时间长。二、信号转换及传输系统二、信号转换及传输系统第三节第三节 信号处理系统信号处理系统 程控放大或衰减程控放大或衰减 对传送过来的信号进行自动放大或衰减，以满足计算机A/D转换幅值的

13、需要。可采用程控放大集成电路。 滤波滤波 对在传输过程中可能带来的干扰再次滤波。 信号变换信号变换 对信号进行方波变换或锁相倍频跟踪等特殊处理，以便进行A/D转换、数据处理。三、信号处理三、信号处理程控放大或衰减滤波信号变换A/D信号处理电路框图第四节第四节 数据采集系统数据采集系统数据采集系统的主要功能是将模拟信号数字化数据采集系统的主要功能是将模拟信号数字化数据存储多路转换采样保持A/D转换数据采集系统框图n模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或电路。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。n按切换的对象使用的元件：按切换的对象使用的元件：机械触点式机械触点式和和

14、电子式开关电子式开关 机械触点式：机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电电器等。器等。 电子式开关：电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。耦合器件及集成模拟开关等。开关元件控制电路第四节第四节 数据采集系统数据采集系统一、多路转换单元一、多路转换单元第四节第四节 数据采集系统数据采集系统一、多路转换单元一、多路转换单元多路转换器可对各单元信号进行切换。多路开关接通时，其导通电阻一般有几十几百欧姆。多路模拟开关的主要要求 多路开关接通时，要求其静态导通电阻无穷小 多路开关断开

15、时，要求开路静态电阻无穷大，即开关的漏电流越小越好 开关的切换速度越快越好第四节第四节 数据采集系统数据采集系统一、多路转换单元一、多路转换单元典型多路转换开关第四节第四节 数据采集系统数据采集系统二、采样保持电路二、采样保持电路采样保持器通常由保持电容、输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、模拟开关等组成采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态采样保持器可分为三类：通用型（如AD582、AD583）、高速型（如HTS0025、AD585采样时间3s）和高分辨率型（如DAC1138、SHAll44等）第四节第四节 数据采集系统数据采集系统二、采样保持电路二、采样保持电路反映采样保持器性能的主要

16、指标 孔径时间：从保持命令发出后，模式控制开关从由导通到完全断开所需的时间 采样时间，捕捉时间：采样命令发生后，采样保持电路由保持状态转到采样状态，保持电容上的电压由所保持的值到达输人信号的当前值所需的时间。 保持电压的衰减速率：在保持状态中，由于保持电容漏电流而使保持电压下降。第四节第四节 数据采集系统数据采集系统典型采样保持电路二、采样保持电路二、采样保持电路第四节第四节 数据采集系统数据采集系统三、三、A/DA/D转换器转换器A/D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量常用的转换方法：计数式、逐次逼近法和双积分法分辨率：A/D转换器能测量的最小模拟输入量转换速度（采样速度或采样率）：低速采

17、样如200kHz，高速采样如1O0MHz等；量化误差：等于1/2LSB，其大小也取决于ADC的位数。第四节第四节 数据采集系统数据采集系统三、三、A/DA/D转换器转换器逐次逼进式逐次逼进式A/D转换器转换器 比较器 D/A 转换器 逐次逼近 寄 存 器 逻辑控制 电 路 输出缓冲器 输出允许 转换结束 启动 时钟 U i U S D n - 1 D 0 第四节第四节 数据采集系统数据采集系统三、三、A/DA/D转换器转换器并行比较式并行比较式A/D转换器转换器 -1 +1 # N1 -1 +1 # -1 +1 # N2 N3 1 & 1 Ui d1 d0 3UR/4 UR/2 UR/

18、4 第四节第四节 数据采集系统数据采集系统三、三、A/DA/D转换器转换器1 1）分辨率：）分辨率： 指指A/DA/D转换器可转换成数字量的最小电压，是反映转换器可转换成数字量的最小电压，是反映A/DA/D转换器对最小模拟输入值的敏感度。转换器对最小模拟输入值的敏感度。2 2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。数字量输出的时间。3 3）量化和量化误差。）量化和量化误差。4 4）精度：）精度：5 5）线性度：当模拟量变化时，）线性度：当模拟量变化时，A/DA/D转换器输出的数字量按比例变转换器输出的数字量按

19、比例变化的程度化的程度6 6）量程：）量程：指能够转换的电压的范围：指能够转换的电压的范围：第四节第四节 数据采集系统数据采集系统典型模数转换器第五节第五节 数据处理数据处理数据处理是对监测信号进行分析的工作，更准确地获得反映设备（绝缘）状态的特征量去伪存真 通过处理抑制干扰信号，提高信噪比，以防止对故障作出“误报”或“漏报”，关键是要完善抗干扰措施。由表及里 对采集到的数据进行由表及里的分析处理，使之成为在线诊断设备故障的可靠判据，所能反映的信息更好地显示出来。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术干扰的分类平均技术逻辑判断软件开窗数字滤波技术第五节第五节

20、 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术1、干扰的分类、干扰的分类周期性干扰信号连续周期性干扰（广播、电力载波通信、高频保护信号、谐波、工频干扰）脉冲型周期性干扰（可控硅整流设备在可控硅开闭时产生的脉冲干扰信号、旋转电机电刷和滑环间的电弧等）脉冲型干扰（高压输电线的电晕放电，相邻电气设备内部放电，雷电，开关、继电器的断、合，电焊操作等无规律的随机性干扰）干扰不同特征和性质的干扰信号，需采取不同的措施抑制。监测系统安装在不同场合其干扰信号的构成也不同，需针对现场的具体情况采取综合性措施予以抑制。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术2、平

21、均技术、平均技术用软件即数据处理的方法抑制干扰，主要是随机性干扰。随机性噪声一般遵从正态分布，故将数据样本多次代数和相加并取其平均值，即可减弱随机性干扰影响而提高信噪比，若样本数为N，则信噪比的改善为 (因为样本均值的标准偏差为 是样本的标准偏差的 )。采用平均技术需确定采样率、每次采样样本的容量以及样本数，而这些采样值的采样周期必须是严格相同的。NN1N0100200300400500600700800900100000.20.40.60.801002003004005006007008009001000-50501002003004005006007008009001000-0.500.5

22、101002003004005006007008009001000-0.200.20.40.6被测信号被测信号随机噪声随机噪声平均次数平均次数100平均次数平均次数500第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术3、逻辑判断、逻辑判断 从逻辑推理上设定一些判据去判断测得的是真实信号还是干扰信号。例如监测过程中仅测得一次幅值很高的信号，那么该信号很可能是一个随机干扰信号，可在数据处理时舍弃。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术4、开窗、开窗 对一些已知的且相位固定的干扰可运用电子技术或软件方法对这些信号不予采集或显示或置零。

23、励磁变压器电流传感器原始信号 第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术数字滤波对数字信号按一定要求进行运算、处理，而后以数字形式输出。数字滤波是一个计算程序，运用软件的方法来抑制干扰，主要是连续的周期性干扰，可用于局部放电放电脉冲信号的监测中。可任意改变滤波阶数，中心频率和带宽。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术理想滤波器理想滤波器基本原理：对时域信号采用FFT频域化，在频域内将不合理的突出干扰谱去掉，再IFFT反变换即测得时域内去除干扰后的信号。时域信号FFT

24、变换频域信号去掉不合理谱线IFFT反变换得到滤波后波形理想滤波器流程第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术理想滤波器理想滤波器 放电信号为理想的狄拉克冲激函数，干扰信号为放电信号为理想的狄拉克冲激函数，干扰信号为纯正弦函数，两种信号呈负效应在时域混叠在一纯正弦函数，两种信号呈负效应在时域混叠在一起（起（a a）。）。 经快速傅里叶变换后经快速傅里叶变换后(FFT)(FFT)，在频域上局放信号，在频域上局放信号的频谱变成一条水平直线，包含所有的频率分量，的频谱变成一条水平直线，包含所有的频率分量，是是“均匀谱均匀谱”；而干扰信号则

25、是单一频率的冲激；而干扰信号则是单一频率的冲激函数，两者在频域叠加后干扰谱线突出于局放谱函数，两者在频域叠加后干扰谱线突出于局放谱线之上（线之上（b b）。）。 将干扰谱线去除（将干扰谱线去除（c c）。）。 经快遭傅里叶反变换经快遭傅里叶反变换(IFFT)(IFFT)回到时域则可看出干回到时域则可看出干扰信号已被消除，只剩下局部放电信号（扰信号已被消除，只剩下局部放电信号（d d）。）。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术理想滤波器理想滤波器时域信号波形经FFT变换后在频域的信号数字滤波后在频域的信号经数字滤波和IFFT后在

26、时域的信号波形5、数字滤波技术、数字滤波技术2D FFT 滤波器滤波器图像傅里叶变换：离散函数的傅里叶变换可以推广到二维的情形。5、数字滤波技术、数字滤波技术2D FFT 滤波器滤波器第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术自适应数字滤波器自适应数字滤波器 S为信号，n0为连续的周期性干扰，与信号不相关，故原始输入为S+n0。n1是来自同一干扰源通过不同传输途径得到的干扰信号，与n0相关，和S不相关。n1经自适应滤波器输出为yn。 自适应滤波器的作用在于使yn非常接近于n0，送入减法器后，系统的输出为： 若yn n0 ，则enS，

27、干扰完全消除。nnynSe0第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术自适应数字滤波器自适应数字滤波器实际中n1的求法 不可能有单独的干扰源参考输入n1，实际中只有含干扰的原始信号输入Sn0，由于S为脉冲信号，n0为周期信号，在Sn0中插入适当的固定时延，由于两者的脉冲信号互不相关，就能较方便地将Sn0中的脉冲衰减，得到周期性的n1。在一定数量的时延下（一定运算阶数），经自适应算法使（Sn0）n1yn n0，即使（Sn0）不断适应到n0，从而经减法运算可将周期性干扰消除。第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰

28、数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术自适应数字滤波器自适应数字滤波器最终滤波输出yn的求法根据式求en2的数学期望取即求得en在最小均方（LMS）意义上的最小值，得到最终的yn此时系统输出nnynSe0)(2022nnynESEeE)(minmin2022nnynESEeESen第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术自适应数字滤波器自适应数字滤波器自适应数字滤波流程图输入S+n0多阶时延信号MinE(En2）LMS算法W权值调整最终输出ynen+-第五节第五节 数据处理数据处理一、抗干扰数字处理技术一、抗干扰数字处理技术5、数字滤波技术、数字滤波技术自适应数字滤波器自适应数字滤波器自适应数字滤波器实例 LMS滤波器的输出为：滤波器的权系数为时变的，为：自适应数字滤波系统的输出为：10)()()(Miiinxnwny)(,),(),(110nwnwnwWMTnn