电气设备故障诊断概论课件：第7课 数据采集与处理

1、数据采集与处理Data sampling and processing课程的主要内容在线监测综述故障诊断概论电气故障分析传感技术 电磁兼容及抗干扰数据采集与处理故障报警原理 智能诊断方法 可靠性评估及维修策略 电力电缆电容型设备电力变压器实际应用在线监测系统基本结构及关键技术 背景知识在线监测的基本框架 当诊断系统与传感器之间的距离很远时，模拟数据的传输往往是一个很困难的课题。尤其当信号很有较宽的频率分量时，主要原因有二： 长距离传输线会受到各种干扰的影响，使信号质量恶化。 传感器与数据采集系统中放大器的接地点之间常常存在较强的共模干扰电压。传送存储处理显示数字信号的优点模拟信号数字信号数据采

2、集系统 7.1 数据采集系统 数据采集系统由采样-保持放大器、模拟多路转换器、基准电压、标准时钟、A/D转换器和数据RAM等构成。传感器放大器滤波器模拟多路通道采样/保持ADC标准时钟物理参数其他模拟通道 与计算机的发展历史一样，数字采集系统也经历了由电子管到晶体管再到集成电路的发展阶段。 最早的数据采集系统是50年代在波士顿展出的，设备重达68公斤，功率500W，转换时间约20s。 目前已有大量的A/D转化模块、采样卡以及数据采集系统销售。A/D转换器最高分辨力可达16位，ADC转换时间最快可达10ns以下。 数字采集系统的内部设计、制造和调整工作都由采集系统的开发商负责。用户只需选择、测试

3、、组装和进行外部简单的调试，而不必了解转换器的内部细节。 在选择或构建数据采集系统时，用户需要明确系统组件或模块的技术特性，以及不同功能电路相联时的相互作用，以便正确评估数据采集系统的精度和速度以及存储容量是否满足测量的需要。应主要考虑以下几个方面： 分辨率和精度；拟监控的信号通道数；通道带宽；采样速率；数据存储容量；成本因素。A/D转换器积分型逐次比较型并行比较型将输入电压信号转换成脉冲宽度或频率，然后由计数器获得其数值。从最高有效位，将输入电压与内置D-A转换器的输出依次进行比较。采用2n个比较器，仅作一次比较即可实现n位转换，又称flash型。 A/D转换器是数据采集系统的核心，由A/D

4、转换器将模拟信号转换成数字信号并存入存储器 。 A/D转换包括两个基本过程：采样 在等间隔时间点上抽取连续模拟信号相应的瞬时值，使模拟信号变成时间上离散的信号。（在时间上量化） 7.1.1 采样和量化量化 用一组数码逼近采样信号，使采样信号变成幅值上离散的数字信号。 （在幅值上量化） 对应着我们在使用采样卡时，所最为关心的两项技术指标：采样率和采样卡的位数。采样过程和采样定理Kf(t)f*(nT)f(t)f*(nT)(t-nT)模拟信号数字信号单位采样脉冲（Unit Sample)相应采样信号 采样的目的是希望由采样后的数字信号能够正确反映原始信号。那么需要满足什么条件由采样后的数字信号才能不

5、失真地恢复原始信号呢？采样定理：如果f(t)是一个有限带宽信号，在| M时，X(j)=0。如果s 2M，其中s=2/T，那么f(t)就唯一地由其采样样本f(nT)，n=0,+1,+2,所确定。 采样定律要求，采样频率必须大于2M，该频率2M又称为奈奎斯特频率。 采样定理只是从原则上提出了采样周期的上限值，而没有给出解决实际测量问题的具体方法。信号的最高频率 奈奎斯特频率应理解为包括噪声在内的最高频率，而不是有用信号的最高频率。采样定理在对有限带宽信号应用才是正确的，否则将产生频率混叠现象。根据采样定理，利用大于信号最高频率2倍以上的频率进行采样，就可以无失真地恢复出原信号。但考虑信号恢复滤波器

6、的截至特性不可能是理想的，所以实际采样时应取信号最高频率的35倍。在采样定理应用中必须注意的问题量化过程与量化误差 模拟信号可能是任意实数值，如果用数字量精确表示其幅值，则可能需要无限多数字位。然而任何一个实际的数字系统都只有有限的字长。 拥有限字长的数字量去逼近信号幅值的过程即为信号量化过程。=和 表示舍零取整的过程。 实现A/D转换的基本思想是以某一参考量R为单位去度量模拟信号A，从而得到数字量D。这一过程可表示为 由于采集系统只能读取有限位数的数字量。 A/D转换结果所得的数字量D只是A/R的一个近似值，近似程度取决于参考量R的大小。这一量化过程中取整舍零所产生的误差称为量化误差，是A/

7、D转化的原理性误差。 天平原理最常用的量化逼近方式有截断和舍入两种方式。截断舍其不足一个单位间隔的幅值。射入即采用四舍五入的取整方案。 量化误差是量化方式和最小量化单位的函数，一个满度输出数字为n位二进制码的模数转换器，可把一个幅值等于转换器满额度模拟输入范围(FSR)划分成2n个相等的量化区间(单位)。模数转换输出数字的最低有效位1 LSB =1/2n FSR 设输入信号f(x)的平方均值为 ,则截断量化信噪比为截断量化 (1)舍入量化 (2) 量化信噪比是实际测试中选择A/D转换器的主要依据，知道输入信号的范围、所选量化方式以及系统要求的信噪比指标，即可由公式1和公式2求出所需转换器的位数

8、n。从信号功率/噪声比的角度，舍入量化优于截断量化。 7.1.2 A/D 转换器的静态性能分析 A/D转换器的静态特性是指它的实际量化特性。理想A/D转换器量化特性仅有其量化方式、输出位数和编码方式决定。 A/D转换器的实际特性与理想特性之间存在相当的偏差，原因包括：失调误差；增益误差；线性和微分线性误差；温度、时间和电源变化引起的误差。1. 量化误差和分辨率 A/D转换就是将模拟量转换成n位的数字量。理想情况下模拟量的值应等于数字量的值。0FS0001111LSBMSB模拟输入数字输出0由于数字输出的最小变化量为1LSB。小于1LSB的量无法转换，此1LSB的大小就是A/D转换的分辨率。 由

9、于1LSB是由数字输出的位数n决定的。因此分辨率一般用位数（bit）表示。1 LSB =1/2n FS 在理想转换的情况下，各测量台阶中央处数值应与模拟信号幅值完全相等，而在台阶两端会产生最大+1/2LSB的误差。此误差是用离散量表示连续量必然产生的，称为量化误差。 可见，分辨率越高，量化误差则越小。2. 转换精度 除量化误差外，其他误差是由实际元件特性不理想造成的。 一般将这些误差分为三类偏移误差增益误差非线性0FS000111模拟输入数字输出偏移误差理想曲线非线性误差增益误差 分辨率即使很高，如果器件特性不理想，这些误差也会很大。 在n位A/D转换器中，如果偏移误差、增益误差和非线性加起来

10、的总误差小于+1/2LSB，同时考虑量化误差+1/2LSB，则在转换的全量程内，转换器的综合误差 +1LSB，即n位数字均有效。 三项误差总和在+1/2LSB以内时，也称该转换器具有n位精度。无调整综合误差 在无调整综合误差中只有非线性是无法校正的，因此它成为A/D转换器中的固有误差，因此当非线性小于+1/2LSB时也称该转换器为n位线性的。非线性（相对精度） 相对精度是将零点和满标度误差校正为0后测得的转换曲线和理想直线的最大距离。（微分非线性） 微分非线性是实际测量的模拟台阶量大小与1LSB的差。表示A/D转换器的局部非线性。模拟输入数字输出1LSB模拟输入数字输出LSB(a) 微分非线性

11、(b) 单调性 当微分非线性为+1LSB以上时，就有可能使模拟量台阶为0或负值，从而产生错码或出现非单调情况。为保证单调性和无错码，微分非线性必须在+1LSB以内。单调性是指整个输入范围内，当输入增加时输出也保持增加。无错码是指整个输入范围内，不存在无法输出的码。偏移误差（零点误差） 对于单极性范围的A/D转换器是整个标度范围零刻度点的误差，一般用%满标度或LSB表示。（双极性中刻度误差） 对于双极性的A/D转换器的满标度中点即为零点，因此中刻度误差即相当于单极性的零点误差。（满标度误差） 是满标度范围的误差。一般用%满标度或LSB表示。 对于双极性范围的A/D转换器，当考虑整个标度范围（负满

12、标度-正满标度）的误差时，应将正满标度误差和负满标度误差分别考虑。增益误差 7.1.3 A/D 转换器的动态性能分析转换速率；转换精度；通道带宽触发特性。1. 转换速率转换时间 是A/D转换器从转换开始到输出值稳定为止的时间，一般用时间（s或ns）单位表示，又称转换周期。 对于完整的数据采集系统来说，还应包括采样保持电路和多路转换延迟的时间。采样率 表示A/D转换器在单位时间内读进模拟值的次数。一般情况下，转换周期的倒数即为最高采样率。2. 转换精度（动态特性）动态范围 是A/D转换器能处理的最小信号与最大信号之比，一般用dB表示。通道间串扰 在多通道A/D转换器中，某通道输入模拟电压对其他通

13、道数字输出的影响，一般用% 或dB表示。信噪比 表示输出端满标度正弦波与Nyquist频率以下所有噪声成分之和（平方和的平方根）的比率，此噪声包括了量化误差，一般用% 或dB表示。总谐波失真 表示输出的所有高次谐波成分之和（平方和的平方根）相对于输入信号基本频率成分的比率，用% 或dB表示。3. 通道带宽、采集系统的存储深度和多路转换存储深度一次采集所能存储的数据量，即采集系统数字RAM的存储容量，一般以字节数（byte）为单位。它反映了采集系统对信号波形的存储能力。采样通道带宽采集系统模拟通道的带宽，通常是指模拟通道的上限频率值（即-3dB增益带宽）。它决定了采集所能测量的最高信号频率，使数

14、据采集系统的关键指标。多路转换 当同时需要采集多个信号时，通常是采用多路转换实现的。(1) 共用采样/保持电路、ADC的多通道采集放大器滤波器模拟多路器采样/保持ADC标准时钟其他模拟通道模拟信号1模拟信号2模拟信号n(2) 公用ADC的多通道采集模拟多路器采样/保持缓冲器标准时钟模拟信号1模拟信号2模拟信号nADC采样/保持采样/保持采保电路需较长时间精确保持采样值，以免积累过量误差。(3) 各通道独立转换的采集系统采样/保持数据总线模拟信号1模拟信号2模拟信号nADC采样/保持采样/保持ADCADC缓冲器缓冲器缓冲器速度快、抗干扰能力强，成本高。 6.2 数据传送与管理 经数据采集系统获得

15、的数字信号通常不仅需要显示，还要发布给网络用户，并统一保存到相应服务器的数据库系统中，以便对测量数据进行管理和检索。 现场监测者专责工程师地区负责人数据使用人员远程专家 数据采集模块原始信号数据仓库控制模块数据传递数据透视表服务数据访问外部服务器管理模块控制服务器 广域网(Internet)或者建立在专线上的Intranet 电厂局域网(TCP/IP) 用户终端 局域网服务器 备份应用系统 用户终端 用户终端 路由器 机组稳定性状态监测子系统 发电机局部放电监测子系统 发电机运行状态监测子系统 状态服务器 Database和Web 远程用户终端 其他 服务器 路由器 数据中心服务器 中试所局域

16、网 远程用户终端 远程用户终端 远程用户终端 频繁地存储原始数据不仅占用了相当的网络带宽，也会给状态服务器的存储空间带来较大的压力。以一个具有16路监测量的监测系统为例，如果每通道存储深度为8M样点（16 Mbyte）,每一小时所有测量点巡检一次，则一天的数据量为6144Mbyte，这样80G的硬盘，两个星期就存满了。 而且，从绝缘监测任务的性质来看，保存这些数据并没有太大的意义，毕竟绝缘老化过程是一个相当长期的过程。因此，在数据库中，也不需要保存这些数据。 数据存储策略 所以，在数据采集后通常是在本地机上进行数据处理，经数据压缩和特征提取后，将能够反映绝缘状态的特征量进一步上传和保存。 近期

17、数据：通常规定对近期数据完全保存，采用循环耍新的方法，实现故障过程追忆。长时数据：经数据压缩和特征提取后，仅保存能够反映设备状态的特征量，以实现对故障发展趋势的掌握。 6.3 数据处理 由于环境噪声的污染，通过数据采集环节得到的数据虽然经过了初步的放大、滤波处理，但仍然含有大量的噪声信号，因此对数据进行分析、处理成了在线监测系统的另一个重要任务。处理后的信号原始信号降噪（干扰抑制）特征提取数据显示数据压缩 通过数据处理环节，可以滤除各种干扰，提高信号的信噪比并提取信号的特征量，由于用户不可能对大量数据逐一浏览，因此还需要对数据采取不同的表现形式，以更加直观的形式帮助用户作出定性和定量的判断。数

18、据处理 7.3.1 干扰抑制频域法时域法多通带滤波谱线删除法自适应滤波脉冲分类法小波滤波一、现场干扰环境调查表1 变电站载波通讯频带注：载波通讯均为相对地工作方式线路相接收频率 /kHz发送频率 /kHz线路A500 kVC184188188192C88929296A112116116120线路B500 kVC320324336340A304308300304C396400388392A252256256260线路C220 kV292296276280104108152156线路D220 kV380384484488412416452456表2 地环噪声信号各频段干扰功率比重频段 /kHz功率

19、比重(PR, %)备注频段 /kHz功率比重(PR, %)备注10850.3宽带干扰3173473.4线路B88980.1线路A3733964.8线路B线路D1001100.1线路C40342780.3线路D1101251.5线路A7307471.5广播通讯1801984.2线路A9729910.2广播通讯2492660.8线路B115711770.1广播通讯2683102.8线路B线路C 二、频域滤波 干扰分析表明，电力现场的窄带干扰具有强度大、分布固定的特点，因此关键是如何选择最佳监测频带，以躲开固定分布的窄带干扰。 频域滤波处理的一般方法：G()=H()F()f(t)F()G()g(t)

20、变换乘H(u,v)反变换因此，频域滤波处理的关键是选取合适的滤波器函数 H() !可实现的典型滤波函数巴特沃兹逼近(与切比雪夫逼近)滤波器特性取决于系数 a , b取决于分母多项式的阶次 nn 与元器件的数目有关一、巴特沃兹逼近(Butterworth)通带内最平坦滤波器二、切比雪夫逼近(Chebyshev)通带等起伏（等纹波）特性滤波器纹波系数n=4n=5(a) N = 65 (b) N = 115不同阶次低通滤波器的特性响应 不同过渡带宽对滤波器幅频特性的影响(a) 过渡带宽为0.01* (b) 过渡带宽为0.04*现场干扰的处理效果(a) 原始信号 (b) 滤波后信号 经过滤波处理后，信

21、号中的直流分量被消除，强脉冲放电信号得到更清晰的突显，原来被淹没的一些小的脉冲放电也由于干扰的滤除而突显出来。 信噪比提高了近20dB。 三、时域干扰抑制法 脉冲干扰抑制的前提是脉冲识别，目的在于判断脉冲是否存在、脉冲持续时间和相应的起点与终点，以便较准确地确定脉冲相位和波形。 目前脉冲识别多采用阈值识别法，即在时域设定阈值，当信号高于该阈值时，则判断脉冲存在。而现场测量的脉冲多是衰减振荡波，这样做很容易将高于阈值的一个振荡脉冲看作多个脉冲，且不能确定脉冲持续时间。 1. 脉冲分类法 利用脉冲幅值阈值和脉冲波形特征进行逻辑判断以识别振荡脉冲。幅值阈值用于判断脉冲存在与否，根据脉冲波形分辨脉冲的起点和终点。 在这里定义第一个过阈值的脉冲半波起点（幅值过零点）作为脉冲起点，最后一个过阈值的半波终点（幅值过零点）作为脉冲终点。 时间 (t)幅度 (At) 振荡脉冲识别原理图前半波终点为脉冲终点没有新的脉冲脉冲识别结束该半波与前半波是否属于同一脉冲脉冲识别开始设定幅值阈值Am、比较阈值m1、m2有无过阈值半波该半波起点为新脉冲起点跳过该半波有无过阈值半波有有无无否是脉冲识别流程图 将脉冲分离后，既可根据脉冲信号在工频周期中的相位，以及不同测量点和测量方法的相互对应情况，来判断脉冲信