1、摘要20世紀60年代以來,隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展,數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執(zhí)行轉換或提取信息,來處理現(xiàn)實信號的方法,這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里,數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。由于現(xiàn)代國民經濟對電力供應的依賴性日益增大,停電事故造成的后果和損失越來越嚴重。在線監(jiān)測高壓電容型設備的介質損耗角(簡稱介損 可以有效的判斷設備的絕緣狀況。為了提高電力系統(tǒng)高壓電氣設備監(jiān)測的安全性、可靠性及信息化指標,研究了一種基于DPS芯片的新型高壓電容型設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)。可以實時掌握設備運行狀態(tài)。系統(tǒng)采用絕對比較法來測

2、量介損,并采用RS485通訊模式實現(xiàn)遠程控制和數據傳輸。監(jiān)測終端將采集到的數據進行放大、濾波、模數轉換后通過RS485傳輸到主機,最后由專家軟件對設備的絕緣性能進行判斷。試驗結果表明,該系統(tǒng)介損測量的可信度、精確度和穩(wěn)定度比傳統(tǒng)儀器有很大提高,具有較大的使用和推廣價值。關鍵詞: DPS芯片介質損耗角在線監(jiān)測絕對比較法 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目錄摘要 (1ABSTRACT (1第一章緒論 (41.1電容型設備絕緣在線監(jiān)測的研究現(xiàn)狀 (41.2容性介質損耗在線監(jiān)測的發(fā)

9、展趨勢 (41.3電容型設備介損測量的意義 (51.4本論文的內容 (5第二章介質損耗在線監(jiān)測原理 (82.1電容型設備介質損耗的定義 (82.2 介質損耗在線監(jiān)測的方法 (82.3影響介損在線監(jiān)測結果的因素 (10第三章在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計 (143.1系統(tǒng)的總體結構設計 (143.2 DSP芯片分類與選擇 (143.3 傳感器設計 (163.4放大電路設計 (173.5濾波電路設計 (183.6 A/D轉換電路設計 (183.7系統(tǒng)硬件防干擾設計 (20第四章在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計 (224.4上位機流程設計 (224.2下位機軟件總體設計 (234.3數據采集程序設計 (254.4數據處理

10、程序設計 (26第五章結論與展望 (27致謝 (27參考文獻 (28第一章緒論1.1電容型設備絕緣在線監(jiān)測的研究現(xiàn)狀電容型設備絕緣在線監(jiān)測是電力系統(tǒng)中開展較早的項目之一,國外在這方面的研究始于六十年代初期,但直到70-80年代,隨著傳感、計算機、光纖等高新技術的發(fā)展與引用,絕緣在線監(jiān)測技術才真正得到迅速發(fā)展。美國、加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國陸續(xù)研制了油中溶解氣體,變壓器、發(fā)電機、氣體絕緣封閉組合電器(GIs等的局部放電,電容型絕緣的介質損耗因數等特性,交鏈聚乙烯電纜的泄漏電流等在線監(jiān)測系統(tǒng)。我國對在線監(jiān)測技術的重要性也早有認識,早在60年代就提出過帶電試驗的方法,但由于操作復雜,測量結果分散性大

11、,沒有得到推廣。80年代以來,隨著高新技術的發(fā)展與引用,我國的絕緣在線監(jiān)測技術也得到了迅猛發(fā)展。電容型設備絕緣在線監(jiān)測方法是由離線測試方法演變而來的,如早期普遍采用的帶電測量介質損耗和電容的西林電橋(1法便沿用了傳統(tǒng)停電測試中測量介質損耗的Qs1(2型高壓西林電橋的測量原理。但由于必須另配更高耐壓的高壓標準電容器、并對原有電橋進行改造等原因,難以在實際應用中推廣。隨著研究的進一步深入,電容型設備絕緣在線監(jiān)測技術已發(fā)展到了一個新的水平。目前,電容型設備介質損耗角在線監(jiān)測方法主要集中在如何獲取數字化測量信號即采用何種信號處理方法,由于對這些數字信號處理和分析等方面的不同而形成了兩大分支:一是主要靠

12、“硬件”實現(xiàn)的檢測方法。二是主要靠“軟件”實現(xiàn)的檢測方法。通過上述方法,使絕緣子介損在線監(jiān)測成為可能。1.2容性介質損耗在線監(jiān)測的發(fā)展趨勢電容型設備絕緣在線監(jiān)測技術目前的技術水平還不夠理想,但出于客觀需要,絕緣在線監(jiān)測技術還將不斷發(fā)展完善。今后該技術的發(fā)展趨勢為:(1不斷提高絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度、準確度和可靠性;(2對電氣設備進行多功能的綜合監(jiān)測和診斷,即能同時反映設備絕緣狀況的多個特征參數;(3加強基礎理論研究,通過大量實驗來分析各種影響因素(如溫度、濕度、諧波等對試品介質損耗的影響,從機理上來解釋試品特征參數變化的原應。(4大量積累運行經驗,盡可能地收集在線信息,從中尋找新的適合于在線

13、處理的故障征兆與診斷判據,為更全面、準確地進行故障診斷創(chuàng)造條件。(5在不斷積累監(jiān)測數據和診斷經驗的基礎上,發(fā)展人工智能技術,建立完整的故障診斷專家系統(tǒng),真正實現(xiàn)絕緣診斷的自動化。1.3電容型設備介損測量的意義由于傳統(tǒng)的對電力設備絕緣可靠性的評價是通過預防性試驗來完成的,存在很大的弊端。并且不能及時了解設備的運行狀況,容性設備介質損耗在線監(jiān)測技術的成功,使對設備實時監(jiān)測成為可能,容性設備介質損耗在線監(jiān)測技術對電力工業(yè)的發(fā)展具有重大意義,歸納起來主要有:(1能夠及時反映電力設備絕緣狀況,從而發(fā)現(xiàn)電力設備運行中的缺陷,提高整個電力系統(tǒng)供電的可靠性。(2減少設備停電維護和維修的盲目性,減小維護和維修的

14、費用,降低了供電成本,提高電力系統(tǒng)經濟效益。(3在線監(jiān)測設備接線狀態(tài)固定,避免了大量停電操作和高空拆裝引線、臨時布置試驗場地等帶來的不安全因數,避免了繁重勞動,減少了試驗現(xiàn)場人員,提高了工作效率,增加了人身安全性。1.4本論文的工作。本文主要對變電站容性設備介質損耗在線監(jiān)測進行設計,以便實時獲取設備在線運行狀態(tài)信息。論文主要設計的內容有:1. 介紹了介質損耗在線監(jiān)測的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和意義。2. 闡述了介質損耗角在線監(jiān)測的原理,具體分析了絕對比較法和諧波分析法的原理3. 分析了一些對介質損耗在線監(jiān)測的影響因素,如,環(huán)境溫濕度,諧波,噪聲,相間等4. 對介質損耗在線監(jiān)測進行軟硬件設計。第二章介質損

15、耗在線監(jiān)測原理2.1電容型設備介質損耗的定義在交流電壓作用下電容型設備的絕緣特性如下圖所示。流過介質的電流錯誤!未找到引用源。,可看成無功電容電流分量錯誤!未找到引用源。和有功電流分量錯誤!未找到引用源。兩部分,通常錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。 。介質的損耗由于機理不同,可分為漏導損耗、極化損耗和局部放電三種基本形式。電氣設備絕緣由電介質構成,在電壓作用下有能量損耗。電介質的能量損耗包括電導損耗和極化損耗,簡稱介質損耗,損耗功率如公式(2-1所示錯誤!未找到引用源。 (2-1u ?=?r+?c ?r ?c ?U P QS 圖2-1 介質在交流電壓作用時的電流相量圖及功率三角形2.2

16、 介質損耗在線監(jiān)測的方法電容型設備在線測量方法主要有絕對比較法和相對比較法,電容型設備在線監(jiān)測目前普遍采用的是絕對比較法。絕對比較法是利用電壓互感器(TV 二次側電壓信號作為基準信號,與測得設備末屏電流信號進行相位求差,所得的角即是介質損耗角,進而可以求出設備絕緣性能。測試方法接線如下圖(2-2所示,在被試品錯誤!未找到引用源。的地線側接入電流傳感器,經處理電路得到被測電流錯誤!未找到引用源。的幅值及相位,同樣測得反映母線電壓錯誤!未找到引用源。的錯誤!未找到引用源。,如果忽略互感器的角差,錯誤!未找到引用源。應和錯誤!未找到引用源。同相位,因此錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的相位

17、差即為功率因素角錯誤!未找到引用源。,錯誤!未找到引用源。的余角即為介質損耗角錯誤!未找到引用源。 在線監(jiān)測系統(tǒng)1 2tan C1C2Ux??1?221 圖(2-2 絕對測量法原理圖及向量圖諧波分析法是通過測量模擬電壓和電流信號,再將獲得的模擬信號轉化為數字信號,采用數字頻譜分析的方法求出這兩個信號的基波分量的幅值,從而通過對基波的相位比較求介質損耗因數錯誤!未找到引用源。值的方法。實際上是利用滿足狄里赫利(Dirichlet條件的電壓U 與電流I 進行傅立葉級數分解,其表達式為:錯誤!未找到引用源。 (2-2錯誤!未找到引用源。 (2-3式中,錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。分別為

18、電壓、電流的直流分量;錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。分別為電壓、電流的各次諧波的幅值;錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。分別為電壓、電流的各次諧波相角(k=1,2,3.。在諧波分析法中只需要提取電壓、電流中的基波分量,由三角函數的正交性可以得出:錯誤!未找到引用源。 (2-4錯誤!未找到引用源。 (2-5錯誤!未找到引用源。 (2-6錯誤!未找到引用源。 (2-7 式中,錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。屆分別為電壓、電流的基波相角。根據介質損耗因數的定義,介質損耗角的正切值為:錯誤!未找到引用源。-錯誤!未找到引用源。(2-8將式(2-3至式(2-6代入式上式可得

19、:錯誤!未找到引用源。(2-9這樣錯誤!未找到引用源。的值便可順利求得。在準確獲得電壓和電流信號的條件下,通過諧波分析法就可以準確求出錯誤!未找到引用源。,錯誤!未找到引用源。,錯誤!未找到引用源。,錯誤!未找到引用源。.并精確的得到錯誤!未找到引用源。的值。但是在實際測量中,電網頻率的波動會造成非同步采樣,產生譜泄露和柵欄效應,影響計算錯誤!未找到引用源。值的準確性和有效性。2.3影響介損在線監(jiān)測結果的因素電容型試品介質損耗角的帶電檢測中,測量信號的獲取包括被測電流信號的采集和基準電壓信號的獲取。由于電流傳感器(一般采用小電流芯式電流互感器一次側電流只有幾十毫安,為了將被測電流信號轉化為可由

20、A/D轉換器分辨的電壓信號,提高信號的信噪比,必須引入放大環(huán)節(jié),然而引入放大環(huán)節(jié)后(無論是有源或是無源,就必然會對信號產生一定的相移,不可避免地存在角差。另外,電流傳感器本身一、二次電流變換后也會引入一定的相位誤差(雖然可采用零磁通技術,理論上認為不會有相移,但實際上還是有不能忽略的誤差。一般正規(guī)廠家生產的電流傳感器在出廠之前都會對角差進行標定,并標示于銘牌上,這為后續(xù)的數字處理工作提供了方便。電力系統(tǒng)屬于三相系統(tǒng),現(xiàn)場中三相設備一般成一直線布置,相間存在電容耦合。因此當在線監(jiān)測A,B,C三相高壓電容型試品時,相間的耦合電容電流會對被測設備的介質損耗因數、阻性電流等產生顯著影響。這是因為在測量

21、時,與被測電容型設備的外施電壓相差90相角的容性電流往往是主要的,而阻性電流只占很小的部分。雖然由相間的電容耦合形成的干擾電流本身不大,但是它和容性電流不同相,這樣只要干擾電流影響到阻性電流的大小,就會影響到流過被測設備的電流的大小和相位,從而影響到介質損失角的大小,使得介質損失角A 相偏大,B相基本不變,C相偏小。相間干擾的嚴重性取決于試品主電流大小,如果主電流遠遠大于相間干擾電流,可忽略相間干擾的影響;否則,必須考慮相間干擾的影響。對于電容型設備來說,從末屏得到的電流信號一般都在毫安級,而相間干擾電流只有微安級,因此可以忽略其影響。而且在故障診斷時采用相對比較法,可認為在同樣條件下運行電壓

22、對同相別設備的影響一致,相間和相鄰設備的影響固定,通過差分和相減后,相對比較剔除了同類設備中存在的同類型干擾,也可避免相間干擾的影響。電網中諧波主要是27次諧波,各次諧波之間的比例為40%、25%、15%、10%、6%、4%。一般來說電容性的錯誤!未找到引用源。值都很小,測量精度要求高,這樣諧波頻率、諧波波形畸變率、諧波初相角等因素對絕緣監(jiān)測影響很大,從而產生測量誤差。因此,可以考慮通過低通濾波濾除高次諧波,將電力系統(tǒng)常有的三次諧波含量限制在1.0%以內,由于濾波器對更高次諧波的抑制力更強,再加上電源中高次諧波的含量低,所以很容易將五次、七次諧波限制在0.3%和0.1%以內,此時諧波對介質損耗

23、因數測量的影響可以忽略不計。而當采用諧波分析法時,介質損耗因數錯誤!未找到引用源。不受諧波含量的影響在介質損耗監(jiān)測中,一般認為在短時間內測得的電壓,電流信號都可以作為平穩(wěn)信號。根據數字信號處理理論可知,只要能夠按照被采樣信號周期整數倍長度進行采樣,即整周期采樣,采用離散傅立葉變換(DFT進行頻譜分析,頻域不會發(fā)生泄漏,就可以實現(xiàn)對信號頻譜的準確分析,獲得信號各次諧波的幅值和相位。否則就會因為柵欄效應和泄漏效應,給計算的頻譜尤其是給相位帶來較大的誤差,影響測量精度。在運行現(xiàn)場,實際的電網頻率通常在49.850.2Hz范圍內波動,某些情況下可能達到49.550.5Hz,整周期采樣的條件很難滿足,如

24、果采用諧波分析法,則頻率的波動也是影響介質損耗因素測量準確度的一個重要因數。電容型裝置長時間安裝在變電站的工作現(xiàn)場,老化、污穢、受潮等因素都會影響到裝置的性能。由于被測設備周圍環(huán)境溫度、濕度每天都有周期性的變化,而絕緣材料的介質損耗因數與其本身的溫度有關,污穢、環(huán)境濕度則會影響設備表面的電場分布,從而濕度、溫度等外界環(huán)境因素的變化將對介質損耗角的在線檢測結果產生很大的影響。而實際測量的介質損耗因數變化趨勢和溫度變化一致,在做絕緣診斷時,采用相對比較法,應用相對值可以顯著減少溫度、濕度的影響。因此單次的測量結果很難反映錯誤!未找到引用源。的真實值,不能簡單地根據它判斷設備的絕緣狀況是否良好。如何

25、克服環(huán)境因素的影響,迄今為止還是一個較難解決的問題。第三章在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計本文是基于DSP芯片實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。DSP(digital signal processor是一種獨特的微處理器,是以數字信號來處理大量信息的器件。對元件值的容限不敏感,受溫度、環(huán)境等外部因素影響小,容易實現(xiàn)集成,可以分時復用,共享處理器,方便調整處理器的系數實現(xiàn)自適應濾波,可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能:線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等,可用于頻率非常低的信號。3.1系統(tǒng)的總體結構設計在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器,放大電路,濾波電路,A/D轉化電路和數據處理幾個模塊組成,如下圖(3-1所示:電氣設備傳感器放大電

26、路濾波A/D轉換數據處理電壓電流圖3-1 系統(tǒng)結構泄露電流信號經傳感器被感知,從而實現(xiàn)設備的監(jiān)測的目的。由于傳感器所測得的信號很小,基本都是微安到毫安級別的,所以必須通過放大器對測得信號進行放大,以使接下來的模塊能對其進行處理。在采集進來的信號中,由于電壓電流信號不可避免地受到外界電磁的干擾,有必要對信號進行濾波,以提高測量結果的穩(wěn)定性和準確性。經濾波電路后信號由A/D轉化電路將模擬信號轉換為數字信號,然后通過DSP單元進行處理得到錯誤!未找到引用源。3.2 DSP芯片分類與選擇DSP運算的基本類型是乘法和累加(MAC運算,對于卷積、相關、濾波和FFT 基本上都是這一類運算。這樣的運算可以用通

27、用機來完成,但受到其成本和結構的限制不可能有很高的實時處理能力。DSP運算的特點是尋址操作。數據尋址范圍大,結構復雜但很有規(guī)律。例如FFT運算,它的蝶形運算相關節(jié)點從相鄰兩點直至跨越N/2間隔的地址范圍,每次變更都很有規(guī)律,級間按一定規(guī)律排列,雖然要運算log2N遍,但每級的地址都可以預測,也就是尋址操作很有規(guī)律而且可以預測。這就不同于一般的通用機,在通用機中對數據庫的操作,具有很大的隨機性,這種隨機尋址方式不是信號處理器的強項。無論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結構考慮上都能適應DSP運算的這些特點。而專用芯片在結構上考慮的更加專業(yè)化,更為合理,因而有更高的運算速度。DSP芯片按用途或

28、構成分類可以分為下列幾種類型:為不同算法而專門設計的專用芯片:例如用于做卷積/相關并具有橫向濾波器結構,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。這些都是為做FIR、IIR、FFT運算而設計的,因而運算速度高,但是具有有限的可編程能力,靈活性差。為某種目的應用專門設計系統(tǒng),即ASIC系統(tǒng)。它只涉及一種或一種以上自然類型數據的處理,例如音頻、視頻、語音的壓縮和解壓,調制/解調器等。其內部都是由基本DSP運算單元構建,包括FIR、

29、IIR、FFT、DCT,以及卷積碼的編/解碼器及RS編/解碼器等。其特點是計算復雜而且密集,數據量、運算量都很大。積木式結構:它是由乘法器、存儲器、控制電路等單元邏輯電路搭接而成,這種結構方式也稱為硬連線邏輯電路。它是一種早期實現(xiàn)方法,具有成本低、速度高等特點,由于是硬連接因而沒有可編程能力。目前主要用于接收機的前端某些高頻操作中。用FPGA(現(xiàn)場可編程陳列實現(xiàn)DSP的各種功能。實質上這也是一種硬連接邏輯電路,但由于有現(xiàn)場可編程能力,允許根據需要迅速重新組合基礎邏輯來滿足使用要求,因而更加靈活,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產品擴展

30、到DSP應用中去。通用可編程DSP芯片:這是目前用得最多的數字信號處理應用器件片上系統(tǒng)Soc(SystemonChip,這是數字化應用及微電子技術迅速發(fā)展的產物,是下一代基于DSP產品的主要發(fā)展方向之一。它把一種應用系統(tǒng)集成在一個芯片上。通常,為滿足系統(tǒng)的性能要求和提高功率效率,會把DSP和MCU的多處理器處理平臺集成在一起。圖1是由TI公司推出的開放多媒體應用平臺(OMAP,用來支持2.5G和3G應用而設計的處理器體系結構,它支持語音、音頻、圖像和視頻信號處理應用的各種性能。其中關鍵器件有:低功耗的DSP芯片,用來做媒體處理;MCU用來支持應用操作系統(tǒng)及以控制為核心的應用處理;MTC 是內存

31、和流量控制器,確保處理器能高效訪問外部存儲區(qū),避免產生瓶頸現(xiàn)象,提高整個平臺的處理速度。目前應用最廣泛的DSP芯片是TI公司的產品,而TMS320F2812工業(yè)控制領域的一款高端產品,采用哈弗總線結構,具有3個32位高性能的CPU定時器,片上資源擴展性強,具有數字信號處理能力,又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特別適用于有大批量數據處理的測控場合。另外,TMS320F2812可以方便的實現(xiàn)FFT算法的需求。3.3 傳感器設計信號采集電路主要由傳感器構成,是整個在線監(jiān)測系統(tǒng)的輸入端。傳感器直接和一次系統(tǒng)相連,處于強電磁場之中,容易受到電磁干擾。同時它又長期放在室外,易受大氣條件的影響。因

32、此,傳感器是整個系統(tǒng)的關鍵部分。電流傳感器的連接方式可分為直接藕合方式和磁性藕合方式。如圖3-2:U CxIICxU圖3-2 (a直接耦合方式(b磁性耦合方式由于電容型設備泄漏電流大約在500uA500mA之間,因此采樣信號非常微弱。采用有源零磁通技術是提高小電流檢測精度的最好途徑所以采用的BCT-2型電磁式穿芯小電流傳感器具有極好的溫度特性和抗電磁場干擾能力,完全滿足變電站現(xiàn)場干擾情況下的設備取樣精確度。如需檢測電壓信號,只需通過無感電阻將電壓信號轉換為電流信號即可。3.4放大電路設計綜合考慮整個系統(tǒng)的諸多技術指標,放大器的設計原則是:在保證有用信號通過,即滿足系統(tǒng)空間分辨率要求的前提下,盡

33、量壓窄放大器的頻帶寬度,以實現(xiàn)促成系統(tǒng)測量精度的提高和動態(tài)范圍的加寬。設計放大電路如圖3-4所示:其中前放電路的放大倍數為+50,主放電路的放大倍數是+100。由于系統(tǒng)電路的放大部分對帶寬、工作速度和精度上的要求都很高,選擇AD811 作為前放,AD844作為主放電路放大器件。這兩者都是電流負反饋型運算放大器。電流反饋運放,以電流為輸入信號,電壓為輸出信號,強調電流模運算。與電壓模運算相比,寄生節(jié)點電容的影響小,而且速率比電壓反饋運放要快幾個數量級。由于AD811和AD844只有一個輸出的運算放大器,所以它們具有頻帶寬,轉換速率高,建立時間短等優(yōu)點。前置跨阻放大器將APD輸出的光電流轉換成電壓

34、信號,電壓放大器將該電壓信號放大至適合模數轉換的信號。探測放大電路輸出的電壓信號,再與高速采集卡相連,在同步信號的配合下進行A/D 轉換。 圖放大電路設計3.5濾波電路設計對輸入信號進行濾波是減小輸入噪聲干擾的常規(guī)措施。在對傳感器在現(xiàn)場采集到的電壓、電流信號進行處理時,由于電壓、電流信號不可避免地要受到來自外界的電磁干擾信號影響,同時傳感器和放大電路本身也會產生一些噪聲信號,如果直接把信號輸入A/D轉換器,則采樣后得到的數據會存在很大誤差,因此需要對信號作進一步處理。采用低通濾波對采集到得信號進行濾波處理,抑制雜散干擾信號,進而提高系統(tǒng)的信噪比。在實際運行中,電壓、電流信號經過模擬低通濾波器會

35、由于濾波器的相移引入誤差,根據介質損耗因素在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際情況,應該首先保證對電壓和電流兩通道信號的低通濾波具有相同的幅頻特性和相頻特性,并且盡量滿足平坦的幅頻特性和線性相移要求,本文采用二階有源濾波如下圖3-3所示:Out+-U7VccVDDAGNDC1C2C3R3R1R2OP37圖3-3 濾波電路傳遞函數的表達式為: 3.6 A/D 轉換電路設計通過信號采集和信號調理電路獲得了被測模擬信號后,重要的一步便是將它轉換成可由計算機分析、處理的數字信號,其中A /D 轉換是完成模擬信號到數字信號的核心器件,有了它才能進一步實現(xiàn)數字信號處理。本設計采用AD7863芯片,電路如下圖3-4所示:2

36、3 1 46578 INTEMPNCGNDOUTTRIMNCSELAGND +5AD780BN(ANAGND192416277151413121110965432128DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11DB12DB13VREFVDDAGNDAGNDDGNDVB2VA2VA1VB117182526U2VCCXDDXD1GDNDXD2XD3VCCXD4XD5GDNDXD6XD7XD8XD9GDNDXD10XD11VCCXD12XD13GDNDXD14XD15VCCVCCDB0DB1GDNDDB2DB3VCCDB4DB5GDNDDB6DB7DB8DB9GDN

37、DDB10DB11VCCDB12DB13GDNDDB14VCC AD7863SN74LVCHl6T2451DLR1B11B2GND1B31B4VCCB1B51B6GND1B71B82B12B2GND2B32B4VCCB2B52B6GND2B72B82DLR1OE1A11A2GND1A31A4VCCA1A51A6GND1A71A82A12A2GND2A32A4VCCA2A52A6GND2A72A82OEAOCONVSTCSRDBUSYU9圖3-4 A/D轉換原理圖AD器件是采樣環(huán)節(jié)至關重要的一個器件,它的性能決定對整個系統(tǒng)的性能和精度有重要影響。AD7863既可以使用內部參考電壓,也可以使用外部

38、參考電壓,一般來說,外部參考的準確度更高一些,能保證更高的A/D轉換精度。本系統(tǒng)使用AD780BN產生外部參考電壓,AD780BN有2.5V和3V兩種輸出電壓,將SELECT引腳懸空即可輸出2.5V參考電壓。為降低AD7863對前級信號的影響,在信號進入AD7863之前用LF353N進行緩沖處理。AD7863的輸出電壓范圍為05V,而DSP的數據引腳的耐壓只有3.3V。為保證DSP的正常工作和器件的安全,需要對AD7863的輸出信號進行電平轉換。是由德州儀器公司生產的一款電平轉換芯片,它能同時將16路信號進行轉換,性能完全滿足本系統(tǒng)的需要。圖3-8是A/D轉換的電路圖。3.7系統(tǒng)硬件防干擾設計

39、為了保證介質損耗測量儀能在實際應用中可靠的工作,必須要周密考慮和解決抗干擾的問題。抗干擾的措施主要是切斷來自傳輸通道的干擾。本系統(tǒng)從設計、元件選擇、制作、現(xiàn)場安裝等各環(huán)節(jié)充分考慮了抗干擾問題,采用了各種硬件和軟件抗干擾的方法,主要措施有:1.針對傳感器方面:(1將傳感器全部放置在封閉的鋁合金外殼內,外殼厚度不小于3砌,并可靠接地,以屏蔽外部的電磁干擾。(2 傳感器二次回路不按地。避免接地環(huán)流產生干擾以及地電位升高產生的共模干擾。(3傳感器的引入線露在外面的部分使用金屬蛇皮管可靠屏蔽,且屏蔽牢固接地。(4傳感器輸出端加過壓保護器,保證在任何情況下,輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓幅值不超過10V,以防止因設備故

40、障流過短路電流時傳感器輸出危險過電壓。2.信號電纜方面:(1采用雙屏蔽電纜(在一般條件下亦可采用單屏蔽電纜,外屏蔽兩端接地,以抑制差模干擾。(2電纜放入電纜溝內時盡量遠離大功率電纜,以減小其周圍的強電磁場對電纜芯線產生的電磁感應。(3提高傳感器的輸出電壓,提高信噪比。4.硬件設備的抗干擾措施(1裝置的外殼用導磁性能良好的鐵磁材料制成,加強了對外部電磁干擾的屏蔽;(2模擬電路的地線與數字電路的地線分開,以避免兩者之間的相互干擾;(3為了抑制串擾,即信號傳輸線在相鄰導線上所產生的感應脈沖噪聲,使信號線盡量貼近底板、印刷板上的信號線盡量靠近地線、信號線分散布線、強弱電應分開布線等:(4合理的系統(tǒng)電路

41、布局,印制板上的元器件按原理圖順序成直線排列,并力求電路安排緊湊、密集,以縮短引線、減小引線電感:(5多余輸入端子的處理。在多路選通裝置的設計中,AD7863有4個輸入端,而僅僅用了其中2個,剩余的2個輸入端應注意一定要接地。因為在數字電路中的多余輸入端子如果懸空,將成為一根天線,接收輻射噪聲;或通過漏電阻、寄生電容接收噪聲,形成干擾。第四章 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計硬件確定之后,系統(tǒng)的測量功能和操作功能的實現(xiàn),還必須依賴于軟件的設計。本章主要討論系統(tǒng)的軟件設計,包括開發(fā)流程介紹、系統(tǒng)主程序設計、接收與發(fā)送子程序、采樣子程序、數據處理子程序及通信協(xié)議的約定及設計4.4上位機流程設計上位機工作站程序

42、主要完成上位機對下位機的參數設置和遠程控制、獲取下位機的采樣數據、完成對數據的分析及故障診斷以及診斷結果的顯示、遠程傳輸等功能。其工作流程如下:首先上位機通過RS485總線向監(jiān)測終端發(fā)送采集指令,監(jiān)測終端接到命令后對末屏泄露電流信號和基準電壓信號進行同步采集,采集完成后進行簡單處理,經過放大、濾波、A/D 轉換后將數據通過RS485上傳給上位機,上位機通過專家軟件對采集到的數據進行處理分析,進而得到設備運行狀態(tài)進行預知,提前知道設備安全隱患。如下圖所示:RS485監(jiān)測終端末屏電流監(jiān)測終端末屏電流監(jiān)測終端電壓基準被測設備1被測設備n上位機圖4-4 上位機監(jiān)控流程設計圖4.2下位機軟件總體設計下位

43、機軟件的設計是絕緣監(jiān)測裝置的核心,它由裝置的硬件設計和需要完成的功能所決定。下位機軟件結構一般包括主程序和采樣中斷程序,有的監(jiān)測軟件根據需要還安排有故障處理程序和通訊中斷程序。在過去的軟件設計中,由于下位機的CPU計算速度慢,使得很多復雜的算法和其他功能不能在下位機上實現(xiàn),限制了分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。DSP芯片的引入為保護裝置提供了一個強大的硬件平臺,超高速的計算能力,大容量的存儲空間,讓下位機軟件的設計受硬件的限制大大降低,監(jiān)測軟件的結構也有了很大的改進。很多新一代高性能的監(jiān)測程序采用了基于邏輯圖的軟件設計思想,充分考慮程序的靈活性和開放性,盡量減少軟件開發(fā)、維護的工作量。本系統(tǒng)的軟件設

44、計模塊性好,結構清晰,軟件的開發(fā)、維護方便。由于采用模塊化設計方法,軟件開發(fā)的效率、質量和可維護性都大大提高。在程序設計完成后的維護成本也大大降低,由于各模塊的相對獨立和密封性,對某一功能模塊進行維護和修改將不會影響到其他模塊和整體軟件功能。下位機軟件帶有自檢功能,包括完成對EPROM、EEPROM、A/D轉換、開出通道、NVRAM數據記錄地址錯誤等的自檢,這是保證裝置正常運行的重要措施。如果自檢發(fā)現(xiàn)異常,將進行相應的記錄和操作。在線監(jiān)測系統(tǒng)的下位機軟件程序分為四個部分:主程序,通信模塊,數據采集模塊,數據處理模塊。主程序通過中斷調用的方式啟動后三個模塊,實現(xiàn)它們各自的功能,這樣就可以完成從采

45、集數據、處理數據到數據傳送等,一系列功能。下位機軟件流程圖如圖4-1所示,開始系統(tǒng)初始化數據采集調用ADC 中斷服務子程序,采集電流、電壓信號數據處理,得到tan tan 存夠?數據分析及數據診斷系統(tǒng)復位結束判斷絕緣狀態(tài)NYYNYN圖4-1 主程序流程圖4.3數據采集程序設計當從機接收到主機的命令要求進行數據采樣時,從機響應命令,完成對電壓、電流信號的同步整周期采樣,一次采樣中連續(xù)采樣40個周波。而在進行采樣之前,需對采樣系統(tǒng)的參數進行一定的設置。整個工作過程是:首先設置A/D轉換器的工作模式,設定采樣周波數為40,再設定每周波采樣點數為256(或128,設定DSP定時器計數值(即A/D采樣周

46、期,由DSP觸發(fā)A/D轉換,DSP則不斷查詢轉換是否完成,如果轉換完成,則DSP讀入A /D片內緩存中的數據。因而,A/D數據采樣流程圖如圖4-2所示。程序開始初始化端口定時器設置的數據信息等采樣點數完成?為主時鐘發(fā)送采樣計數器Fft分析處理及存儲采樣次數完成?為主時鐘時發(fā)送采樣結果通訊?采樣命令該狀態(tài)命令該采樣結果命令該采樣原始數據讀中壓頻率采樣計數器定時器中斷入口采樣延時到標志?允許同步時鐘啟動采樣完成AD采樣入口采樣次數到標志?禁止同步時鐘置采樣完成標志完成YNNY YNN Y圖4-2 AD采樣流程圖4.4數據處理程序設計采樣結束后,主控程序需要調用HT計算子程序,計算出本次采樣的兩路模

47、擬信號(一相電壓信號和電流信號的基波傅立時系數。由于計算時需要作大量的正弦和余弦運算,在計算基波傅立葉系數時,已經知道每周期采樣256個點,則可以把這些三角函數值先計算出來,按照一定的順序存放在DSP的程序存儲器中,計算時從相應的位置讀出來即可。計算時采用浮點數運算,一個浮點數由四個字節(jié)組成,該程序計算的結果是兩路信號的基波傅立葉系數A和B,一共是四個浮點數。FFT計算程序流程圖如圖4.3所示。FFT計算程序A=0;B=0;K=0取出第K哥采樣值從正余函數表存儲單元入第k個值:cos(2k/256,sin(2kA=A+Xxcos9(2k/256B=B+Xsin(2k/256K=K+1K257?

48、 A=A/128 B=B/128結束Y N圖4-3FFT計算程序第五章結論與展望電容型設備介質損耗錯誤!未找到引用源。是反映高壓電氣設備絕緣性能的一項重要指標,是介質損耗測量技術也是當今高電壓絕緣與測試研究的重要內容之一,在工程上應用廣泛。本論文在研究國內外介質損耗數字化測量方法的基礎上,分析了傳統(tǒng)諧波分析法測量介質損耗的基本原理及其存在的一些問題。通過對集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)優(yōu)缺點的比較,采用了分布式系統(tǒng),以主控計算機為核心,完成對下位機的控制和數據讀取,軟件和硬件抗干擾措施相互結合,試驗證明,該方案控制靈活、補償方便、可靠性高。展望:作為絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分之一,介質損耗在線監(jiān)測

49、系統(tǒng)一定會隨著傳感器技術、電子技術、計算機技術和信息處理技術的不斷進步,向著高精度、智能化、網絡化的方向發(fā)展。在線故障診斷和分析的專家系統(tǒng)、人工神經網絡作為下一步的研究方向,相信還有大量有意義的研究工作有待開展。致謝本文的研究工作是在導師毛惠豐老師的精心指導和悉心關懷下完成的,在我的學業(yè)和論文工作中無不傾注著導師辛勤的汗水和心血。導師嚴謹的治學態(tài)度、淵博的知識、積極向上的人生態(tài)度、平易近人的師長風范和無私的奉獻精神使我深受啟迪,并將永遠銘記在心。從導師的身上,我不僅學到了扎實的專業(yè)知識和技能,更學到了做人的道理,做事的方法。在論文完成之際,要向各位老師致以最衷心的感謝!在此,再次向所有關心和幫助過我的老師、同學,家人和朋友表示由衷的謝意!感謝我的家人,正是他們的大力支持才使我