基于DSP和光纤技术的分布式电容型设备在线监测系统的设计

郭萍　金鹏

摘要：为了实现电容型设备的在线监测，保证变电站的安全可靠运行，设计了基于DSP和光纤通信技术的分布式电容型设备的在线监测系统。文章介绍了在线监测系统的组成及原理，采用分压法采集信号，解决了传统传感器采集信号法因受温湿度影响导致检测结果误差大的问题。检测单元集现场信号调理、数据采集、DSP控制、数据处理、数据存储及光纤通信于一体，实现了检测数据测量就地化和数字化。针对变电站电磁干扰、地环干扰以及雷击等问题，系统采用光纤进行数据通信。在软件开发中，采用模块化的思想，各个模块在功能上相互独立，便于维护与升级。在变电站的实际应用表明，该系统性能可靠稳定，测量结果准确。

关键词：电容型设备，tanδ，DSP；在线监测；锁相倍频；光纤通信

1引言

变电站中的变压器、电容性设备、避雷器、断路器等高压电气设备长期运行中受到电场、导体发热、机械力、化学腐蚀、温度、湿度等因素的影响，不可避免地将逐渐劣化、老化，并导致设备运行性能变坏，出现缺陷。如果任其继续发展，不采取适当的修复措施，可能引发电力设备的故障，造成巨大损失。电气设备在线监测系统在设备运行情况下连续提取设备的各种状态信息参数，根据各种故障征兆，运用智能技术对其健康情况进行实时评判，依据诊断结果制定检修方案和策略，从而既减少了停电试验和维修的盲目性，又能持续真实地反映设备在运行电压下的性能和健康水平，能够及时发现设备运行中的缺陷，降低设备事故率。

2系统总体结构及原理

本监测系统分为三层。第1层由相应的传感器和信号调理模块构成，主要完成测量采集变电站内电容型设备的相应数据参数，包括温湿度、泄露电流I、PT电压信号，CT电流信号，采集模块将模拟信号转换为数字信号，经DSP处理计算，通过光纤通信与第2层（变电站通信管理系统）通讯。第2层包括前端通信控制单元、数据服务器、Web服务器，前端通信控制单元通过光纤接收并处理来自现场信号采集单元的在线监测信息，并将监测信息送给数据服务器；数据服务器完成在线分析计算功能；Web服务器为第3层的监控提供服务。第3层的IE用户，通过 TCP/IP网络可实施远程监控。监测系统的总体结构如图1所示。

系统应用光纤通信技术和Internet网络技术，实现了分层分布式结构的在线监测，扩展非常灵活，抗干扰能力强。用户只需要安装浏览器软件就可以对系统进行访问，从而方便地实现了远程维护和远程监测，具有良好的可扩展性及灵活性。另外，在现场采集处理模块可在现场完成模拟信号的计算处理，有效地避免了信号因远距离传输而导致信号失真。

3系统硬件设计

系统的硬件设计主要集中在现场信号采集单元的设计，并有效地完成分布式数据的采集和传输。

3.1现场信号采集单元

系统监测的内容包括电容型设备的介质损耗角正切tanδ、泄露电流I、电容量。该系统是数字信号处理DSP和高精度A/D为核心的数字式一体化现场信号采集单元，该单元集信号调理、高速采样、CPU控制、傅里叶频谱分析、数据存储及光纤通信为一体，可就地计算出介质损耗角正切tanδ、等值电容、泄露电流等各项参数，如图2中虚线部分所示。该系统可以对分布在同一变电站内不同位置的所有电容型设备进行检测，且监测周期可以任意设置。

3.2泄露电流的测量

由于信号微弱，传感器必须有较高的精度同时也要具有较强的抗干扰能力，而目前采用的穿心式电流互感器方式还存在许多问题。本系统采用了电容分压的方式来提取泄露电流，通过选择合适的分压电容，使测量的信号在40V左右，有效地提高了信号的信噪比。为防止电容故障导致末屏开路，保证信号提取的安全性，应配置合理的保护方式。

3.3保护回路的设计

在高压电容型设备末屏回路中串入分压测量电容进行介质损耗在线监测时，为防止末屏开路和抑制高压系统产生的过电压侵入到二次测量系统，在提取信号时需添加保护单元。本系统采用气体放电管和金属压敏电阻组成的混合保护单元，如图4所示。压敏电阻R1的作用是改善器件的反应时间，使保护单元更灵敏，安全性更高。

3.4锁相倍频电路的设计

电网系统频率的波动是不确定的，使得电容型设备在线监测系统很难满足整周期采样，由此产生的频谱泄漏和栅栏效应会严重影响测量结果。为减小系统频率变化对测量的影响，本系统采用锁相频率跟踪和同步采样技术，保证测量精度的准确性，使得信号频率与采样频率同步，减少泄漏误差。

采用同步技术进行交流采样时，提高采样精度的一个方法是增加一个周期内的采样点数N，另一个是提高A/D转换器的位数。但在同时满足以上两个方法的前提下，真正影响测量精度的是测量周期能否均匀的进行N等分，可以利用锁相环技术实现输出信号动态跟踪输入信号频率，使采样周期与信号周期同步。本系统中采用专用锁相环芯片CD4046和计数器CD4060配合来实现工频信号精确锁相倍频，分频比为1/64。在工频信号恰好为50 Hz的情况下，该电路的锁相倍频频率为50×64=3200 Hz，相当于一个工频周期内有64个采样脉冲，频率跟踪锁相电路接线图如图5所示。

由图5可看出，工频方波信号由AIN输入，经过倍频的方波信号由VCOUT输出去触发A/D芯片ADS8364。

3.5数据采集模块设计

本监测系统采用美国TI公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的6通道16位A/D转换芯片ADS8364，它具有高速、高分辨率、低功耗、多通道同步采集等功能，片上带2.5V基准电压源，可用作ADS8364的参考电压。具体的数据采集模块接口电路如图6所示。

图6中的PTout为模拟信号的输入，其电压范围为-5V～+5V，经过差分电路输入到ADS8364的模拟输入通道A0。ADS8364的BYTE和ADD引脚都接地，因此选择16位数据输出方式，并且对每个通道转换结果的读取通过地址线A2、A1、A0来选择。ADS8364的片选信号由TMS320LF2407的地址线A15、A14、A13和I/O空间选通，因此ADS8364芯片地址所占用的是TMS320LF2407的I/O空间的低32K地址空间，与程序的调试和运行地址无关。为了实现ADS8364六个通道的同步采样，ADS8364的A、B、C三组启动控制信号HOLDA、HOLDB、HOLDC由TMS320LF2407的同一I/O引脚控制，这样只要TMS320LF2407使该引脚有效就可以同时启动ADS8364的六个通道，从而实现六通道的同步采样。

3.6通信接口模块设计

光纤通信是一种高速率数据通信网，具有可靠性高、抗干扰能力强、抗化学腐蚀能力强、配置灵活、扩展方便等特点。

变电站内存在电磁干扰、地环干扰、雷击、化学腐蚀等外界因素，影响了整个通信系统的可靠性和精确度。为解决此问题，本系统采用光纤通信，它通信容量大、抗电磁干扰、不怕雷击、抗化学腐蚀，解决了通信距离与通讯率的矛盾，并从根本上解决了电磁干扰、地环干扰以及雷击和电浪涌的难题，大大提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性。

第1层和第2层之间采用光纤通信方式，连接方式采用国内通用的ST接头，核心部件选用Agilent公司的光收发模块，通信光缆选用铠装，每个环节都能保证系统光纤通信的稳定性和可靠性。

4系统软件设计

系统软件主要任务是处理和保存数据信息，通过光纤，系统软件发出指令驱动硬件进行现场数据采集，采集结束后数据又通过光纤送入计算机内的存储器供软件分析。根据系统的功能与设计要求，软件框架分为监测系统、图形系统和信息查询系统，在线监测系统的软件框架如图7所示。

通过图形系统设计监测系统的图形界面，构建系统模型与设备信息数据库，并初始化有关参数；监测系统根据设备信息采集、分析与计算数据，并将结果返回设备信息数据库，同时将相应设备状态在监测画面上显示；信息查询系统主要完成信息发布，可将数据通过局域网或拨号方式传送到上级监测中心。

将系统软件分解成若干模块是根据在线监测系统的规模与功能实现的，各个模块在功能上相互独立，只保留几个接口进行通讯。设计时，尽可能减少各模块接口，减少模块间的直接数据联系，以增强模块的独立性，使维护升级更简单。

5结束语

本文设计的分布式电容型设备在线监测系统采用分层分布式结构，采集智能模块将数据参数就地处理计算后通过光纤把数字量传输到控制层，解决了集中式结构中模拟信号长距离传输问题，并有效地解决了电磁干扰、地环干扰、雷电、化学腐蚀影响数据可靠传输的问题，实现了监测参数的现场测量、数字化传输、数据大容量传输。采用分压法采集信号，解决了传统传感器采集信号法因受温湿度影响导致检测结果误差大的问题。采用锁相频率跟踪和同步采样技术，保证测量精度的准确性，使信号频率与采样频率同步，减少泄漏误差。试验表明该系统稳定可靠，能长期、有效地监测变电站内电容型设备的有关参数。

参考文献

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