基于光声光谱原理的变压器油中气体在线监测系统研究

曾毅+严新荣+李志军+宗起振+曹玲燕

摘 要：当前，嵌入式软件应用越来越广泛，根据变压器油中气体在线监测系统特点，利用VxWorks操作系统、嵌入式Sqlite数据库、Webs GoAhead等相关技术，采用B/S架构、IEC61850通信规范，以C语言、Javascript语言和矢量图形库插件为工具，结合随机森林算法和三比值相结合的诊断方法，提出了基于光声光谱原理的变压器油中溶解气体在线监测系统软件设计，并实现了单台监测装置对多台变压器的数据采集、Web服务、故障诊断功能。经现场应用验证，系统运行稳定、性价比高，具有广阔的应用前景。

关键词：VxWorks；GoAhead；随机森林算法；光声光谱；IEC61850

DOIDOI：10.11907/rjdk.171212

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0100-03

0 引言

基于气相色谱原理的变压器油中溶解气体在线监测是近年来应用较为广泛的输变电设备状态监测技术，由于变压器油中产生的各种故障气体的组成和含量与变压器故障类型及其严重程度有密切关系，因而通过对变压器油中溶解气体进行实时而连续的在线监测，可及时发现变压器内部存在的潜伏性故障并实现状态检修，结合诊断技术可预测及跟踪其故障发展趋势[1-3]，由此基于气相色谱原理变压器油中溶解气体在线监测产品在电网系统得到了广泛应用和推广。但也存在某些不足：如存在需定期更新载气和色谱柱，维护成本高；测量精度也有待提高等缺点。

本文提出的基于光声光谱原理的变压器油中溶解气体在线监测系统可以很好地解决上述问题，同时依托硬件和软件的支持，实现了单台监测智能单元（简称IED）同时监测两台变压器油中溶解气体的功能，大大降低了监测设备的生产、采购以及运维成本。

1 光声光谱检测原理

光声光谱检测原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），是利用一束强度可调制的单色光源照射到密闭光声池的待测气体（以气体为例），气体吸收光能，并立即以释放热能的方式退激。释放的热能使气体按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用微音拾音器和压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号。由于每种气体都有其特有的红外光谱（通常指吸收光谱），根据这种气体的特性，采用特定的单色光波长进行照射，则可检测到随波长变化的光声信号图谱，从而得到待测气体分子浓度[4-6]

2 系统技术特点

Vxworks（RTOS）依靠其良好的实时性和高可靠性在通信、国防、医药等技术尖端和新兴领域中被广泛应用[7]，与其它嵌入式操作系统如Linux相比，Vxworks系统具有高可靠、可裁剪和高实时性等特点。它采用多任务机制，对任务的控制采取优先级抢占和时间片轮转调度机制，从而保证了重要任务优先响应。

Embedthis GoAhead Webserver3.6[8]是一款开放源代码，采用C语言的嵌入式WebServer程序，因此移植性比较强，支持如 Linux、VxWorks、WinCE、pSOS等多种操作系统，其重要特性有：支持虚拟服务器，支持ASP、JavaScript、CGI、DHTML，占用内存少等特点。与风河公司提供在Vxworks操作系统下的有偿WebServer开发包相比，更具有经济上的优势。因此，采用Embedthis GoAhead Webserver是在Vxworks开发WebServer的首选[9-10]。

SQLite3是一款开放源代码的超轻量级嵌入式关系型的数据库引擎，非常适合在嵌入式应用开发中。其特点：支持大多数的SQL语言、多表、索引、视图、事务、触发和一系列的API接口函数及驱动，具有小、快、简单、稳定、可靠、安全、免费以及零配置的SQL数据库引擎等特点[11-12]。

3 系统设计與实现

本系统采用实时性高的Vxworks6.8操作系统、Embedthis GoAhead3.6的Web服务器、嵌入式Sqilte3数据库、IEC61850通信协议等技术。Vxworks开发工具为workbench3.2，硬件平台采用PowerPC处理器。由于本系统不仅要对两台变压器进行数据采集，同时也采集微水、温度、铁心接地电流等数据，具有对多种设备或传感器数据同时采集、处理，支持Web浏览、数据查询、参数修改、IEC61850服务器、数据远传等多种功能，因此，在系统软件设计时根据了VxWorks自身的优势，采用了多任务、动态优先级的设计理念。其系统总体架构如图1所示。

3.1 数据采集模块

光声光谱单元完成油中溶解7种特征气体（H2、CH4、C2H2等）的数据采集，传送给监测智能单元。监测智能单元除采集这7种气体数据外，还集成了多种传感器，通过RS485/RS323串口采集温度、微水以及变压器铁心电流等数据。在本系统中，依靠对油气分离单元硬件的专门设计与软件设计的紧密配合，采用两路送/回油路，通过软件转换油阀方向，在国内首次实现单台监测智能单元同时对两台变压器油中溶解气体数据的采集功能。理论上，采集两台变压器油中溶解气体数据所用时间是单台变压器所用时间的2倍。相对于采用气相色谱原理，采用光声光谱原理具有数据采集量少、采集时间短、测量精度高、重复性好等优点。

3.2 Web服务器模块

Web服务器模块主要通过采用B/S架构，可以实现对多台变压器设备进行远程化管理，用户只需在客户端浏览器输入监测智能单元事先设置好IP地址就可以进行远程访问，IED具有IP、串口参数配置、历史数据浏览、趋势图分析、故障诊断、实时监测设备运行状况等功能，实现对IED远程化管控。为了方便创建具有高度交互性的动态图形网页，在本系统中用到的GoAhead WebServer开发包中提供一种嵌入式的EJscript脚本语言，它可实现灵活方便的人机交互。它由Web服务器端提供，由客户端浏览器装载，运行在客户端，Web服务器只需提供给客户端所需的基础数据，再利用嵌入式JavaSeript具有与平台的无关性，最后在客户端浏览器上完成对数据的计算、显示功能，这样极大减轻了Web服务器的负担。同时为了在页面上呈现出满足用户所需要的的矢量图形以及数据趋势图，本系统采用了高性能的wz_jsgraphics.js[13]和dygraph.js[14]矢量图形插件。实时监测页面如图2所示。endprint

3.3 通信功能模块

通信功能模块主要是通用采用标准的MODBUS、IEC61850、I2等通信规范以及私有通信规约完成与后台服务器的数据传送功能，同时采用SNTP（Simple Network Time Protocol）技术使IED和后台服务器时钟同步，使IED数据采集、分析、处理和实时监测所采用的时标与服务器时间保持一致性。随着智能变电站对状态信息的数字化采集，通信规约和传输网络的标准化，以实现可靠快速实时监测与故障分析[15]。为此，本系统采用基于IEC61850通信规范作为最主要的通信方式之一。

3.4 DGA故障诊断模块

DGA故障诊断模块采用立方体图示法、TD图、大卫三角形等方式显示诊断结果，本系统通过采用随机森林算法与改良三比值相结合的方式，使故障分类更加有效，从而提高了对故障诊断的准确性。同时具有对历史数据趋势进行分析，以及具有放大、还原、选择要显示的曲线条数等功能，如图3所示。

4 系统性能

本系统测试环境如下：

嵌入式操作系统：Vxworks6.9；关键技术：数据库采用SQlite3.8，WebServer采用GoAhead3.6，IEC61850通信接口采用开源的libiec61850库。为测试本系统运行时的整体性能，采用CPU：MPC8313E、PowerPC32-Bit，主频为400MHz。在数据采集负载均衡，5个浏览器客户端和5个IEC61850客户端下： IEC61850通信服务响应时间一般在0.1～0.3s，WebServer在传输30K个字节左右，响应时间在1.0～1.2s。采用光声光谱比采用气相色普柱技术的采集时间缩短了50%左右。在满负荷下测试表明，系统整体性能运行稳定、响应及时，满足实际工程需求。

5 结语

本文详细介绍了光声光谱原理，Vxworks、SQlite和Goahead Webserver等开发中采用的一些关键技术，以PowerPC 处理器作为硬件平台， 采用VxWorks6.8为嵌入式软件平台， 实现了基于光声光谱原理的变压器油中溶解气体在线监测系统开发，同时国内外创新提出单台设备对多台变压器的在线监测功能，已在电网、电厂、钢铁、石化等行业有应用经验。结果表明，该系统较好地解决了单台设备对多台变压器的远程监控，以及通信标准化、信息图形化、Web界面简洁友好、故障诊断多样性等技术难题，可有效地降低产品的生产、运行和维护费用。对于高压电气设备在线监测产品的嵌入式开发具有重要的参考价值。

参考文献：

[1] 毛知新，文劲宇.变压器油中溶解气体光声光谱检测技术研究[J].电工技术学报，2015，30（7）：135-143.

[2] 赵笑笑，云玉新，陈伟根.变压器油中溶解气体在线监测技术评述[J].电力系统保护与控制，2009，37（23）：187-191.

[3] WAN F，CHEN W G，PENG X J，et al.Study on the gas pressure characteristics of photoacoustic spectroscopy detection for dissolved gases in transformer oil[C].2012 International Conference on Hight Voltage Engineering and Application（ICHVE），Shanghai，China，2012：288-289.

[4] 武智瑛.多组分气体光声光谱的独立成分分析方法研究[D].大连：大连理工大學，2013.

[5] 蒙瑰，刘先勇，袁长迎，等.光声光谱气体检测系统中气体湿度影响研究[J].光谱学与光谱分析，2011，31（7）：1819-1822.

[6] 裘吟君，唐炬，范敏，等.SF6局部放电分解产生SOF2 特征组分的光声光谱检测[J].高电压技术，2013，39（5）：11639-1169.

[7] 温增葵，高晓光，魏小丰.基于VxWorks的机载火控仿真系统设计与实现[J].2012，37（7）：174-178.

[8] EMBEDTIS GOAHEAD.Go ahead embedded WebServer[EB/OL].http：//embedthis.com/goahead，2016.

[9] 王向群，渠毅，徐沛平.基于GoAhead Webserver的应用开发[J].计算机系统应用，2011，20（12）：221-224.

[10] 张信权，彭军林，李少卿，等.基于GOAHEAD、SVG和PRFlS的变电站远程Web监控系统设计[J].电力系统保护与控制，2011，39（12）：130-133.

[11] 孙萍萍.基于MIPS的嵌入式数据库SQLITE的移与应用[J.计算机应用与软件，2011，28（1）：109-112.

[12] 彭艳.基于嵌入式SQlite的智能导游系统[J].计算机系统应用，2011，20（4）：254-256.

[13] WALTER ZORN.DHTML，JavaScript，linie，ellipse，kreis，rechteck，polygon zeichnen[EB/OL].http：//www.walterzo rn.de/jsgraphics/jsgraphics.htm，2009-02-02.

[14] DAN VANDERKAM.Fast flexible open soure JavaScript charting library[EB/OL].http：//dygraphs.com，2014.

[15] 李锋，谢俊，赵银凤，等.基于IEC61850的智能变电站交换机IED信息模型[J].电力系统自动化，2012，36（7）：76-79.endprint