基于DSP 的高压电气设备绝缘在线监测系统设计.doc

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1、 基于DSP 的高压电气设备绝缘在线监测系统设计 摘要： 为满足电网对高压电气设备绝缘监测的要求，设计了基于数字信号处理（DSP）的分布式绝缘在线监测系统。采用基于控制器局域网现场总线的3 层分布式系统结构，解决了集中式在线监测系统模拟信号长距离传输带来的问题。设计了以DSP 和高精度AD 为核心的现场信号采集单元，集信号调理、数据采集、CPU 控制、算法处理、CAN 总线通信于一体。系统采用“零磁通微电流传感器”采集信号，使相位测量误差控制在 0.01 以内。阐述了系统软、硬件的具体实现方法，软件采用模块化设计，将系统按功能模块化划分。关键词： 绝缘； 在线系统； 监测； 电气设备； 数字信

2、号处理高压电气设备绝缘部分缺陷或劣化会导致绝缘故障或事故发生。传统的预防性试验和事后维修已不能满足电网高可靠性的要求。近年来，传感器技术和信号处理技术的不断完善，使得在线监测技术得到广泛应用。它可实现连续采集或有选择地跟踪检测运行高压设备的状态参数，并运用先进的数据分析手段，科学地分析、预测、诊断高压运行设备的运行状况或寿命，实现提前预警、报警，提高高压设备的运行可靠性。同时，它可与调度自动化及供电远动系统接口，实现远程实时监测。1 系统总体设计11 系统总体结构采用现场总线技术和Internet 网络技术构建分层分布式监测系统，总体结构见图1，共分为3 层。传感器和现场信号采集单元作为第1

3、层，主要完成各种在线监测信号的传感、采集和数据处理，并通过现场总线完成对上层的通信任务。第2 层包括前置通信单元、数据服务器，前置通信单元接收并处理来自现场信号采集单元的在线监测信息，并将信息送给数据服务器；数据服务器进行在线分析计算；Web 服务器为上层的监控提供服务。第3 层的IE 用户，通过TCP IP 网络可实施远程监控。图1 绝缘在线监测系统总体结构12 系统监测信号系统主要检测和诊断变电站中高压容性设备的绝缘性。电容性设备是指绝缘结构采用电容屏的电气设备，包括变压器电容套管、电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器，其数量约占变电站电气设备的40%50%，表1 中给出其监测信号。电

4、容性设备监测信号变压器套管末屏对地电流、介损、电容值变压器铁芯泄漏电流变压器绝缘油油的成分金属氧化锌避雷器（MOA）泄漏电流、阻性电流电流互感器（TA）介损、电容值耦合电容器介损、电容值表1 电容性设备的监测信号监测信号的特征参数要求能够真实地反映电气设备绝缘的运行工况，以便对绝缘状况做出及时准确的判断。其中，介质损耗的测量是一项灵敏度很高的监测项目，它是取运行设备电压互感器的标准电压信号与设备泄漏电流信号经高速AD 采样转换，通过优化傅里叶变换对信号进行频谱分析，仅抽取50 Hz 的基波信号进行计算求出介损。这种方法能消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定，能反映出设备的绝缘变化。电容量的测量

5、是根据泄漏电流和采集的母线电压换算得到的，现场监测单元将采集信号就地进行数字化处理以消除干扰。容性设备泄漏电流的测量信号是从末屏采集的，一般为毫安级，由于在现场易受强电磁场的干扰，因此要求传感器具有较高的稳定性和抗干扰性。13 系统功能在线监测主要具有以下4 点功能。a. 实时监测：可以实时显示被监测设备的运行状态数据，显示方式有柱形图、趋势图、波形图和报表等；可以打印监测数据图表。b. 设备报警：系统提供多级报警，当在线测量值异常时能够及时报警，第一时间向监管人员报告任何异常情况；能开启连续跟踪监测功能，并能以表格方式显示装置的各项警告记录。c. 远程监测：支持TCP TP 协议，实现远程监

6、测功能；可以方便地结合SCADA EMS、生产管理系统（MIS）等其他系统，形成高级设备状态管理体系。d. 历史数据查询和趋势分析：可查看整个监测周期的历史数据，具有历史报表、趋势图及数据统计管理功能，便于对历史数据的横向、纵向比较；可利用专家诊断，用最小二乘法拟合监测数据进行分析趋势。2 系统硬件设计21 零磁通微电流传感器绝缘在线监测装置中，电流传感器起关键作用，其精度、稳定性及可靠性是系统的关键技术。为保证高压设备和信号取样安全，系统采用穿芯式结构的传感器，直接套在设备末屏接地线上测量泄漏电流信号，该方式不改变被监测高压设备的原有接线方式，安全可靠，且与主设备无直接连接，安装方便。另一方

7、面，由于高压设备的泄漏电流很小均在毫安级，且传感器工作在电磁干扰严重的现场，同时又受到温度、湿度等外界环境的影响，故传统的无源传感器无法保证相位变换误差的精确度和稳定性，易造成系统测量精度不稳。本系统将采用“零磁通微电流传感器”，它选用起始导磁率高、损耗小的坡莫合金做铁芯，采用独特的深度负反馈技术和独特的屏蔽措施，能够对铁芯全自动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。如图2 所示，其中B 为检测线圈的磁通，经过放大后作为补偿线圈n 的激磁磁通，使得补偿线圈产生方向相反的磁通-B，这样传感器铁芯的总磁通鄱B=0，电路中磁通计数显示为零，从而实现近似“零磁通”的状态。该传感器能准确检测100 A70

8、0 mA 的工频电流，相位测量误差控制在 0.01 以内，温度特性好，抗电磁场干扰能力强，能满足在复杂的电站现场干扰下设备取样的精确度。图2 零磁通有源穿心式传感器22 现场信号采集单元设计了基于数字信号处理（DSP）+高精度同步AD 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、数据存储及控制器局域网（CAN）总线通信为一体，可就地计算出介质损耗、等值电容、末屏电流等各项参数。系统中还采用了复杂可编程逻辑器件（CPLD），负责整个系统的综合逻辑控制及下一步功能扩展和系统智能升级，其应用加强了模块的数据采样、处理的自动化程度，进一步提高了系统数

9、据采集的自动化程度。2.2.1 主要芯片介绍F2812 芯片是最高性能的32 位定点DSP 器件。F2812 主要具有以下特性：高达150 MIPS（6.67 ns 的指令周期） 的运算处理速度、片内有高达32 K FLASH 和2.5 K SRAM、丰富的片上外设。AD7656 是高集成度、6 通道16 bit 逐次逼近（SAR）型ADC，可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求，主要应用于电力监控系统、仪器控制系统13。AD7656 主要特性为：双极性模拟输入；最大吞吐率为250 kS s（千次采样每秒）；可通过管脚或软件方式选择电压输入范围（ 10 V、 5 V）；具有并行、串

10、行和菊花链接口模式；与SPI QSPI Wire DSP 兼容的高速串行接口。CY37064P100A 是一款CPLD，内部具有44 个逻辑宏单元（Macrocell），外部引脚数目为100 个，除通用的I O 引脚外，还有+5 V 和+3.3 V 2 路电压输入。兼容5.0 V、3.3 V 电平标准，十分适合用于混合逻辑的系统设计。2.2.2 F2812 与AD7656 的接口设计DSP 与AD7656 的硬件连接框图如图3 所示，AD7656 转换的控制信号是由F2812 控制CPLD 产生的，DSP 负责数据处理和通信控制。图3 DSP 与AD7656 的硬件连接框图AD7656 并行接

11、口字模式时的转换时序图如图4 所示。在CONVSTA B C 信号的上升沿触发AD 的采样信号，一旦触发AD 采样，Busy 信号会同时置1，这表示转换正在进行。转换时钟是由AD 内部产生的，典型时间大约3 s。在转换完成后，Busy 信号变为低电平，表示转换结束，通过CPLD 将产生F2812的外部中断信号，引起DSP XINT1 中断。在中断程序中， 连续读取6 次AD 的地址就可读取6 个通道的数据。实际应用中，可通过设置F2812 的外设状态控制寄存器中读写信号的时间，尽量缩短AD 数据的读取时间。图4 AD7656 并行接口模式时转换时序图（W B0）2.2.3 跟踪电网频率电路设计

12、由于电网频率总会有微小的变化，它会给介质损耗测量带来误差，设计硬件锁相倍频电路跟踪电网频率，动态改变采样时间，使每周期采样次数相同。AD 采集的控制信号由锁相环倍频输出决定，锁相环跟踪电网频率，再利用CPLD 将电网信号倍频。3 系统软件设计31 现场信号采集单元软件设计系统采用合众达公司提供的SEED-XDUSB 2.0仿真器，通过USB 接口直接与计算机连接，在CCS3.3集成开发环境下，通过JTAG 接口进行调试、烧写程序。系统软件流程图见图5。系统首先对整个硬件模块初始化和自检，完成全局变量的初始化后启动定时器，最后进入死循环，进行AD 采样和计算。开始硬件启动硬件初始化全局变量初始化

13、启动定时器进入死循环，进行AD 采样和计算图5 软件流程图3.1.1 AD 采样程序a. 启动AD 采样。系统通过F2812 EVA Timer1的周期中断，来触发AD7656 进行采样。interrupt void ADC_T1PINT_isr（void） if（ADflag1） ADflag0；*AD_CONVST0；EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1PINT 1；PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK21；return；其中，Timer1 的周期寄存器T1PR 值，是通过频率测量电路获得信号频率，再根据采样点数分频获得的，实现了系统的同步采样。b. 判断AD 转换

14、结束。系统通过F2812 XINT1中断来判断AD 转换结束，因为在AD 转换完成后，Busy 信号变为低电平，通过CPLD 将产生F2812 外部中断信号。interrupt void ADC_SampleINT_isr（void） XIntruptRegs.XINT1CR.all 0x0000；AD.ADCFlag.bit.ADCSampleFlag1；XIntruptRegs.XINT1CR.all 0x0001；PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK1 1；return；c. 读取AD 采样数据。AD 转换结束后就可连续读取6 次AD 地址，将6 通道的采样数据读取出。v

15、oid ADCSmplePro（ADC_DRV *v） v-ADSampleResult0*AD_CHIPSEL；v-ADSampleResult1*AD_CHIPSEL；v-ADSampleResult2*AD_CHIPSEL；v-ADSampleResult3*AD_CHIPSEL；v-ADSampleResult4*AD_CHIPSEL；v-ADSampleResult5*AD_CHIPSEL；ADflag1；3.1.2 数值计算程序每采样一定周期后，对AD 采样数据进行计算分析，如电压 电流有效值、有功、频率等。计算函数Cale（），包含了FFT，可以进行谐波分析。for（；）if（A

16、D.ADCFlag.bit.ADCSampleFlag1）if（AD.LoopVarDots_Per_Channel） AD.LoopVar0；Cale（）；if（ADflag0）ADCSmplePro（&AD）；AD.LoopVar+；AD.ADCFlag.bit.ADCSampleFlag0；32 数据服务器软件设计软件采用模块化设计，将系统按功能模块划分，主要包含用于实时数据采集的服务器端软件和为用户提供数据浏览、分析、报警、诊断的客户端软件，这样设计独立可变、灵活性强，具有高度的可扩展性、稳定性、安全性。程序采用面向对象的Visual C+语言进行设计，操作简便、界面美观友好。系统还将

17、采用大型关系数据库管理系统SQL Server 作为后端数据处理中心服务器，提供了对可扩展标记语言的核心支持，具有高度的可伸缩性和可靠性。33 系统通信程序设计为保证系统的可扩展性和可靠性，第1 层的现场信号采集单元和第2 层的前置通信单元之间利用CAN 总线进行数据通信，通信接口标准遵循CAN2.0B协议。第2 层的Web 服务器和第3 层的IE 用户之间支持TCP IP 协议，实现远程监测功能。4 结束语基于DSP 的容性设备绝缘在线监测系统采用分层分布式结构，现场将电流电压信号处理后通过CAN 总线将数字量传输给上层，有效解决了集中式结构中模拟信号长距离传输问题，实现了监测参数的现场测量

18、和数字化传输。系统中采用了“DSP+高精度AD+CPLD” 作为现场信号采集单元，适于模块化设计，能够提高算法效率，易于维护和扩展。参考文献：1 白维，曾成碧，王涛. 高压电气设备绝缘在线监测的研究J. 中国测试技术，2006，32（1）.2 胡文平，尹项根，张哲. 电气设备在线监测技术的研究与发展J.华北电力技术，2003，14（2）.3 张元林，王文胜，徐大可. 变电站电气设备在线监测综述J. 高压电器，2001，37（5）.4 陈维荣，宋永华，孙锦鑫. 电力系统设备状态监测的概念及现状J. 电网技术，2000，24（11）.5 JIA Yimei，SU Fuheng，LIU Jun. A

19、n online insulation monitoring system based on fieldbus CProceedings of 2001 ISEIM & ACEID. Himeji，Japan：IEEE，2001.6 谈克雄，李福祺，张会平，等. 提高电容型设备介损监测装置性能的意见J. 高电压技术，2002，28（11）.7 王楠，陈志业，律方成. 电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述J. 电网技术，2003，27（8）.8 方先存，刘云鹏，李军. 电容型设备绝缘在线监测系统的开发与应用J. 高电压技术，2008，34（6）.9 龙锋，王富荣，李大进，等. 基于DSP 的容性设备介质损耗因数在线监测方法J. 电力系统自动化，2004，28（19）.10 章伟聪，戴征武，张文祥. 基于DSP 的分布式容性设备绝缘在线监测系统设计J. 电测与仪表，2009，46（4）.11 刘君，吴广宁，周利军，等. 零磁通传感器的研究J. 电力自动化设备，2009，29（8）.12 华建卫. 基于DSP2812 平台的数字式测控保护综合装置设计J. 电力自动化设备，2008，28（12）.