利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)電力設(shè)備的監(jiān)測及抗干擾解決方案

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是近10年來備受關(guān)注的研究和實施領(lǐng)域，是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的前提，也是智能電網(wǎng)[1]重點研究和發(fā)展的領(lǐng)域之一。

在電力系統(tǒng)中，諸如發(fā)電機、水輪機、勵磁和調(diào)速系統(tǒng)、繼電保護(hù)等，均已全部或部分實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。然而，電力變壓器（尤其是配電系統(tǒng)中）卻是無人問津的荒地，完全未納入監(jiān)測、故障診斷和預(yù)警服務(wù)的范圍。

電力設(shè)備在線運行狀態(tài)監(jiān)測指對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行記錄、分類和評估，它為設(shè)備維護(hù)、維修提供決策依據(jù)，為設(shè)備積累完整和真實的運行記錄資料，為故障分析和診斷提供真實依據(jù)，為故障預(yù)防和處理提供科學(xué)依據(jù)，它包括以下任務(wù)：

(1)積累設(shè)備運行情況資料和數(shù)據(jù),建立設(shè)備運行的歷史檔案；

(2)對設(shè)備運行狀態(tài)處于正?；虍惓Ｗ龀龀醪脚袛?，根據(jù)歷史檔案、運行狀態(tài)等級和已出現(xiàn)的故障特征及征兆初步判斷故障的性質(zhì)和程度；

(3)對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行評估，并對評估進(jìn)行分類，為設(shè)備檢修的實施提供依據(jù)。

電力設(shè)備在線監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢是：

(1)電力系統(tǒng)監(jiān)測與前沿性技術(shù)成果緊密結(jié)合：將計算機技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、電力電子技術(shù)與設(shè)備診斷技術(shù)結(jié)合起來,使診斷技術(shù)不斷提高；

(2)單一化向群體監(jiān)測發(fā)展：由以單臺設(shè)備為目標(biāo)的在線監(jiān)測向整體在線設(shè)備的監(jiān)測延伸；

(3)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤：將設(shè)備監(jiān)測技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在設(shè)備狀態(tài)參數(shù)采集后，采用移動通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)，集中進(jìn)行故障分析和故障預(yù)警；

(4)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、集成：隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的日益成熟，將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與繼電保護(hù)等系統(tǒng)有機結(jié)合，在智能化理論(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng))的基礎(chǔ)上結(jié)合信號采集、數(shù)據(jù)分析為主的計算機輔助監(jiān)測和診斷技術(shù)，電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障分析診斷必將進(jìn)入智能化的新時代。

根據(jù)上述電力設(shè)備在線運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和發(fā)展趨勢，結(jié)合監(jiān)測技術(shù)未涉足電力變壓器的現(xiàn)狀，本文針對電力變壓器，提出了在線運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)了在線運行參數(shù)的采集處理[2-3]，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并結(jié)合“電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺[4]”，實現(xiàn)電力變壓器的故障分析和預(yù)警服務(wù)。

1 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由傳感器、變送器、ARM9 CPU、RF發(fā)射模塊（USB GPRS 模塊）等組成。

1.2 工作流程

圖2給出了電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的部分電路。

[!--empirenews.page--](1)前端數(shù)據(jù)采集：電力變壓器的監(jiān)測參數(shù)包括溫度、電壓/電流和開關(guān)狀態(tài)三類參數(shù)，其中溫度和電壓/電流為模擬量，溫度信號通過溫度傳感器獲取，電流/電壓信號通過電流/電壓變送器獲?。荒M量獲取后的取值均為0~5 V的電壓信號，均經(jīng)過信號隔離電路LM339后輸入到多路轉(zhuǎn)換電路CD4051，之后經(jīng)由采樣保持電路LF398，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，將獲取的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由CPU進(jìn)行數(shù)字處理；開關(guān)狀態(tài)為開關(guān)量信號，通過去抖和整形信號處理后，交由開關(guān)量信號接收電路送至CPU，然后由CPU進(jìn)行統(tǒng)一地信號處理。

(2)數(shù)據(jù)處理：CPU對采集的模擬量和開關(guān)量進(jìn)行排序和歸一化處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，并按窗口方式進(jìn)行移動保存，同時對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行異常判斷，加注異常標(biāo)識，以便優(yōu)先上傳和處理。

(3)數(shù)據(jù)上傳：CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口電路和帶USB接口的射頻電路(USB GPRS模塊)，優(yōu)先上傳帶有異常標(biāo)識的數(shù)據(jù)，在沒有異常標(biāo)識的情況下，定時輪流上傳模擬量和開關(guān)量信號。

(4)數(shù)據(jù)顯示：通過LED構(gòu)成的顯示電路，在LED上輪流顯示采集的溫度值、電壓/電流值。

(5)配置管理：通過RS485接口電路接受遠(yuǎn)程配置管理，包括采集數(shù)據(jù)整定值、數(shù)據(jù)保存窗口大小、異常數(shù)據(jù)閥值、上傳數(shù)據(jù)格式、上傳信號通道配置、上傳信號時間配置等。

2 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)實施參數(shù)

2.1 系統(tǒng)實施參數(shù)

(1)CPU：(ARM9)AT91RM900，主頻266 MHz；
(2)A/D轉(zhuǎn)換：12 bit；
(3)操作系統(tǒng)：嵌入式Linux；
(4)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：CD4051，8路；
(5)模擬量：支持8路；
(6)開關(guān)量：支持8路；
(7)RF模塊：采用移動網(wǎng)絡(luò)(GSM)的USB GPRS接口模塊；
(8)遠(yuǎn)程通信接口：RS485，用于系統(tǒng)配置；
(9)顯示：2×6 bit LED。

2.2 軟件參數(shù)配置

(1)采集點數(shù)配置：根據(jù)實際采集點配置采集點數(shù)；
(2)采集參數(shù)值整定：歸一化參數(shù)映射值；
(3)異常整定：采集參數(shù)連續(xù)3次超過整定值，即為異常；
(4)遠(yuǎn)程通信整定：包括傳輸通道配置、傳輸時間配置、傳輸優(yōu)先級別配置。

2.3 采集參數(shù)

(1)溫度采集點數(shù)：3路；
(2)電壓采集點數(shù)：3路；
(3)電流采集點數(shù)：2路；
(4)開關(guān)量采集點數(shù)：4路。

本文給出的針對電力變壓器的監(jiān)測系統(tǒng)，可以擴展應(yīng)用于其他的電力設(shè)備，例如箱式變電站、高壓開關(guān)柜等尚未進(jìn)行監(jiān)測的電力設(shè)備。其中的模擬量采集信號可以進(jìn)行擴充，達(dá)到32路，開關(guān)量采集信號可以達(dá)到16路。為了保證系統(tǒng)的抗干擾性，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)采用高抗干擾性能的USB GPRS模塊，并采用信號監(jiān)測及返回校驗和看門狗，保證遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃?。并采用相?yīng)的電磁屏蔽方式，對系統(tǒng)中的核心部件進(jìn)行屏蔽處理。