嵌入式系統(tǒng)在電力變壓器監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是近10年來(lái)備受關(guān)注的研究和實(shí)施領(lǐng)域，是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提，也是智能電網(wǎng)[1]重點(diǎn)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(jī)、水輪機(jī)、勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)、繼電保護(hù)等，均已全部或部分實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。然而，電力變壓器（尤其是配電系統(tǒng)中）卻是無(wú)人問(wèn)津的荒地，完全未納入監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)警服務(wù)的范圍。
    電力設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄、分類(lèi)和評(píng)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(shí)的運(yùn)行記錄資料，為故障分析和診斷提供真實(shí)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(yùn)行情況資料和數(shù)據(jù),建立設(shè)備運(yùn)行的歷史檔案；
    (2)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)處于正?；虍惓Ｗ龀龀醪脚袛?，根據(jù)歷史檔案、運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)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(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)評(píng)估進(jìn)行分類(lèi)，為設(shè)備檢修的實(shí)施提供依據(jù)。
    電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：
    (1)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與前沿性技術(shù)成果緊密結(jié)合：將計(jì)算機(jī)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(lái),使診斷技術(shù)不斷提高；
    (2)單一化向群體監(jiān)測(cè)發(fā)展：由以單臺(tái)設(shè)備為目標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)向整體在線設(shè)備的監(jiān)測(cè)延伸；
    (3)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤：將設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)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(dòng)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(cè)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(cè)系統(tǒng)與繼電保護(hù)等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，在智能化理論(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng))的基礎(chǔ)上結(jié)合信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析為主的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)，電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷必將進(jìn)入智能化的新時(shí)代。
    根據(jù)上述電力設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合監(jiān)測(cè)技術(shù)未涉足電力變壓器的現(xiàn)狀，本文針對(duì)電力變壓器，提出了在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線運(yùn)行參數(shù)的采集處理[2-3]，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(cè)預(yù)警服務(wù)平臺(tái)[4]”，實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的部分電路。

    (1)前端數(shù)據(jù)采集：電力變壓器的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括溫度、電壓/電流和開(kāi)關(guān)狀態(tài)三類(lèi)參數(shù)，其中溫度和電壓/電流為模擬量，溫度信號(hào)通過(guò)溫度傳感器獲取，電流/電壓信號(hào)通過(guò)電流/電壓變送器獲??；模擬量獲取后的取值均為0~5 V的電壓信號(hào)，均經(jīng)過(guò)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后由CPU進(jìn)行數(shù)字處理；開(kāi)關(guān)狀態(tài)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)去抖和整形信號(hào)處理后，交由開(kāi)關(guān)量信號(hào)接收電路送至CPU，然后由CPU進(jìn)行統(tǒng)一地信號(hào)處理。
    (2)數(shù)據(jù)處理：CPU對(duì)采集的模擬量和開(kāi)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(dòng)保存，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行異常判斷，加注異常標(biāo)識(shí)，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(guò)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(shí)的數(shù)據(jù)，在沒(méi)有異常標(biāo)識(shí)的情況下，定時(shí)輪流上傳模擬量和開(kāi)關(guān)量信號(hào)。
    (4)數(shù)據(jù)顯示：通過(guò)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(guò)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(hào)通道配置、上傳信號(hào)時(shí)間配置等。
2 電力變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施參數(shù)
2.1 系統(tǒng)實(shí)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(kāi)關(guān)：CD4051，8路；
    (5)模擬量：支持8路；
    (6)開(kāi)關(guān)量：支持8路；
    (7)RF模塊：采用移動(dòng)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(diǎn)數(shù)配置：根據(jù)實(shí)際采集點(diǎn)配置采集點(diǎn)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(guò)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(shí)間配置、傳輸優(yōu)先級(jí)別配置。
2.3 采集參數(shù)
    (1)溫度采集點(diǎn)數(shù)：3路；
    (2)電壓采集點(diǎn)數(shù)：3路；
    (3)電流采集點(diǎn)數(shù)：2路；
    (4)開(kāi)關(guān)量采集點(diǎn)數(shù)：4路。
    本文給出的針對(duì)電力變壓器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他的電力設(shè)備，例如箱式變電站、高壓開(kāi)關(guān)柜等尚未進(jìn)行監(jiān)測(cè)的電力設(shè)備。其中的模擬量采集信號(hào)可以進(jìn)行擴(kuò)充，達(dá)到32路，開(kāi)關(guān)量采集信號(hào)可以達(dá)到16路。為了保證系統(tǒng)的抗干擾性，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高抗干擾性能的USB GPRS模塊，并采用信號(hào)監(jiān)測(cè)及返回校驗(yàn)和看門(mén)狗，保證遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃浴２⒉捎孟鄳?yīng)的電磁屏蔽方式，對(duì)系統(tǒng)中的核心部件進(jìn)行屏蔽處理。
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