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上海交通大学硕士学位论文 4 基于虚拟仪器技术的电力变压器冲击故障诊断系统的研究 摘 要 本文研究的内容是通过电力变压器冲击试验来实现电力变压器故障 的在线检测。整个系统共有三部分组成，分别是采集测量部分、滤波算 法部分和故障诊断部分。 首先利用 labview 虚拟仪器技术建立冲击信号 采集测量平台。考虑到冲击试验中的信号都是时变信号，也就是非平稳 信号，因此设计了一种基于离散 gabor 变换的软件滤波算法对冲击信 号进行滤波，其滤波理论依据是：有效信号的 gabor 系数在时频域分布 比较集中，幅值比较大，噪声的 gabor 系数均匀分布于整个时频域，幅 值较小，通过构造时频掩模函数来实现有效信号与噪声的分离。实践证 明这是一种比较理想的滤波算法，完全满足试验的要求。故障诊断建立 在对滤波后信号的分析的基础之上。传统的故障诊断方法如冲击电压波 形法、中性点电流法和传递函数法等，主要靠人工操作，和技术人员的 能力、经验有很大关系，因此各自都存在着局限性。本文在这些传统方 法的基础上，提出了一种新的基于联合时频分析的故障诊断方法。该方 法首先根据滤波后的冲击信号得到差异电流信号，然后对差异信号进行 联合时频分析，得到时频分布图。不同的时频分布图反映不同的故障特 征，不同的故障反映在时频分布图上也是不同的。通过建立故障时频分 布图数据库，就可以实现电力变压器故障的自动定位、识别。由于该方 法完全由计算机完成，较传统方法准确性比较高，应用前景更为广阔。 关键词：冲击试验，labview，离散 gabor 变换，联合时频分析 上海交通大学硕士学位论文 5 study of impulse fault discrimination system for transformer impulse test basedon virtual instrument abstrct the thesis shows a new impulse fault discrimination system for transformer through transformer impulse test. first, establish a platform for data collecting based on labview. the signals during transformer impulse test are considered to be evolving in time, also is non-stationary signals, so we can design a software algorithm for noise reduction based on discrete gabor transform, and the basic principle is: the gabor coefficients of effective signals during transformer impulse test is centralized in the time frequency range, and the peak-to-peak value is big, whereas the noise gabor coefficient distribute in the entire time frequency range equally, the peak-to-peak value is small, we can realize the desired signal and the noise separated through frequency mask function. it is proved that this is a kind of quite effective filter algorithm, satisfies experimental request completely. then we can diagnosis after the filter. traditional diagnosis method like neutral point current comparison , the transfer function method and so on, because mainly is depends on artificially judges, and has big relations with personnels technical ability and experience, so its inevitable to be along with some shortcomings. the thesis shows a new method based on the joint time frequency analysis, first get the difference current signal, then make joint time frequency analysis and get the joint time frequency distribution. 上海交通大学硕士学位论文 6 different fault has different joint time frequency distribution. we can establish fault time frequency distribution database, and realize fault discrimination automatically. the method operated by computer wholly, so it has better accuracy and more application space. key words: impulse test, labview, discrete gabor transform, joint time frequency analysis 上海交通大学硕士学位论文 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：元 勇 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 3 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：元 勇 指导教师签名：朱旭东 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 电力变压器是电力系统中重要的输变电设备，其运行状况直接关系到发、供电 系统的安全性和供电系统的可靠性。 电力变压器的在线故障诊断是指在设备吊罩、不解体的情况下，根据经验和数 据，采用一定的技术手段对变压器所处状态进行判断、对变压器已有的故障及其发 展变化进行跟踪诊断和估计的技术。如果能够准确诊断和估计变压器的故障及其发 展变化，就可以制定最佳维修策略。所以说，对运行中的电力变压器进行故障检测 和诊断是提高电力系统运行的安全性和供电可靠性的关键之一。 1.1 电力变压器的基本结构 变压器，由于其在电力系统中的重要作用被称之为电力系统的心脏。本文称之 为电力变压器。按照电力变压器冷却和绝缘物质的不同，可归纳为三大类： （1）油浸式电力变压器，采用矿物油做为冷却和绝缘介质； （2） 气体绝缘电力变压器， 采用人工合成的气体， 如 sf6 做为冷却和绝缘介质； （3）干式电力变压器，采用空气做为冷却和绝缘介质。 按照电力变压器的结构又可以大致分为: （1）密封式电力变压器，变压器内部介质与外部大气相隔绝，与之对应的是非 密封性变压器； （2）双线圈电力变压器，只包括高、低压两个线圈的变压器，结构上比较简单 是变压器的基础结； （3）多线圈电力变压器，每相有两个以上线圈，分别连接到电压等级不同的线 路上，常见的为三线圈变压器，既有高压、中压和低压三组线圈； （4）有载调压电力变压器，装有有载调压分接开关，能在运行中带负载进行调 压的变压器； （5）自祸电力变压器，至少有两个线圈具有公共部分的变压器，期线圈之间除 上海交通大学硕士学位论文 2 了磁祸合外，有电路上的直接连接，因此与同容量的双线圈变压器相比， 结构尺寸比较小。 按照电力变压器的使用要求又可分为: （1）发电机用变压器，低压侧与发电机母线相连，高压侧与输电线路相连的升 压变压器，是发电厂的主变压器； （2）联络变压器，变电站或发电厂用于连接两个电压不同的输电线路，并可以 按照电力潮流的变化，每侧都可以作为一次或二次侧使用的变压器； （3）升(降)压变压器，是指将一种电压等级升(降)到另一种电压等级的变压器； （4） 厂用变压器:是发电厂内作为动力或照明等电源用的变压器， 一般阻抗较高， 多直接接于发电机母线。 目前，绝大多数的电力变压器仍是油浸式变压器。 变压器的结构由变压器本体和变压器附件这两大部分构成。变压器本体的主要 部件包括以下几个部分：线圈、铁心及其夹紧装置等构成的变压器器身；用于变压 器器身冷却、绝缘和防腐作用的变压器油；容纳变压器器身和变压器油的油箱。变 压器附件是指：变压器套管、变压器油枕、有载分接开关、变压器冷却系统、变压 器本体保护装置及其测示仪表等。 1.2 电力变压器的故障统计 本文以电力系统 1990-1999 年期间的 328 台 110kv 及以上电压等级的电力变压 器事故和故障统计资料为基础，通过对 110kv 及以上电压等级电力变压器故障数据 的整理分析，其故障按部位可分为绕组故障、铁心故障、分接开头故障、引线故障、 套管故障、绝缘故障、冷却系统故障、密封不严、散热器故障以及其他故障等，如 下表所示： 上海交通大学硕士学位论文 3 表 1-1 电力变压器的故障统计 table 1-1 statistics of power transformer breakdown 1）绕组故障 绕组中的故障，即发生在变压器线圈、纵绝缘和端子中的故障。绕组中的故障 主要表现在以下几个方面: （1）如果用来绕制线圈的铜导线的棱表面有毛刺或棱的曲率半径较小，那么当 运行中的变压器在承受重复的电磁力作用时，尤其是当变压器外部短路或合闸操作 时的电磁力冲击时，导线上的毛刺活陡棱将损坏绝缘进而导致线圈匝间短路。 （2）如果变压器线圈的接头因焊接等等致使质量欠佳，线圈引出线和套管导电 杆连接不好，变压器在运行中会由于接头过热而导致局部绝缘劣化，严重者会由于 接头断开而造成绕组断路。 （3）如果线圈的绝缘中渗入水分或器身干燥处理的不彻底，变压器容易发生匝 间短路。 （4）运行中的变压器遭受严重的外部短路时，在电动力和机械力的作用下，变 压器绕组的尺寸或形状将发生不可逆的变化。经常表现为绕组轴向和径向尺寸的变 化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。绕组变形是目前变压器稳定运行的 一大隐患。 2）铁心故障 变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量主要部件，要使变压器可靠运行，除 绕组质量合格外，铁心质量好坏是决定正常运行的关键。磁路中的故障，即出现在 变压器的铁心、铁扼及其夹件中的故障。磁路中的故障主要表现在以下几个方面: （1）铁心叠片之间的绝缘或与铁扼夹件之间的绝缘也可能产生损坏。此时会产 生很大的循环涡流，并由此产生可观的热量，从而危及铁心和线圈的绝缘，变压器 的铁损也会随之增加。 上海交通大学硕士学位论文 4 （2）在变压器铁心制作过程中，若铁心或铁辘叠片的边缘形成较大的毛刺或铁 心叠片间夹杂金属物质甚至铁心叠片产生微小的弯折，则变压器在运行中会由于这 些缺陷导致铁心叠片的局部形成短路，由此产生的涡流会使铁心局部过热。 （3）正常运行中的变压器应确保其铁心为一点接地。一旦形成多点接地，运行 中的变压器轻则发生局部过热，重则导致变压器跳闸甚至造成变压器直接损坏。 3）分接开关故障 有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且经常操作进行切换，也是故障常出 现的部位，统计分析表明，造成有载分接开关故障和事故的主要原因是制造质量不 良。其主要故障形态为： （1）选择开关接触不良，甚至合不到位，造成触头过热、放电烧损及断轴。 （2）切换开关油室密封不良造成大、小油箱连通，使变压器本体油箱中可燃性 气体含量异常增高导致误判断。 （3）操作机构内低压控制电器及辅助元件质量不稳定，造成分接开关拒动、连 调、位置指示失灵等故障。 4）引线故障 引线是变压器内部绕组出线与外部接线的中间环接，其接头是通过焊接而成， 因而焊接质量直接影响到引线的故障发生。 其主要故障模式有:引线短路、 引线断路、 引线接触不良。 引线断路应使变压器立停止运行，引线相间短路如不及时处理会导致绕组相间 短路扩大事故发展成为灾难性故障，属致命性故障。引线对地短路、接触不良将会 产生局部高温烧断引线而使变压器停运，因而属于临界性故障。 5）套管故障 套管是变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置。 它长期遭受电场、 风雨、 污染等影响，易使瓷釉龟裂绝缘油老化。它也是变压器故障多发部位，套管也是电 力变压器与外部电网或设备连接的桥梁。 6）绝缘故障 绝缘系统中的故障:变压器油和绝缘纸、板以及绝缘件构成了变压器油一纸绝缘 上海交通大学硕士学位论文 5 系统，绝缘系统中的故障主要表现在以下几个方面: （1）采用薄绝缘、小油道设计制造的变压器工作寿命短，往往在投运不久就发 生故障。 （2）如果变压器相间绝缘没有足够的裕度，则可能产生相间短路。这种短路故 障有时可能由于在乡间加入绝缘隔板从而破坏了相间电场强度的分布，例如引起油 间隙和隔板的电场强度过高而导致隔板的树枝状放电等。 （3）变压器内部的清洁度要求很高，在变压器线圈表面及器身上即使留下极少 数的金属杂质，对爬电距离也会产生极大影响，运行中因此而产生局部放电进而导 致沿面放电等后果是显而易见的。 7）密封不良 变压器密封不良主要是连接处处理不好，如焊接质量不良、大罩变形、法兰不 平、砂眼以及密封圈失效等原因造成。其后果是漏油、漏气，故障时影响范围大。 故障模式有密封圈老化、瓷套脱落或破裂、箱体焊点裂纹、潜油泵处漏气等。 1.3 电力变压器故障的宏观规律 故障宏观统计规律是指设备故障率随时间变化的规律。变压器的宏观统计规律 表现为浴盆曲线，即故障率随着时间的变化呈两头高、中间低的“浴盆”曲线形状。 变压器的故障率随时间的变化可以线性化为三个阶段:早期故障期、偶然故障期和耗 损故障期。 1）早期故障期:变压器的早期故障起出现在设备使用的 1-3 年，其特点是故障 率较高，且故障率随着时间的增加而迅速下降。变压器的早期故障通常是由于设计、 制造上的缺陷等原因引起的，例如设计不合理，使用材料不合格，装配不当，焊接 不良，质量检验不认真等造成的。 2）偶然故障期:在早期故障期之后是变压器的有用寿命期，称之为偶然故障期。 其特点是故障率低且稳定，故障的产生是随机的。偶然故障是由偶然因素引起的， 如技术参数突然超过极限值，工艺缺陷、材料弱点在偶然因素的激发下，维护不良、 上海交通大学硕士学位论文 6 操作失误，运行环境的突变等因素造成的。 3）耗损故障期:耗损故障期出现在变压器的有用寿命期的末期，其特点是故障率 随时间的增加而加大。损耗故障是由于变压器内部的物理变化、化学变化或生物变 化所引起的磨损、疲劳、腐蚀、老化、极化、损耗、阻抗增大、振动位移等原因所 造成的。 1.4 电力变压器冲击试验 冲击电压是指在短时间内迅速产生极高电压的过程，该过程持续时间一般不会 超过 1s，冲击电压会对电子设备、建筑物、通讯设施产生巨大的危害。这些情况从 电源防护的角度来看，可以归纳为两种类型：一种是具有周波性质的，电压变化率 不太大的一般过电压， 例如谐振 （也称为操作过电压） 。 另一种类型是具有突发性的， 瞬时功率极大的过电压，其典型例子就是雷电过电压，这种类型的过电压在国际标 准中称为 surge（浪涌）过电压。在国内，人们习惯称为雷电过电压。 电力变压器在电力系统运行过程中不可避免会受到瞬态大气过电压或操作过电 压的作用，为了核查其绝缘性能或保护性能，变压器制造厂（或修造厂）必须对所 生产或修葺的变压器做冲击电压耐受试验，包括雷电冲击电压试验和操作冲击电压 试验。通常情况下，冲击电压试验系统由五部分组成，如图 1-1 所示。 整流充电 电源 冲击电压 发生器 试品 冲击电压 测量系统 控制回路 图 1-1 冲击电压试验系统框图 figure 1-1 instruments of impulse testing 上海交通大学硕士学位论文 7 1.4.1 雷电冲击试验 雷电冲击电压试验采用全波电压波形或截波电压波形，电压持续时间短，约几 微秒或几十微秒。 全波是具有一定极性的非周期脉冲电压波。在时间间隔 m t内，电压从零上升到 最大值，然后在时间间隔 m tt 2 内下降到最大值的一半。电压从零上升到最大值所 需要的时间称为波头时间，用 m t表示。电压经过最大值在下降到最大值的一半所需 要的时间称为波尾时间（或者波长时间） ，用 2 t表示。如图 1-2 所示。 图 1-2 雷电冲击电压全波 figure 1-2 lightning impulse wave 在实际的冲击电压波形图中，起始部分通常比较模糊，在最大值附近波形比较 平滑，很难确定真正的起始零点和到达最大值的时间。通常采用视在波头时间 f t和 视在波尾时间 t t 来定义冲击电压波形。 为了区别起见， m t可称为理论波头时间， 2 t为 理论波尾时间。 1.4.2 操作冲击试验 操作冲击电压的波头时间为几十至几百微秒。波尾时间为几千微秒。与雷电冲 击电压波比较，操作雷电压(流)的持续时间比较长，在操作雷电压(流)的产生和试 验方面有其特殊的问题和物理现象。国际电工委员会（iec600601）和国标 （gb/t16927.1）规定操作冲击波形参数为：25020%/250060%s。 上海交通大学硕士学位论文 8 操作波冲击试验通常采用非振荡性操作冲击电压波。对变压器等具有绕组的电 气设备进行试验时，也可以采用振荡性操作冲击电压波。 按照标准，操作冲击电压波形的规定如图 1-4 所示。与雷电冲击电压波的有关 定义不同，操作冲击电压波的起始点和波峰点比较清楚，各波形参数是以实际原点 和波峰点作基准点。 图 1-3 非振荡操作冲击电压波 figure 1-3 non-oscillating operating impulse wave 1.5 本文研究内容和解决问题 本文希望通过电力变压器的冲击试验来实现电力变压器故障的在线检测和诊断。 在电力变压器冲击验中，如何判断其是否存在故障是个比较复杂的问题。有些 情况下，变压器会出现一些明显的故障特征，如：油箱中有声响，或是有冒烟和气 体溢出等现象发生；冲击试验后变压器的空载电流和空载损耗明显增加等，此时故 障判断较为容易。但大多数情况下，被试产品的绕组仅仅是发生了较小的损伤，而 没有形成严重的击穿，这时候就不太容易判断，因而需要灵敏度更高的方法来诊断。 基于冲击试验的电力变压器故障在线检测是以试验波形为基础的。本文需要研 究和解决的问题是： （1）瞬态过电压、响应电流测量采集装置； （2）长瞬态过程的高速连续数字化采样记录，数字序列噪声的滤波算法； （3）基于瞬态信号分析的故障识别原理与方法。 上海交通大学硕士学位论文 9 第二章 基于虚拟仪器技术的采集测量平台 要想通过冲击试验实现电力变压器的在线故障检测，首先要解决的问题就是如 何采集冲击试验中的瞬态过电压和响应电流信号，即瞬态信号。所谓瞬态信号，是 指经过一段时间后信号幅度趋于零或某个常数的强时变的短时段函数，具有短时、 非平稳、宽频带、能量集中等特点。因此冲击试验信号中含较高的频率成分，同时 需要对信号进行单次捕捉，所以对数字信号采集单元的要求很高。本章要解决的问 题是：建立基于虚拟仪器技术的瞬态信号采集装置。 2.1 虚拟仪器技术（virtual instrument）简介 2.1.1 传统电子仪器 传统电子仪器主要由三大模块组成：即对被测信号的采集与控制、分析与 处理、 测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能块都是以硬件或者固化的软件的 形式存在的，因此具有以下弱点： 1) 灵活性和可扩展性差：传统电子仪器是一套自封闭系统，具有固定的用户界 面、组成模块和数据处理功能。例如仪器面板由固定的输入、输出信号接插件、旋 钮、按钮、显示仪表、显示面板等组成，仪器内部由传感器、信号处理器、a/d 和 d/a 转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路组成。然而，用户有时 只需要用到仪器中的一小部分功能，或者作其他功能使用时却达不到所需指标，而 用户无法改动厂家固定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。 2) 成本高，技术更新慢：传统电子仪器价格昂贵，动辄几十万上百万人民币。 开发周期长，技术更新慢，而且存在元器件老化等问题，维护费用高，使用寿命短。 3) 数据显示、 分析和存储功能不够强大： 传统电子仪器的图形显示界面比较小， 依靠人工读取数据，从中获得的信息量小。由于硬件设备的限制，往往无法实现更 上海交通大学硕士学位论文 10 灵活、更特殊的数据分析功能，更难以进行数据编辑、存储、打印等功能。 2.1.2 虚拟仪器的概念 如上所述，传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动 化和测量领域的需要。随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处 理能力使得它的应用范围越来越广。1986 年，美国 ni 公司（national instruments） 提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生 产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。 简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。平常 使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器， 都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。 2.1.3 虚拟仪器与传统仪器的对比 虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化等方面，有着得天独厚的优势，是传统仪 器无法媲美的。下面将虚拟仪器与传统仪器进行一下全面对比： 1) 灵活性：传统仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂 家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。 2) 费用：虚拟仪器的开发维护费用更低，系统组建时间更短。只需通过增加软 件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，而且有利 于系统的扩展。另外，由于虚拟仪器的结构基于软件体系，所以应用软件不像传统 仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，可以大大节省一笔维护费用，从而延长设 备的使用寿命。低廉的开发成本使虚拟仪器更有市场竞争力，据估算，虚拟仪器价 格仅是传统仪器的五到十分之一。 3) 用户化：传统仪器用户界面小且简单，用户操作起来不够方便，提示信息也 较少。而虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户界面，通过多种数 据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然。即便是有特殊要 上海交通大学硕士学位论文 11 求的复杂界面，也可以借助更深入的编程技术得以实现。 4) 测量误差：传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，往往 会影响测量结果， 而虚拟仪器在 pc 机上运行， 不同的 pc 机上运行具有相同的效果， 个体差异很小。 5) 数据处理：计算机运算速度的日益提高，使虚拟仪器处理数据的过程非常快 速，而数字信号处理理论的成熟发展使得数据处理过程更为可信、精确。传统仪器 无法编辑数据，而虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。 6) 软硬件接口： 传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限， 而虚拟仪器在普通 pc 机上就可 实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，现在流行的 daq(数据采集)卡、gpib(通用接口总 线)卡、vxi(系统控制接口卡)、plc（可编程逻辑控制器）等都可以插入计算机插槽。软件方面， 可以方便地与 c、matlab 等接口式调用，可与数据库连接，以及方便地支持网络传送数据。 2.2 实验室虚拟仪器工程工作平台 labview 虚拟仪器是一种全新的仪器概念，在自动化检测领域的应用正方兴未艾，而 ni （national instruments）公司的实验室虚拟仪器工程工作平台 labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是科学家和工程师们进行虚拟仪器应用开 发的首选工作平台。 2.2.1 labview 编程语言的特点 labview 是一个基于 g（graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界 中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研 究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们 利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。 labview 编程语言最主要的两个特 点是图形化编程和数据流驱动。 1）图形化编程 labview 与 visual c+、visual basic、labwindows/cvi 等编程语言不同，后 几种都是基于文本的语言，而 labview 则是使用图形化程序设计语言 g 语言，用框 上海交通大学硕士学位论文 12 图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源 代码不是文本而是框图。一个 vi 有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接 器。框图是程序代码的图形表示。 labview 的框图中使用了丰富的设备和模块图标，与科学家、工程师们习惯的大 部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。多样化的图标和丰富 的色彩也给用户带来不一样的体验和乐趣。 前面板是 vi 的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输 入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格 等各种不同方式显示出来。 图标是 vi 的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每一个 vi 都有图标和 连接器。用户要做的工作就是恰当地设置参数，并连接各个子 vi。编程一般步骤就 是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程，与烦琐枯燥的文本编程相比 更为简单、生动和直观。图 2-3 所示的是一个子 vi 的图标和连接器。 图 2-1 虚拟仪器（vi）的图标和连接器 figure 2-1 picture bid and connector of vi 如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示面板， 提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是仪器的 核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件 和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。 2) 数据流驱动 宏观上讲，labview 的运行机制已不再是传统上的冯诺伊曼式计算机体系结构 的执行方式了。传统计算机语言（如 c 语言）中的顺序执行结构在 labview 中被并 上海交通大学硕士学位论文 13 行机制所代替。本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序中的每 一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。既然 labview 程序是 数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够 被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是 labview 中被连接 的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序 执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有 多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。 鉴于 labview 测量领域所体现出来的优越性，越来越多的工程师开始用它来作 为开发工具。 2.3 基于 labview 的系统硬件设计 构建基于计算机的虚拟仪器自动测试系统，需要有相应的硬件来支持。虚拟仪 器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。基础硬件平台目前可以选择各种 类型的计算机或工控机；仪器硬件设备主要包括：各种计算机内置插卡盒外置测试 设备。根据所用仪器硬件不同，虚拟仪器可分为 gpib（ieee488）总线式、计算机 数据采集卡和信号调理为仪器硬件而组成的 pc 总线式、vxi 总线式、pxi 总线式、 并行总线式、串行总线式、现场总线式等不同的硬件体系结构，目前虚拟仪器的发 展主流是 gpib、pc-daq、vxi 和 pxi 四种标准体系结构。 2.3.1 gpib 总线的硬件描述 gpib 总线（general purpose interface bus，通用接口总线）即 ieee488 总线， 由于最初它是由 hp 公司提出来的，所以也称为 hpib 总线。gpib 总线是专用的仪 器控制总线，一般是通过 gpib 板（pc/xt、isa 或 pci 插槽式）或外部 gpib 控制 器和无源 gpib 标准电缆来实现数据通讯，在组建自动测试系统时，用无源的标准电 缆连接计算机和程控仪器，可以很方便的把不同国家、厂商以及不同时间生产出来 的仪器集成到一个测试系统中，仪器总数不允许超过 15 台。 上海交通大学硕士学位论文 14 gpib 总线通过 24 根线与仪器设备进行通讯， 包括 8 根数据线， 3 根信号交换线， 5 根通用控制线和 8 根地线。 连接在总线上的设备称为器件， 它们分为三类： “控者” 、 “讲者” 、 “听者” ，其中“控者”器件是系统的指挥者，能够发布各种命令、对接口 系统进行管理，一般采用计算机，例如计算机插上 gpib 卡并配以专门的软件就成了 “控者”器件； “讲者”器件指的是往总线发送数据的设备，在系统运行时，当“控 者”退出控制后， “讲者”器件能够发布测量数据、报告内部状态或者发布仪器程控 命令； “听者”器件指的是能接收“控者”发出给指定器件命令或者接收讲者器件发 出的数据、程控命令的器件。在一次数据传输的过程中，只能有一个“讲者” ，但可 以指定多个“听者” 。gpib 总线的数据传输方式是所谓的“三线挂钩”式的应答关 系，通过 3 根信号交换线实现双向全锁异步数据传输，系统中各器件通过标准电缆 （母线）连接在一起， “控者” 、 “讲者” 、 “听者”随时间的不同而不同。某一时刻某 器件可能是通过母线接收消息，另一时刻，该器件又可能通过同一母线发送消息， 在母线上看，消息的传递是双向的，只不过双向不能同时进行；对于接收消息的各 器件来说，可能有快有慢，是异步进行的，系统中不采用统一的时钟来控制数据传 输速度，而是由发送数据与接收数据的仪器之间相互直接“挂钩”来控制数据传输 速度，可自动适应设备的数据传输速率，最大的数据传输速度为 1mb/s。 2.3.2 测量采集装置硬件结构图 传统的测试系统使用双踪高压示波器来记录通过同轴电缆传送进来的模拟电压 和电流信号，然后通过拍照的方式记录波形，最后对波形照片进行人工比对，从而 判断变压器是否出现故障。电压和电流波形记录的硬件系统结构分别如图 2-2 和图 2-3 所示。 上海交通大学硕士学位论文 15 冲 击 电 压 发 生 器 试 品 分 压 器 测量 仪器 同轴电缆 接地回路 匹 配 电 阻 高 压 示 波 器 和 峰 值 表 图 2-2 电压测量系统 figure 2-2 voltage measurement system 测 量 仪 器 uvw uvw i r r 1 z 高 压 示 波 器 u、v、w变压器高压绕组 u、v、w短路接地的低压绕组 r中性点示伤电阻 z同轴电缆 r1匹配电阻(r1z) 图 2-3 电流测量系统 figure 2-3 electric current measurement system 这种测试系统在过去很长一段时间的工程时间中确实发挥了非常大的作用，甚 至到现在，仍然有很多地方在使用。然而随着时间的推移，特别是电子、计算机以 及自动测试技术的不断发展，这种传统测试系统的缺陷日益明显：完全凭人工观察 来判断波形的差异缺乏说服力，容易引起争议；波形记录困难，拍照方式不可靠， 经常为了记录一次试验的波形而重复多次；不利于节约成本。而如果采用虚拟仪器 技术来开发一套变压器冲击试验自动故障测试系统，则可以大大提高冲击试验的测 试效率和准确性，并且能带来效果明显的经济效益。通过上述虚拟仪器的介绍，基 于这项技术的自动测试系统需要利用数字信号采集单元对信号进行 a/d 转换并存 储，而对于变压器冲击试验，由于信号中含较高的频率成分，且需要单次捕捉，因 上海交通大学硕士学位论文 16 而对数字信号采集单元的要求颇高，一般有两种选择，即：高速数字采集卡和数字 存储示波器，二者各有优缺点。高速数字采集卡体积小，可以根据其不同的总线接 口设计，分别安装在 pc 或工控机中，方便计算机软件对它的控制，且使系统硬件结 构更为紧凑、小型化，但其最大允许输入电压一般比较小，试验中易损坏，且价格 昂贵；数字存储示波器技术较为成熟，抗干扰性好，最大允许输入电压比较高，价 格适中，但体积较大，无法嵌入 pc 机或工控机使用，使得系统结构稍显复杂。考虑 到高压领域的特殊性，再比较二者的优缺点，我们认为，当前情况下，数字存储示 波器更适合变压器冲击试验使用。数字示波器采集到的数据通过 pci-gpib 接口卡， 由系统软件读入计算机进行数值分析。系统硬件结构如图 2-4 所示。 冲 击 电 压 发 生 器 试 品 数字示 波器 计算机 pci- gpib卡 gpib 电缆 u i 接地回路 u试验中采集的被施电压，i试验中采集的示伤电流 图 2-4 信号测量系统 figure 2-4 signal measurement system 2.3.3 pci-gpib 卡介绍 pci-gpib 卡是连接计算机和测量仪器的转接卡，安装于计算机的 pci 插槽中， 其暴露在计算机主机箱背面的接口符合 ieee488 标准，从而使得系统中的计算机可 以通过无源 gpib 电缆与示波器进行通讯。在工作之前，通常要先对 pci-gpib 卡进 行设置。本试验中系选用的 pci-gpib 卡和无源 gpib 连接电缆均为美国 ni 公司的 产品，如图 2-5 所示： 上海交通大学硕士学位论文 17 图 2-5 pci-gpib 卡 figure 2-5 pci-gpib card 2.2.4 示波器选择 由于变压器冲击试验采集的是瞬态信号，因而需要示波器具备单次捕捉的能力。 按照国际电工委员会标准(iec 610831 1992) 的要求，冲击试验数字测量仪器的总 误差应满足：冲击电压峰值测量误差不大于 2%；冲击时间参数的测量误差不大于 4%。为达到上述要求，冲击试验数字测量仪器的一些技术规格应满足一些特别的规 定： 1）采样率 采样率应大于或等于 30/tx（采样数/秒） 。tx为应被数字测量仪器测量的时间间 隔。计算得到冲击试验数字测量仪器的采样率应为：30/0.50360msa/s。 2）额定分辨率 测量冲击电压波形参数时，额定分辨率应小于或等于满量程偏转的 0.4%（二进 制相当于满量程偏转的 2-8） 。 为满足 0.4%的要求至少需使用幅值分辨率为 8bits 的数 字测量仪器。 3）上升时间 冲击测量中用到的数字测量仪器的上升时间tr应小于或等于 max 1/2f，fmax为试 上海交通大学硕士学位论文 18 验回路可能出现的最高振荡频率；同时tr还应不大于 0.03tx。计算得到上升时间tr 应不大于 15ns。 泰克公司的 tds1012 数字存储示波器，如图 2-6 所示。其采样率范围从 5s/s 到 1gs/s，垂直分辨率为 8bits，上升时间ab， 即栅格过稀， 我们将缺乏足够的信息来恢复原信号)(tx， 当然，如果ab过小，必然会出现信息的冗余，这类似于对一维信号抽样时抽样频率 过大的情况。因此，当 1=ab时，称为临界抽样（critical sampling） ； 1ab时，称为欠抽样（undersampling） ； 1l时，称为欠采样。 定义 3.9 离散 gabor 标架（discrete gabor frame） gabor三元组(g,a,b)对应的gabor族（gabor family）定义为： () lmbij nambnm enaiggtmg 2 , = (3-15) 其中n=0,1,n-1，m=0,1,m-1。 如果存在两个常数a、b，+=l，为过采样或临界采样。可得gabor算子的矩阵 表达式： )( ggg gxsx = (3-22) 则对偶窗可由下式求解： 11 )( = ggg gggs (3-23) 显然这种算法比较繁琐，文献6提出了一种快速的算法。 定义 3.12 伪逆（pseudo-inverse） 定义 gg gg为 + 的伪逆： *1* )( gggg gggg + = (3-24) 令 表示大小为 mm 的傅立叶矩阵， i l b lkj kl e 2 =。 大小为mnmn的矩阵 f 定义为 . 00 0 0 00 = l oom mo l f （3-25） 定义大小为mnl的矩阵bfgg， m g g表示一个大小为mn的矩阵，它包 上海交通大学硕士学位论文 38 含 g g的前m行元素。 通过推导，可以得到矩阵b的表示式： + + = )( ) 1(0 )(00)( 0) 1(00 0 ) 1(010 )(0000 magag amg amgalg mg mgg mlgmgg mb om l l moom mo ll （3-26） 为了充分利用矩阵b的稀疏结构特性，引进了两个排列矩阵：pr是一个大小为 mnmn的矩阵，它按照下面的顺序重新排列大小为（mn）的矩阵的行： 1m, 1) 1( , 1n1,n) 1m( ,2n,n, 0 1m, 1 , 0pr + nnm n lll l （3-27） pc是一个大小为ll的矩阵，它按照下面的顺序重新排列大小为（l）的矩 阵的列： 1l, 1bl, 1) 1( , 1m1,m) 1b( ,2 ,m, 0 1l, 1 , 0pc + lll l mbm （3-28） 矩阵b左乘pr右乘pc，重新排列各行各列，得到块对角阵（block-diagonal）w： = 1)-(m 2 1 cgrcr w00 0 w0 00w pfgpbppw l oom mo l （3-29） w的子阵wi大小为nb，表示为 + + + = )()()()( )()()( )()( mlaligmaligalig mlaigmaigaig mligmigig mwi l m l l （3-30） 引理3.1 如果q是一个酉矩阵，那么对任意矩阵a，下式均成立： + =aqaq)( （3-31） 引理3.2 如果w是块对角阵，则它的伪逆w+也是块对角阵： 上海交通大学硕士学位论文 39 = = + + + + + )(w00 0 )(w0 00)(w w00 0 w0 00w w n 2 1 n 2 1 l oom mo l l oom mo l （3-32） 这两个引理的证明参见文献8。 因为矩阵pr、pc和f是酉阵，w是块对角阵，所以 g g的伪逆很容易计算： rcgcrgcgr fpwpgwppfgpfgpw + = （3-33） 用对偶gabor窗函数代替上式中的gabor窗函数，得 = cr pwpfg （3-34） 其中w 与w相似，只需把式（3-29）和式（3-30）中的g换为即可： + + = + )()()()( )( )( mlalimlaimli malimaimi aliaii wi l momm l l （3-35） 引理3.1表明 + = ggg，这意味着 + + = = ww gfpwpfpwpg grcrcg （3-36） wi的元素表示为： ()mmnaigmnwi+=, （3-37） 式（3-37）说明矩阵wi里面的每一个元素都唯一确定了矢量g的一个元素，那 么足够数目的wi就可以代表g的所有元素。式（3-38）说明对偶窗函数的每一个 元素由矩阵wi+唯一确定。 上海交通大学硕士学位论文 40 + + = + )()()()( )( )( mlalimlaimli malimaimi aliaii wi l momm l l (3-38) 当wi的数目足够代表g的所有的元素至少一次的时候，计算这些wi的伪逆便 可以得到。这些矩阵的个数恰好等于a与m的最大公约数s。也就是说计算对偶 gabor窗函数只需要计算s个nb的块对角阵的伪逆。这样大大简化了计算。利用 这种方法求得的具有最小