（机械制造及其自动化专业论文）变压器dga智能在线监测仪的研究与开发.pdf

浙江大学硕p 学位论文摘要 摘要 变压器是电力系统中重要的电气设备，对其运行状态进行在线的实时监测是预防重大事 故发生的有效手段。本论文结合“基于温度场模型及特征提取的大型变压器远程监诊方法与 技术的研究”( n o ：5 0 5 7 4 8 1 4 ) 国家自然基金项目，研究与开发了变压器d g a 智能在线监测 仪。论文从智能仪器仪表的角度出发，利用嵌入式系统技术、数据采集处理技术、工业以太 网总线技术以及g p r s 无线网络通信技术，实现了变压器d g a 在线监测仪的基本功能：对 六种变压器故障特征性气体信号进行采集、处理以及与上位机( 监控中心) 之间的数据通信， 在此基础上，又研究，f 初步实现了监测仪的在线诊断、在线识别以及在线软件升级等智能化 功能。 本论文的土要内容如下： 第一章 介纠了国内外变乐器d g a 盎线监测装置的发展现状，分析了两种已应用于实 际生产中的典7 耻产品，论述了变压器d g a 在线监测装置的发展趋势，最后，提出了本论文 的具体研究内容和目标。 第二章分析了变压器d g a 智能在线监测仪的功能，提出了基于嵌入式监测仪底层平 台的模块化设计方案。研究了监测仪数据采集与处理、数字化通信、智能化功能以及监测仪 底层平台的实现技术。 第二章结合监测仪的应用特点，对嵌入式微处理器和嵌入式操作系统做了比较和选 择，构建了以嵌入式a r m 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心的硬件平台和以u c o s i i 为嵌入式 操作系统的软件平台。分析了保证底层平台稳定，可靠运行的方法，对底层平台进行了测试。 第四章 设计了人种特征性气体信号的采集电路，开发了数据采集、线性化处理的程 序。针对半导体气敏传感器对温度以及1 f 目标气体存在的交叉干扰问题，研究了多传感器数 据融合的处理算法。 第五章根据麻h i 场合不同，设计了分别应用工业以太网总线技术和无线g p r s 网络 技术的两种监测仪通信方式。移植了一个嵌入式t c p i p 协议栈1 w l p ，开发了监测仪g p r s 拨号上网稃序。采川m o d b u s t c p 廊埘层协议设计了通信数据帧的格式，最终实现了监 测仪与上位机之间的有效通信。 第六章研究了监测仪的在线识别、在线软件升级以及在线诊断等智能化功能。在借 鉴 e e e1 4 5 1 标准中有关t e d s 格式定义的基础上。实现了监测仪在线识别功能：利用现场 通信技术以及f l a s h 编手早技术，实现了监测仪在线软件升级功能；而监测仪在线诊中则实现 了c p u 诊断、r a m 诊断、r o m 诊断以及数据采集通道诊断。 第七章 对全文进行了总结，弗对今后的研究和开发工作提出了展望。 关键词：变压器状态监测智能仪器仪表嵌入式系统工业以太网g p r s 浙江大学碗t 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n te l e c t r i cd e v i c ei np o w e rs y s t e m , a n do n - l i n er e a l - t i m e m o n i t o r i n go fi t ss t a t u si sa ne f f e c t i v em e a s u r et op r e v e n ts e v e r ea c c i d e n t sf r o mh a p p e n i n g b a s e d o n “r e s e a r c ho f fr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm e t h o d so fl a r g et r a n s f o r m e rb a s e do n t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e la n df e a t u r ee x t r a c t i n g m a t i o n a ln a t o es c i e n c ef u n dp r o j a c t , n o ： 5 0 5 7 4 8 1 4 ) ，t h i sp a p e rp u tf o r w a dt h es u b j e c to f “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt r a n s f o r m e rd g a s m a r to i l l i n em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t f r o mt h ev i e w p o i n to fs m a r ti n s t r u m e n t s ，w ee m p l o yt h e t h c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , i n d u s t r i a le t h e r n e ta n dg p r s w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt or e a l i z et r a n s f o r m e rd g ao n - l i n em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s b a s i cf u n c t i o n s ，w h i c hi n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o no fs i xt r a n s f o r m e r sf a u l t - f e a t u r eg a s e sa n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n s t r u m e n ta n du p s i d em o n i t o r i n gc a n t e lm o r e o v e r , w es t u d i e da n d r e a l i z e do n l i n ed i a g n o s i s ，o i l l i n ei d e n t i f i c a t i o na n do n - l i n es o f t w a r eu p g r a d et h e s e t h r e e i n s t r u m e n t si n t e l l i g e n tf u n c t i o n s t h i sp a p e r sm a i nc o n t e n t sa l es h o w na sf o l l o w s ： c h a p t e ro n e ：i ti n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gs t a t eo ft r a n s f o r m e rd g ao n - l i n em o n i t o r i n g i n s t r u m e n t sa th o m ea n da b r o a d a n a l y z e dt w ot y p i c a lp r o d u c t si nd e t a i lw h i c hi si nr e a lu a f t e r w a r d s ，i tc o n l u d e dt h et r e n do f t r a n s f o r m e rd g ao n - l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n t s a tl a s t ，t h e r e s e a r c hc o n t e n t sa n dg o a lo f t h i sp a p e ri sp u tf o r w a r d c h a p t e rt w o ：i ta n a l y z e dt h et r a n s f o r m e r so v e r a l lf u n c t i o n s ，a n dp u tf o r w a r dt h ep l a no f b u i l d i n gu pe m b e d d e dm o n i t o r i n g i n s t u m e n t sl o w e rp l a t f o r m w ea l s os t u d i e dm o n i t o r i n g i n s t r u m e n t sr e a l i z a t i o n t e c h n o l o g y f o rd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，i n t e l l e c t u a l f u n c t i o n sa n dl o w e rp l a t f o r m c h a p t e rt h r e e ：a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ，w ec o m p a r e ds e v e r a l k i n d so fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sa n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，a n dc h o s ea r mc p u $ 3 c 4 5 1 0 b c o r eo f t h eh a r d w a r ep l a t f o r m p c o s i ia sc o r eo f s o f t w a r ep l a t f o r m a f t e rl o w e r p l a t f o r mi sb u i l tup ，w ea n a l y z e dt h ew a yo fm a k i n gi ts t a b l ea n dr e l i a b l e t h e nw et e s t e dt h e l o w e rp l a t f o r m c h a p t e rf o u r ：w ed e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ec i r c u i to fs i xf a u l t - f e a t u r eg a s e s ， d e v e l o p e dd a t aa c q u i s i t i o na n dl i n e a r i z a t i o ns o f t w a r e i no r d e rt os o l v et h ec r o s si n t e r f e r e n c eo f n o n e m e a s u r e dg a sa n dt e m p e r a t u r et og a ss c i l s o r s ，w es t u d i e dt h em e t h o do fd a t af u s i o no f m u l t i s e n s o r s c h a p t e rf i v e ：a c c o r d i n gt o d i f f e r e n to p e r a t i n gs i t u a t i o n s ，w e p r o v i d e dt w ow a y st o c o m m u n i c a t ew i t hu p p e rc o m p u t e r ：i n d u s t r i a le t h e m e ta n dg p r sw i r e l e s sn e t w o r k w ep o r t e da e m b e d d e dt c p i ps t a c k1 w l ea n dd e v e l o p e dg p r sd i a l i n gs o f t w a r e u s i n gm o d b u s t c p a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，t h i sc h a p t e rd e s i g n e dt h ef o r m a to f d a t af r a m e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ta n du p p e rc o m p u t e rw a sr e a l i z e d h 浙江大学顾 学位论史a b s t r a c t c h a p t e rs i x ：i tm a d ear e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tf u n c t i o n so fm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t , a n d r e a l i z e dt h r e ei n t e l l i g e n tf u n c t i o n s ：o n - l i n ed i a g n o s i s , o n l i n ei d e n t i f i c a t i o na n do n - l i n es o f t w a r e u p g r a d e o ft h e s ef u n c t i o n s o n l i n ei d e n t i f i c a t i o nr e f e r e dt ot h ed e f i n i t i o no ft e d sf o r m a ti n i e e e1 4 51s t a n d a r d ；o n l i n es o f t w a r eu p g r a d em a d emo ff i e l dc o m m u n i c a t i o na n df l a s h p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ；o n l i n ed i a g n o s i si n c l u d e sc p ud i a g n o s i s ，r a md i a g n o s i s ，r o m d i a g n o s i sa n dd a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l sd i a g n o s i s c h a p t es e v e n ：i tm a d eac o n c l u s i o no ft h i sp a p e r , a n dp r e s e n t e de x p e c t a t i o no ff u t u r e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r , s t a t o t u sm o n i t o r i n g ，s m a r ti n s t r u m e n t s ，e m b e d d e ds y s t e m ，i n d u s t r i a l e t h e m 瓯g p r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特剐加 冀标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力d 高年多月扇和 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阂。本人授权滥姿盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 锄侈物 签字日期：芦。k 年月巧月 签字日期：炒占年月卯日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 变压器d g a 智能在线监测仪的研究意义 电力变压器是借助于电磁感应，以相同的频率在两个或多个绕组之间变换交变电压或电 流的一种静l e 电气设备。从电厂发出的电，要经过很长的输电线路输送给远方的用户( 如工 厂、矿山、城市及农村等) ，为了减少输电线路上的电能损耗，必须采用高压或超高压输送； 另一方面，一般电厂发出的电，由于受剑绝缘水平的限制，其输出电压不能太高。所以需要 经过变压器将其电压升高以后送到电力网。电能送达用户后，又需要将其高电压变成符合用 户各种电气设备要求的额定电压。在电力网中，不仅各区域电网的主系统与分系统之间需要 各种电压等级和容苗的变压器连接，而且其主干网架与受端网架之间的电压等级变化也都是 通过电力变压器米实现。冈此，电力变压器和与之配套的电抗器、电流互感器、电压互感器 等是电力系统中最重要的电气设备。 由于电力变压器通常是安装在户外，运行寿命一般艮达几十年。在长期的运行过程中， 不可避免的会发生一些内部故障并逐步演变为燃烧爆炸型的灾难性事故。传统的预防性措施 是对变压器的电气和机械部州进行定期的检修、维护，但停电检修意味着重人的经济损失， 而被检修的绝人部分变压器可能根本就没有故障，也可能某些变压器在预定的检修期以前就 发生了故障。人型电力变压器本身的价值从数卣万元剑数千万元不等，它所输送的电能的价 值比其本身的价值更大，因此，建立起可以在前停电的情况下，能够对变压器的运行状态进 行实时纪录、能够预测变压器运行状态发展趋势、能够发现变压器的早期故障并及时报警、 能够在故障发生后提供维修人员相关故障信息的这样一套变压器在线状态监诊系统显得尤 为必要口1 。 目前，油中溶解气体分析( d i s s o l v e d g a s a n a l y s i s ) 被世界各国公认为在线监测和诊断 电力变压器早期故障、预防火难性事故的最好的方法。它的原理是当变压器内部存在故障点 时，绝缘油和蚓体绝缘材料在熟电的作用下，会产生h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c o 等 气体，这些气体经对流、扩散而溶解于变压器油中。油中溶解气体的含量及其增长率，与故 障种类以及故障点的能封密度义密切的芙系。通过特殊的采集装置测出油中溶解的各气体成 分含量，据此可以判断变压器的运行状态。冈为d g a 能够在无需停电的情况下进行，且不 受外界电厂和磁场冈紊的干扰，一经提出国内外便展开了基于d g a 方法的变压器在线监测 与诊断系统的赴丌究，取得了一些成果p 4 1 。特别是在诊断方法和机理上，众多专家提出了一 些实用的算法。如i e c 推荐的二比值法、r o g e r s 法、d o m e r b u r g 法等，而在变压器d g a 在 线监测装置方面的研究和开发上往往彼人们忽视，而这又恰恰是基于d g a 的变压器在线监 诊系统中最基本、最前提、最首要的：i = 作。如果不能准确、可靠、快捷的获取变压器运行的 实时状态数据，一切故障诊断的方法理论将无从谈起，同时这些方法理论需要在实际的应用 中不断去验证才能得剑完善和发展。因此，本论文提出了“变压器d g a 智能在线监测仪的 浙江大学硕十学位论丈 第一章绪论 研究与开发”这个课题，不仅对丁将现有的理论成果应_ h j 于实际的生产中、形成实i j 的变压 器在线监诊系统有促进作h j ，而且对于变压器故障诊断理论的丰富与发展有着重要的现实意 义。 1 2 变压器d g a 在线监测装置的发展现状及趋势 1 2 1 变压器d g a 在线监测装置的分类卅 近年来，国内外出现了一些变压器监测装置，可以从测试对象、取气方法和采集信号的 传感器二个方面对它们进行分类。 1 以测试对象分类 测总的可燃气体含量，包括氢气、一氧化碳和各种气态烃类含量的总和。如日本三 菱电力公司研制的t g g 监测装置，能监测出可燃气体的总含量，但不能监测出某一油中溶 解气体的单独含昔，f 且结构复杂，造价高。 测多种气体组分的在线监测装置。目前有：测氢气、甲烷和一氧化碳三个组分；测 甲烷、乙烷、乙烯、乙炔四个组分；测氢气、一氧化碳和a 种烃类共六个组分。 测单一组分氢气的在线监测仪器。这种装置以检测氢气为第一特征量，因此只适合 于现场故障的初步诊断，还需要用色谱分析进行二次诊断。这一类的产品有加拿大电气组件 公司的h y d r a n 系列监测仪、中国北京电子管厂生产的b g y 型变压器在线监测仪等。 2 以取气方法分类 以高分子聚合物分离膜透气的在线监测装置。日本日立株式会社试制了一种聚四氟 亚乙基全氟炕基乙烯基醚( f p a ) 膜，利用f p a 膜透气，利用三根色谱柱对各组分进行分离， 电磁阀控制载气流颦，并用催化燃烧型传感器制成能测六个组分的在线色谱监测装置 抽真空取气方法的装置。根据产生真空方式的不同，又可以分为两种形式；波纹管 和寅空泵脱气的在线监测妓置。这一类的产品如我国东北电力科学研究院用f i d 检测器监 测c h 4 ，c 2 h 6 、c 2 h 4 ，c 2 h 2 四种烃类气体的台线装置，可在 , - - 0 9 h 或1 , 0 9 年内任意选择监 测周期，自动打印出务气体组分的含昔及谱i ! | ，可直接对变压器的运行状态、故障类型和严 重程度进行判断和声光报警。 以油中吹气法的住线监测装置。采用这种基本原理的在线监测装置目前典型的有三 种：载气洗脱法、空气循环法和比色池法。这三种方法在实际运用中却遇到了变压器结构上 给实施带来的诸多困难，而且本身结构复杂，价格高，作为便携式有一定的应用前景，至今 尚未用于变压器在线监测的报道。 3 以传感器分类 以中导体传感器作为检测器的在线监测装置。通常用于气敏元件的半导体传感器是 以s 0 2 为主体的烧结掣1 7 导体，当溶解气体中的氢气含龟增高时。s 。0 2 层的电导增大，传 感器的输出电压将随着含氢茸的增人而近似丁线性下降。在氧化锡内加不同比例的催化捌就 可以控制对不同气体的敏感程度，因此，目前国内外大多采用这种半导体传感器作为变压器 2 浙江大学硕1 学位论文 第一章绪论 油中溶解气体在线监测装置的检测元件。如南非和日本东芝株式会社就是将表面原氧化锡经 过特殊处理后测氢气。 以催化燃烧型传感器为检测器的在线监测装置。其原理是在一铂丝上涂上燃烧型催 化荆，在另一根铂丝上涂上惰性铂丝层，组成阻值相等的一对元件，由这一对元件外加两个 尉定电阻组成桥式检测同路。当与可燃气接触时。一个铂丝发生无烟燃烧发热，阻值发生变 化，另一个铂丝不燃烧阻值不变，使原来平衡的电桥失去平衡，输出一个电信号，该电信号 与可燃气浓度成近似的线性戈系。 以光敏气体传感器为检测器的在线监测装置。近年来，国内外已研制出几种利用吸 收光谱原理制成的光敏气体传感器，由丁这种传感器选择性好。有良好的发展前景。据有关 文献报道，国外已研制出基于分子吸收光谱原理的微量c 2 h 2 监测仪，其灵敏度已达lp l l 。 1 2 2 变压器d g a 典型在线监测装置介绍 1 h y d r a n 2 0 1 型在线监测装置1 5 l l q 加拿大s y p p o t e c 公司研制的h y d r a n 2 0 1 型油中溶解气体在线监测装置由 h y d r a n2 0 1 t 智能传送器和h y d r a n2 0 1 c 。通讯控制器两部分组成，如图1 1 、图1 2 所 示。 圈i ，ih y d r a n2 0 1 l 智能传送器 图1 2 h y d r a n2 0 1 c 。通讯控制器 h y d r a n2 0 i t , 智能传送器是一个温度可控的小圆梓形外壳，可与变压器用于检测的阀 门相连接。它包括h y d r a n 传感器和电子微处理器，通过选择性气体渗透膜对可燃性气体 ( h 2 ，c o ，c 2 h 2 ，c 2 h 4 ) 进行监测。h y d r a n2 0 1 1 , 智能传送器的功能有现场显示气体浓 度以及气体浓度的变化率：故障报警：历史纪录；周期性传感器测试、校准、设踅和自检； 远稃软件升级笆。h y d r a n2 0 1 c 通讯控制器提供了h y d r a n2 0 i t 智能传送器的网络通 讯能力，采川r s 4 8 5 总线将现场监测获得的数据传输剑本地监测诊断中心，也可通过可选 的m o d e m 与远样计算机通讯。 h y d r a n2 0 1 系列在线监测装置的安装图如图1 3 所示。 浙江大学硕t 学位论文第一章绪论 1 h y d r a n 控制器 2 h y d r a n 传送器 3 紧闭球阀 4 数据线 15 供电线 。 6 一供电线 7 报警线 38 - 网络数据线 4 幽1 4b s z j 变压器油中人种溶解气体在线监测装置结构 4 浙江大学硕f 学位论文第一章绪论 1 2 3 变压器d g a 在线监测装置的发展趋势i ，1 0 i 智能化稃度较高的变压器d g a 在线监测装置。不仅涉及传感器技术、计算机及网络、 人工智能等信息技术，而且要解决电磁兼容、弱信号的处理及识别、硬件与软件结合滤波、 远程通信等一系列现场强电磁干扰环境中的复杂技术难题，同时装置本身又包含了油气分 离、信号采集、信号传输及通信、数据处理及智能控制等多种单元。通过分析目前国内外现 有的变压器d g a 住线监测装蓝，可以门纳山有以下几个发展趋势： 1 在线监测装置由以往监测单一组分氢气向着监测多种气体组分的方向发展： 2 以r 导体传感器作为检测器虽然制作困难，造价相对较贵，但在油中、高湿度和温 度变化中能保持长期的稳定性，在多种溶解气体在线监测装置中不需要色谱分离柱 分离气体，是当今变乐器油中溶解气体在线监测技术的发展方向； 3 由丁油中溶解气体住线监测必须尽可能在靠近油流动处安装，使变压器内部因故障 产生的气体尽快纠达检测器而被检测，所以变压器d g a 在线监测装置的现场数据 采集功能越来越强； 4 在线监；1 4 | | 装置中应用微处理器作为控制器越来越广泛，装置的可靠性、数据处理的 准确性进一步提高。另外，微处理器的引入大大增加了变压器d g a 在线监测装置 的智能化水平： 5 变压器远行状态在线监测正在朝着网络化、分布式、远程化的方向发展，所以变压 器d g a 在线监测装置必须具备数字化联网通讯功能。 1 3 本论文的主要研究任务 变压器d g a 在线监测装置从功能和结构上可以分为油气分离和气体检测两个部分。气 体分离的研究内容是使故障特征性气体从绝缘油中分离出来的方法、手段，主要涉及到化学 和高分子材料等学科的知识；后面一部分从本质上说是一种检测气体的现场仪器仪表，它包 括传感器技术、数据采集及处理技术币暾据通信技术。本论文结合国家自然科学基金项目“基 于温度场模璎及特征提取的人砸变压器远程监诊方法与技术的研究”( n o ：5 0 5 7 4 8 1 4 ) ，选择 后面一部分作为研究内容，即从智能仪器仪表的角度开展对变压器d g a 智能在线监测仪的 研究和开发工作。 在确定了论文的研究对象后，按照“从整体到部分”的研究思路，首先从总体上对变压 器d g a 智能在线监测仪的功能进行了分析。并划分为几个具体的模块，然后展开对各个具 体模块技术、方法的研究和实现。 本论文贝体的研究任务主要有： ( i )变压器d g a 智能在线监测仪半导体传感器的研究和选择： ( 2 ) 变压器d g a 智能在线监测仪底层平台的研究与实现。主要针对仪器仪表领域内， 探讨嵌入式软、硬什系统的应用： 5 浙江大学硕卜学位论史第一章绪论 ( 3 )多种特征气体组分的数据采集及处理的研究和实现，包括硬件测晕电路、滤波电 路，以及软什的数字滤波和数字线性化； ( 4 ) 变乐器d g a 智能在线监测仪通信功能的研究和实现，主要为现场总线技术以及 g p r s 无线网络通信技术的戍用研究。通过分析目前现场总线领域的发展现状和趋 势，确定一种合适的现场总线作为通信方案并进行实现，利用g p r s 模块实现监 测仪的无线数据传输。 ( 5 ) 变压器d g a 智能在线监测仪智能化功能的研究和实现，初步实现监测仪的几个智 能化功能：在线诊断、在线识别以及在线软件升级。 1 4 本章小结 目前，变压器在线监测诊断的最好方法是油中溶解气体分析法( d g a ) ，其中一个最重 要的前提性】：t 广就是获取变压器现场特征性气体的浓度数据，因此，研究变压器d g a 智能 在线监测仪有着重要的现实意义。接下来，对国内外交压器d g a 在线监测装置进行了分类， 并详细介绍了两种典掣的裴置，征此基础上门纳出变压器d g a 在线监测装置的发展趋势。 一般来说，变币器d g a 在线监测装置分为油气分离和气体检测两大部分，本论文确定以后 者为研究对象，提出了研究思路和具体的研究任务。 6 浙江大学硕仁学位论文 第二章变b 器d g a 智能在线监测仪总体功能分析 第二章变压器d g a 智能在线监测仪总体功能分析 首先，变压器d g a 智能在线监测仪最基本的功能是对油中溶解的特征气体进行检测， 这就包括了数据的采集和处理技术。其次，一个变压器站一般有很多台变压器需要监测，每 台变压器对应一台监测仪，这些监测仪通过网络技术形成现场监测网，再将现场监测的数据 传输至本地监控中心，如果本地监控中心与i n t e m e t 连接，可实现变压器的远程监测。所以， 变压器d g a 智能在线监测仪必须具备数字通信功能。另外，随着计算机技术和网络通信技 术的应用，仪器仪表智能化水平越来越高，变压器d g a 在线监测仪的智能化功能主要有在 线诊断、在线识别、在戤检测用在线软佴升级，这些智能化功能使得在本地监控中心可以对 各监测仪进彳了统一管理和维护i c l 2 1 。 除了上述的功能外，可能会根据用户的需求的改变可扩充或者删减一些功能，这就带来 了一个不容忽视的问题：由丁二一般的仪器仪表是一个封闭的专用系统，如果要对其进行改动， 无论是硬件还是软什上都将是前常凼难的。本论文正是从这个角度考虑，按照“模块化”的 思想，提出了“仪器仪表底层平台”的概念，即不面向具体应用的，对仪器仪表备功能模块 提供软硬件支持的功能体。 综上所述，变压器d g a 智能在线监测仪的功能结构图如图2 1 所示 囝嘲嘲豳圜圜 幽2 1 变压器d g a 智能在线监测仪功能模块结构图 2 1 监测仪数据采集及处理功能 变压器d g a 智能在线监测仪一个主要特点。就是充发挥内藏微处理器的运算和存储功 能，而微处理器的所有操作，都是以数字的形式进行的，因此，要想用监测仪对变压器的特 征性气体进j j 测靖、处理，就必须首先将变鼙的模拟信号转换成适合微处理器的数字信号 监测仪的数据采集功能止是为这项工作服务的，因而成为变压器d g a 智能住线监测仪的基 础。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章变压嚣d g a 智能在线监测仪总体功能分析 一般而言，一台智能仪器仪表的数据采集系统的硬件由两部分组成：一是信号的硬件滤 波、放大、采样、保持、转换部分；二是微处理器及其接口部分。图2 2 所示的为一数据采 集系统的结构框图。s h 环竹根据系统的要求进行采样并保持采样值，多路开关从s i - i 环节 选择一路送仝盯a d 转换器进行a d 转换，转换的结果( 数字量) 经接口进入微处理器。存 于寄存器或内存中【2 i i ”l 。 舸 l r _ j 多 目a 输入 路 、 接口 开 输出= 母一 关 _ 】广 # 翻瞎导 图2 2 数据采集系统结构框图 数据采集系统的丁作离不开必要的稃序。这些稃序的任务为，对接口装置进行必要的初 始化，确定采样通道、采样频率、中断方式，启动a d 转换器，读取转换结果，存入指定 单元等t 作。 构成数据采集系统的常_ l j 方法为：a 采用多片单一功能器件和分离元件，构成数据放大、 采样保持、a d 转换和接口电路，与微处理器连接后形成数据采集系统，这种方法灵活，可 用于多种情况；b 采f i 单片数据采集系统芯片；c 采用数据采集 及其驱动软件。 数据采集系统的主要技术参数有分辨率、精度、输入信号形式和信号电平、采集速度、 抗干扰能力。对丁变压器d g a 智能在线监测仪来说，其采集的信号是特征气体的浓度， 般是通过电桥将其转换为电压信号，以便于后面测量电路的设计。由于特征气体浓度的变化 是一个缓变晕，采集速度要求较低，但对采集精度要求较高，所以要选用位数较高的a d 转换芯片【1 4 l 。 仪器仪表中，对模拟信号进行采集得纠数字量，还需要做一些数字处理，包括信号的平 均、平滑、微积分，换算，线性化、比较、判断以及显示、控制等，目的在于从测量数据中 找到问题的正确答案，减小仪表的误差和局限性，防止仪表自身可能出现的故障。其次是指 频谱分析、相关计算、统计与评估等较复杂的分析计算。 传统的仪器仪表也能进行信号处理，但必须用复杂的模拟电路和数字电路才能完成与 这些常规的方法相比。智能仪器仪表的数据处理有以下突出优点【l2 j ： 用稃序代替各种电路进行运算处理，可简化硬件，降低成本，提高可靠性； 数据处理精度离、综合性强： 可以进行硬什电路很难实现的信号处理( 如数字滤波、极性相关处理等其他统计处 理) ，可根据对象的变化和外界的情况改变处理方法，实现智能处理。 对于d g a 智能在线监测仪采集的信号，由于变压器站现场存在很强的干扰，利用数字 滤波将干扰信号滤除掉，另外，还需要进行线性化补偿工作，提高监测数据的准确性。 8 浙江大学顾十学位论文 第二章变压器d g a 智能在线监测仪总体功能分析 2 2 监测仪通信功能 变压器d g a 智能住线监测仪的通信功能是将现场采集的数传输到上位机( 一般是一台 p c 机) ，由上位机完成管理和诊断功能。考虑到变压器地域分布形式的不同，监测仪应该具 备有线和无线两种通信的功能。前者主要面向有多台变压器的变压器站，并且设有本地监控 中心的情况，后者面向变压器安装在野外、无人值守、无法布线的情况。 对丁：有线的情况。由于监测仪中采用了嵌入式微处理器，可以采用现场总线技术构建现 场的测控网络，实现全数字化的通信。这样避免了传统的d c $ ( 集散式控制系统) 中一对 一的物理连接、测颦方式，提高了信号传输过程中的抗干扰能力；而对于无线的情况，近年 来在通信领域内发展起来的g p r s 技术已经在无线抄表、远程数据采集及监控中得到了应 用。由于本监测仪所测昔的特征气体信号是缓变信号，数据量小( 几分钟采样一次) ，对传 输的实时性要求不高，这些正好与g p r s 的技术特点相符。另外，g p r s 按照传输的数据量 收费，与其它形式的无线通信方式相比，成本得以降低。f 面就现场总线技术和g p r s 技术 作一概要介纠。 2 2 1 现场总线技术1 1 6 在工业测控领域内，由丁现场总线技术的不可比拟的优势，应用越来越广泛，已成为面 向网络化、分布式测控有线通信的首选。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设 备之间实现戏向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控 制网络1 1 6 - 1 8 j 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的，它打破了传统测控系统的结构形式。传统 测控系统采用一对一的设备连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，这就带来了两个 主要问题：一是模拟信号在传输过程中必然有所衰减，并且受到现场环境的干扰，影响了测 量结果的准确性；- 二是难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成 为“信息孤岛”。现场总线技术将微处理器置入传统的测颦控制仪表，使它们各自都具有了 数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测鼋控制仪表 连接成网络系统，f 按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间 以及现场仪表与远稃监控计算机之间，实现数据传输与数据交换，形成各种适应实际需要的 自动控制系统l j 。 图2 3 为基丁现场总线的测控系统与传统测控系统的结构比较。可以看到，在传统的测 控系统中，俯下现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、 开关、马达之间均为一对一的物理连接；而在现场总线测控系统中，由于采用了智能现场设 备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上 现场设备具备通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀f 】等执行机构直接传送信号，因而控 制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表。直接在现场完成，实现了彻底的分散控 制。 9 浙江大学顾卜学位论史 第二章变件器d g a 智能在线监测仪总体功能分析 痧年i - 孑 眵 固闪肉翁 倡境侧扣系境牿约示童圈现场总线测控系统结构示意圈 图2 3 现场总线测控系统与传统测控系统结构的比较 现场总线系统在技术上具有以下特点【1 1 19 1 1 2 0 1 ： 系统的开放性开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。 如果一个系统是开放的，它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统 连接。一方面现场总线的开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系 统，使不同厂家的设备之间可实现信息交换；另一方面，用户可按自己的需要和考 虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 可操作性和互用性互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送和沟通： 且用性 ! ! j j 意味着不同厂家性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化和功能自治性传感测藿、补偿计算、一【程鼍处理与控制等功能 分散剑现场设备后，仅椎现场设备就能完成自动控制的基本功能，并随时诊断设备 的运行状态。 系统结构的高度分散性现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结 构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，工作在生产现场前端，是专 为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等， 具有较经的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要 求曹。 2 2 2g p r s 无线通信技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是利用“分封交 换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 的概念而发展山的一套无线传输方式”1 。j - 、i l , 设备的状态监测领域 中，在某些场合f 如布线困难、远程化等，需要采用无线的方式传输信息，由于g p r s 技术 的特点，这项技术已逐渐得到应用。 g p r s 技术是在现有的g s m 系统发展出来的，目的是为g s m 用户提供分组形式的数 据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的 1 0 昌 浙江大学硕十学位论史第二章变胙器d g a 智能在线监测仪总体功能分析 调频规则以及同样的t d m a 帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务 信道及其相似，因此现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端剑端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资 源。从而提供了种高效、低成本的无线分组数据业务特别适用于间断的，突发性的和频 繁的、少每的数据传输，也适_ e f 于偶尔的人数据量传输田i 。 g p r s 技术有以f 仉贽f 2 i j ： ( 1 )资源利用率高g p r s 首先引入了分组交换传输模式，这在无线资源稀缺的情况下 显得尤为重要。在整个连接期内，用户无论何时都是独自占有无线通道，但只有在发送和接 收数据时才 用资源。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据； ( 2 ) 传输速度高g p r s 可提供高达1 1 5 k b i f f s 的传输速率，最高可达1 7 1 2 k b i f f s ： ( 3 ) 接入时间短分组交换接入时问缩短为1 秒，能提供快速及时的连接，大幅度提高 效率，使操作更加便捷、流畅； ( 4 )支持i p 协议和x 2 5 协议：g p r s 支持i n t e m e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协 议，而且由丁g s m 网络覆薷面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其他分组网络的全球性接 入。 基于g p r s 通信技术的变压器在线监测的工作原理如图2 4 所示1 2 4 - 2 “。经变压器d g a 智能在线监洲仪采集得到的数据通过g p r s 模块包装成g p r s 分组包，由g s m 发射基站 b b s ( b r o a d c a s t b a s es