（高电压与绝缘技术专业论文）基于虚拟仪器的变压器局部放电在线监测系统的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文在分析国内外变压器局部放电监测技术发展的基础上，在电流传感器、d s p 及c a n 通信接口卡等硬件配合下，以图形化编程语言l a b v i e w 为核心，开发并完 成了一套基于虚拟仪器的变压器局部放电在线监测系统。该系统采用了一套采样速 率可达2 0 m h z 的高速数据采集系统，并采用抗干扰性强、传输速率高的c a n 总线 进行上下位机通信，同时该系统的上位机软件可实现在线监测数据的软件滤波处 理、数据库的信息查询、数据的分析显示和监测信息的网络发布功能。经实验室试 验研究表明，该系统能够达到设计要求并具有一定的现场应用前景。 关键词：变压器，局部放电，在线监测，虚拟仪器，c a n 总线 a b s t r a c t b a s e do n a n a l y z i n g t h e d e v e l o p m e n t o fo n - l i n e m o n i t o r i n gp a r t i a ld i s c h a r g e t e c h n o l o g yi np o w e rt r a n s f o r m e r sa n dc o o p e r a t e dw i t ht h ec u r r e n ts e n s o r ，d s pa n dt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec a r do fc a n ，t h i sp a p e ru s e dt h e g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g el a b v i e w t od e v e l o pa no n l i n em o n i t o r i n gp a r t i a ld i s c h a r g es y s t e mb a s e do n t h ev i r t u a li n s t r u m e n t s t h e s y s t e m u s e dah i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o n u n i t 7 h i c h f r e q u e n c ys a m p l i n gr e a c ht o2 0 m h z ，a n du s e dac a n b u sw i t hs t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e a n dh i g ht r a n s m i s s i o n s p e e d r a t et oc o m m u n i c a t e u p - s i d e m a c h i n ea n dd o w n - s i d e m a c h i n e a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r eo ft h eu p - s i d em a c h i n ec a nr e a l i z es e v e r a l f u n c t i o n ss u c ha s f i l t e r i n gt h e0 n - l i n em o n i t o r i n gd a t aw i t ha n t i - i n t e r f e r e n c es o f t w a r e ， q u e r y i n g d a t a b a s e i n f o r m a t i o n ，a n a l y z i n g a n d d i s p l a y i n g d a t aa n d i s s u i n g o n l i n e m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nt h r o u g hw e b t h ee x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r ys h o w e dt h a tt h e s y s t e mc a nr e a c h t h er e q u i r e m e n ta n dh a sap o t e n t i a la p p l y i n gp r o s p e c t q i nh u a ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e d b yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ，p a r t i a l d i s c h a r g e ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，v i r t u a l i n s t r u m e n t ，c a nb u s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器的变压器局部放电在线 监测系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ：塞：堂 日期：龇壁! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蔓堡导师签名 日期：巡盆。址日期：迎：! ：! f 蔓 亏一 率 兰! ! 生塑查堂堡主竺堡丝茎 第一章绪论 1 1变压器局部放电在线监测的目的和意义 电力变压器是电力系统中的重要电力设备之，必须保证其安全可靠地运行， 一旦发生故障，给工业生产带来的直接和间接损失极其严重。目前5 0 0 k v 变压器的 单台容量己达l5 0 0 m y a ，一台国产5 0 0 k v 、3 6 0 m v a 的三相变压器的价格为1 0 0 0 万元左右。另据国外文献报道，核电机组的日停运损失可超过2 5 万美元，如果事 故大修期间以两个月计，则损失至少为1 5 0 0 万美元。因此，保证大型电力变压器 的安全运行具有极其重要的意义。 电力变压器的运行可靠性很大程度上取决于其绝缘的可靠性。根据电科院对全 国1 1 0 k v 及以上电压等级的变压器事故统计，绝缘事故占绝大多数。变压器的内绝 缘结构目前主要采用油纸绝缘，在工作电压下的局部放电是使油纸绝缘老化并发展 到击穿的重要因素。绝缘缺陷或是在安装中潜伏下的，或是在运行中生长和发展起 来的，如雷电冲击或操作冲击引发内部绝缘弱点产生局部放电，在运行电压下不断 发展，导致故障1 2 1 。 当然，为了预先发现变压器内绝缘存在的隐患，长期以来，电力行业采用定期 大小修和绝缘预防性试验制度，的确也发现了许多缺陷，减少了事故的发生，对于 保证电力系统的安全运行起到了一定的作用，但同时也存在一些不足：1 不方便， 需要停电测试；2 不可靠，两次预防性试验之间的间隔时间较长，对于突发性绝缘 事故难以发现：3 不等效，在单相试验电压下进行的试验不能与在线情况完全等效； 4 ，不经济，需要专用大型高压试验设备，测试系统结构复杂，造价高【3 】。 近年来，国内外的科技工作者和有关部门纷纷致力于变压器的在线监测和状态 维修，也即通过各种监测手段来正确地判断变压器目前的状况，又根据其本身特点 及变化趋势等来确定变压器能否继续运行，因此在线监测能有效地减少维修和试验 的盲目性。通过对局部放电过程中局部放电特征参量的分析和异常征兆的提前发 现，能够较准确地评定绝缘的老化程度，从而有的放矢地在变压器出现故障前兆时 进行维护或更换，不仅有效地提高了供电的可靠性，还降低了电力系统的运行费用。 据日本有关资料报道：由于设备在线监测技术的应用，使每年维修费用减少2 5 5 0 ，故障停电时间减少7 5 【a l 。因此研制低成本、高稳定性和高可靠性的变压器 局部放电在线监测系统是非常必要的。 1 2变压器局部放电在线监测国内外的研究现状 1 华北电力人学硕十学位论文 在国外，5 0 年代以来就相继展_ 丁i ：了局部放电的研究，丌发了许多变压器局部放 电在线监测装置，并取得了一定的成效。日本最早于1 9 8 3 年研制了一套变压器局 部放电在线监测系统，用于监测东京电力公司的一台变压器垆j 。加拿大魁北克省水 电局( i r e q ) 于1 9 8 6 年研制了高压绝缘自动监测仪( a i m ) 【6 j ，对7 3 5k v 单相电 力变压器进行在线诊断。该自动监测仪可同时监测变压器油中气体组分和线路过电 压，采用微机控制和数据处理，当绝缘发生劣化时发出警报。1 9 9 6 年德国研制的局 放监测系统中【7 】，利用外接电容器与高压套管电容构成电容分压器，经高通滤波器 抑制工频及其谐波后得到局放的电容性信号，空心罗氏线圈套在套管底座处测量局 放的电感性信号，两路信号进行软件滤波，消除窄带干扰、周期型脉冲和随机型脉 冲干扰。在国内，也有多家单位研制出变压器局部放电在线监测系统。9 0 年代初， 清华大学电机系研制出在线监测变压器局部放电的微机系统【8 】。被检测的局部放电 脉冲电流信号和声发射信号以频分复用方式通过一根光纤传送至数据采集电路，并 由微机来存储和处理。该系统可以进行离线和在线的局部放电检测、放电量在线标 定、鉴别电磁干扰、分析放电的统计特性和局部放电源定位等。东北电科院研制的 监测系统利用高频电流互感器分别从外壳接地线和末屏接地线上耦台信号，通过选 频滤波抑制窄带干扰，脉冲型干扰利用脉冲极性鉴别装置消除，能够在1 0 6 p c 的外 部干扰下测出3 0 0 0 p c 的变压器内部放电量1 9 j 。武高所研制的监测系统采用带宽 1 0 - 1 0 0 0 k h z 的带宽电流传感器从套管末屏、中性点及铁心等接地线处耦合脉冲信 号，组成“平衡对”消除干扰，同时获得局放脉冲幅值及脉冲个数。该监测系统还 可以利用变压器绕组在特定频率范围内的等值电路的特点得到绕组内部产生局放 时首末端电压( 或电流) 的比值与放电点位置的关系，进行放电点定位【】。2 0 0 0 年左右，西安交通大学和重庆大学也相续研制出自己的变压器局部放电在线监测系 统，并己投入现场运行。 虽然国内外对变压器局部放电在线监测的研究有了很大的发展，但是也存在许 多问题还没有彻底解决，如检测的局部放电中各种信号参量与变压器本身绝缘特性 降低老化程度的关系问题、外部噪声和电磁干扰的抑制问题、同时存在多点放电的 区分和诊断问题以及局部放电信号从放电源n v , 4 量端子( 或传感器) 的传播过程中 的信号失真问题等等。因此，人们需要针对这些问题进一步对变压器局部放电在线 监测进行研究，从而开发出较为适合现场需要的变压器局部放电在线监测系统，推 动电力事业的快速发展。 1 3 虚拟仪器技术 1 ，31 虚拟仪器的产生及概念 2 华北电力人学硕十学位论文 电测仪表发展至今，大体上经历了指针式仪表、数字式仪表和微机化仪表三代。 随着计算机技术的发展，使得现代仪器技术与计算机技术相有机地结合起来，从而 产生功能强大、多变的虚拟仪器。虚拟仪器是由计算机资源( c p u 、存储器、显示 器等) 和通用仪器硬件( a d 、d a 变换器、数字输入输出、定时和信号处理器 等) 与用于数据分析、过程通讯及用户图形界面的软件有效地结合起来而组成的仪 器操作平台【2j 。虚拟仪器结构图如图1 1 所示。 数据采集和控制数据分析数据表达 数据采集卡 c p i b 仪器 p x i 仪器 r s 一2 3 2 仪器 网络 硬拷贝输出 文件i o 图形用户接口 图1 1虚拟仪器结构图 虚拟仪器与传统仪器相比，具有如下优点： 1 性价比高。虚拟仪器的价格一般是同类功能的传统仪器的i 5 一l 1 0 ，而且可以 重复利用，技术更新快( 一般为1 2 年) 。 2 开放系统a 用户可根据需要组成仪器或系统，甚至不用更改任何硬件，只需应用 相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器。这样一改传统仪器的各项功能由厂商定义的 局限性，因此用户具有更大的灵活性。 3 智能化高。计算机强大的分析、计算和逻辑判断能力，可以在其上建立一套智能 专家系统，对于数据则可以编辑、存储、打印，在完善的数据库基础上，k t i n 以实现 数据的检索与分析。 4 界面友好，使用简便。在基于视窗技术的虚拟仪器面板上，用户通过鼠标即可完 成所有功能，人机界面十分友好。测量结果可通过显示器直观地显示出来。 5 具备网络功能。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设以及其 它应用相联系。 6 误差的减小。在虚拟仪器的测量过程中，减少了硬件的使用，因而减小了误差。 正是因为虚拟仪器具有的以上特点，使其在工程实际中得到越来越广泛的应 用。国际上，虚拟仪器早已步入实用阶段，我国虚拟仪器的应用刚刚起步，但发展 迅速，具有良好的发展前景。 1 3 2 采用l a b v i e w 开发虚拟仪器 目前在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国n i 公司的l a b v i e w 及其相应 华北电力人学硕十学位论文 组件和a g i l e n t 公司的h p v e e ，其中n i 的l a b v i e w 系列产品在我国使用比较广泛。 l a b v i e w 是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，它适用于多种操作 系统，用l a b v i e w 设计的虚拟仪器程序可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看 见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了便 捷、轻松的设计环境，设计者可利用它方便快捷的建立自己的虚拟仪器程序而无需 复杂的程序代码的编写旧”1 。 采用l a b v i e w 开发虚拟仪器时，程序包括以下几个部分 2 1 ( 如图1 2 所示) ： 图1 2l a b v i e w 平台编程结构 用户界面：在利用l a b v i e w 编程时，编程的面板被称为虚拟仪器的后面板， 当在后面板上用图标和连线编写程序时，虚拟仪器的用户界面同时在另一个面板上 生成，这一面板被称为前面板。通过用户界面，使用者就可以方便地操作虚拟仪器， 而不管这台虚拟仪器的内部程序是如何实现的。 数据采集：虚拟仪器数据的来源可以是外部独立的仪器或即插即用的数据采集 卡。l a b v i e w 在数据采集方面提供了控制g p i b 、r s 一2 3 2 、v i x 以及n i 公司生产 的各种数据采集卡的函数。但是有时l a b v i e w 不能调用一些数据采集卡或通信卡 的函数，这只能使用一些高级语言( 如c + + b u i l d e r 、v i s u a lc + + 等) 对这些数据采 集卡或通信卡的函数进行封装之后才能调用。 硬件驱动：用软件控制硬件必须有相应的硬件驱动程序。 数据分析：完成数据采集后，通常还需要对数据进行分析和处理。 常包括数据的信号处理、统计、曲线拟合等。 程序控制：程序控制使数据采集、数据分析与用户界面保持致。 程序执行流程的控制逻辑与用户定义的功能函数。 1 4 本论文研究的目的和任务 数据分析通 它包括管理 在变压器局部放电在线监测中，局部放电信号的正确采集以及现场监测时的抗 干扰是变压器局部放电在线监测成功与否的关键。本课题组已经完成了电流传感器 和高速数据采集单元的设计和开发，为了在变压器局部放电在线监测中应用虚拟仪 4 华北电力人学硕十学位论文 器技术，并进一步提高对变压器局部放电在线监测的可靠性和稳定性，本论文需要 完成以下工作。 1 编程实现基于c a n 总线的上下位机通信，使上位机能够控制下位机的运行并能 接收到下位机采集的局部放电在线监测数据，为上位机进行软件滤波、数据存储和 查询、软件分析以及监测信息的网络发布提供前提和基础。 2 针对现场的各种不同的干扰，研究采用不同的抗干扰方法进行抑制并开发一套基 于虚拟仪器的变压器局部放电在线监测抗干扰软件包，该抗干扰软件包具有较强的 抗干扰能力并通过仿真和实验验证。 3 建立局部放电在线监测实时数据库，实现基于l a b v i e w 的数据库数据存储、查 询功能并采用l a b v i e w 开发一套变压器局部放电分析软件，最后采用a s p 技术实 现局部放电在线监测信息的网络发布便于进行远程数据查询和分析。 华北电力人学硕十学值论文 第二章系统硬件构成及工作原理 变压器局部放电在线监测系统应满足以下功能：( 1 ) 监测系统的投入和使用应 不改变、不影响变压器的正常运行；( 2 ) 能够连续监测、记录和处理数据，及时 报警和故障诊断；( 3 ) 具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度；( 4 ) 系统本身 可靠性高，易于维护，适于室外长期运行。 基于以上考虑并结合现场的实际情况，本课题组已经根据“快采慢读”和“总线隔 离”方式设计出了一套高速局部放电在线监测数据采集系统，该系统可以实现四路信 号的同步采集，最高采样速率可以达到2 0 m h z ，每通道的最大的存储容量为5 12 k 字，同时其采样速率和存储深度都可以进行程控调节，上下位机的c a n 总线通信 网络的最高传输速率可以达到1 m b p s 。变压器局部放电在线监测系统的硬件总体结 构框图如图2 1 所示，主要由传感器、信号调理电路、高速a i d 、大容量数据存储 器、d s p 、地址发生器、c a n 通信网络以及上位机构成。 一一 图2 1变压器局部放电在线监测系统的硬件总体结构框图 在图2 1 中，变压器的局放信号经传感器耦合后送入信号预处理单元进行信号 的放大和滤波，经a d 转换后存入到外部的随机存储器中，在采集的过程中d s p 并不直接干预信号的采集，而是由本文所设计的电路产生合适的时序将a d 转换完 毕的信号依次存入到r a m 的相应的存储单元中，采集完毕后，d s p 将采集到的信 息经c a n 通信网络上传到上位工控机，上位机对采集到的数据进行一系列的处理， 如滤波处理、数据保存和分析等，并利用局域网将监测信息进行网络发布。 2 1电流传感器 6 华北屯力人学硕士学位论文 变压器中发生局部放电时，在其接地引线中会有放电脉冲电流流过，利用高频 电流传感器监测此放电脉冲，具有接线简单，监测回路与高压回路隔离的优点，因 此安全可靠 。本文的高频电流传感器由罗哥夫斯基线圈构成，分别安装在变压器 的三相套管末屏接地线和中性点接地线上，该电流传感器的原理图如图2 2 所示。 胡卜，画 图2 2电流传感器的原理图 该罗哥夫斯基线圈采用了磁导率高，高频性能好的铁氧体作为磁芯材料，磁芯 式局部放电脉冲电流传感器的传输特性主要由以下三个方面确定：磁芯的特征参数 ( 包括其磁导率“，截面积s 以及磁路的长度l ) ，线圈的匝数n 和积分电阻r 。 通过理论分析和实际测量可知，当铁芯的相对磁导率为2 0 0 0 ，线圈匝数为5 7 匝， 积分电阻r 为3 3 0 q 时，该传感器的下限截止频率为1 0 k h z ，上限截止频率为1 0 m h z 在通带内幅频响应特性曲线平坦，可以满足本在线检测系统的要求。 2 2 模拟信号预处理单元 从电流传感器输出的局部放电信号往往十分微弱，必须对其进行预处理后才能 送入高速数据采集单元进行模数转换。本文中采用的信号预处理单元主要完成两方 面的工作，一方面完成信号的放大，使信号的幅值满足a d 的要求；另一方面对信 号的频带加以限制，其目的是抑制高频干扰和抗频域混叠【4 】。实际的模拟信号预处 理单元共有四路信号预处理电路，在图2 3 中仅给出了其中一路的结构框图： ll i 7 变 l、 传 lr a 定l 压f 2 习 感 = = 剖增益 爿 程控l 、 l 器 器 i 放大， 放大器广1 i i 器： ii f 图2 3模拟预处理单元的结构框图 出于局部放电信号是一种持续时间很短( n s 级) 的脉冲型信号，包含了特别丰 富的高频分量，这就要求放大和滤波电路的带宽较宽。放大电路中的运算放大器采 用了a d 8 4 4 ，该芯片属于宽带、高速、低噪声芯片，信号经三级放大，其中第一级 7 华北电力人学硕十学位论文 的放大倍数固定为1 0 倍，第二级的放大倍数也为1 0 倍，但可以由程序控制是否将 垓电路接入电路中，第三级利用了多路模拟- 丌关，可实现8 档程控放大，整个放大 电路的带宽可以达到5 m h z 左右。 滤波器采用了贝塞尔型有源带通滤波器，该滤波器县有冲激响上升沿陡，幅度 大，持续时间短，尾部无振荡等优点该滤波器有着良好的瞬态响应特性，特别适合 于对局部放电这种脉冲型信号的滤波。为了适应现场干扰的不同，以得到最佳的信 噪比，本文所采用的滤波器的带宽也可以进行程控选择，带宽分别为：1 0 k 5 0 0 k h z 、 1 0 k 一1 m h z 、1 0 k - 2 5 m h z ，由于这些滤波器都属于宽带型的滤波器，所以该带通滤 波器采用了低通滤波器和高通滤波器级连的方式来构成。该有源滤波器的硬件电路 由运算放大器a d 8 4 4 和外围的电阻电容等元件构成，高通滤波器的阶数为三阶，低 通滤波器的阶数为五阶。 信号预处理单元中放大电路的放大倍数和滤波器的带宽选择通过硬件和d s p 的有关i o 相连，并可以通过上位机在虚拟仪器的采集控制面板中进行设定，以得 到合适的放大倍数和带宽。 2 3 数据采集与控制电路 微处理器是本数据采集系统中的核心部分，数据的采集和控制都要在它的协调 下完成，在分析比较了多种型号的微处理器之后，本文采用了t i 公司生产的 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，该芯片将实时处理能力和控 制器的外设集于一身，为控制系统的应用提供了一个理想的解决方案。 该芯片具有4 0 m i p s 的指令执行速度，4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出 引脚( g p i o ) ，通过这些i o 口可以方便的设置采样速率，采样深度，地址发生器 的清理等操作。同时该芯片还集成了c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线控制器模块， 因此简化了c a n 通信的外围电路的设计。 由于a d 的采样速率很高，受d s p 指令执行时间的限制，本系统采用了“快 采慢读”和“总线隔离”的方式来实现局部放电信号的高速连续采集。其基本工作原 理如下：系统上电后，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 首先完成自的初始化，如配置r a m 块，中 断以及i 0 口的模式等，并完成外围器件的初始化，如采样速率，采样数据深度以 及选择合适带宽的滤波器，并完成地址发生器的清零，使d s p 的地址总线、数据总 线等和存储器隔离，使a d 的数据总线，地址发生器的地址总线和存储器相连，开 始数据采集后，a d 在地址发生器和相应的时序电路的控制下直接将转换结果存入 相应的存储之中，当数据采集量达到预先指定的存储深度后，停止a d 转换并通知 d s p 将相应的通道的数据经c a n 总线传输到上位机，以作进一步的分析。 8 华北电力人学硕十学位论文 2 4c a n 总线通信下位机接口电路 上下位机之间的通信采用了c a n 总线【1 5 1 ，c a n 总线属于现场总线中的种， 是一种支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，通信介质可以是双绞线、同轴 电缆和光纤，通信速率最大可达1 m b p s ( 此时距离最长为4 0 m ) ，通信距离可达1 0 k i n ( 速率5 k b s 以下) ，节点数可达1 1 0 个。c a n 协议的最大特点是废除了传统的地址 编码，代之以对通信数据块进行编码，数据块的标示符可以为l l 位( c a n 2 0 a ) 或2 9 位( c a n 2 0 b ) 二进制数来表示，因此可以定义2 ”或22 9 个不同的数据块，这 种按数据块编码的方式还可以使不同的节点同时收到相同的数据，这在分布式控制 领域很有用。c a n 总线还具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰 环境，并具有较远的传输距离。基于以上优点，c a n 总线备受工业界的重视，并已 公认为最有前途的现场总线之一。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 自带了一个完全的c a n 总线控制器，方便了下位机硬件电路 的设计，该控制器是一个1 6 位的外设模块，具有如下特性：完全支持c a n 2 0 协议； 对象有6 个邮箱( 2 个接收邮箱m b o x i 、2 ，2 个发送邮箱m b o x 4 、5 ，2 个可配 制为接收或发送邮箱m b o x 2 、3 ) ，其数据长度为o 8 个字节：对邮箱0 、1 和2 、 3 有局域接收屏蔽寄存器( l a m n ) ：可编程的位定时器：中断配制可编程；可编程 的c a n 总线唤醒功能：自动回复远程请求：当发送时出现错误仲裁丢失数据，c a n 控制器有自动重发送功能：总线错误诊断功能；自测试模式。 下位机的c a n 控制器和物理总线间的接口选用了p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 芯 片，该芯片提供对总线的差动发送和接收能力，其下位机的c a n 总线的通信接口 的电路原理框图如图2 4 所示。 图2 4 下位机c a n 总线通信接口电路原理框图 在图中c a n r x 和c a n t x 分别为d s p 的c a n 接口的接收和发送引脚，r x d 9 华北电力人学硕士学位论文 和t x d 为8 2 c 2 5 0 的接收数据输出和接收数据输入引脚；c a n l 、c a n h 分别为低 电平和高电平c a n 电压输入输出引脚，这两个引脚经一个小电阻后和c a n 总线相 连。 为了提高通信接口部分的抗干扰和安全性，还采取了如下的一些措施：在c a n 接收器件与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间，对输入到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的信号采用了双非门 s n 7 4 h c l 4 串连电路来提高系统的抗干扰能力，也可以在收发器p c a 8 2 c 2 5 0 前增加 由高速光耦6 n 1 3 7 芯片或者h c p l 一2 6 3 0 芯片构成的隔离电路：8 2 c 2 5 0 的c a n l 和 c a n h 引脚分别经一个5 n 左右的电阻与总线相连d 6 ，该电阻可以起到一定的限流 作用，保护8 2 c 2 5 0 免受过电流的冲击；c a n l 和c a n h 与地之间各自并接了3 0 p f 左右的电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的功能；另外在 两根c a n 总线的接入端和地之间分别反接了一个二级管，当c a n 总线上有较高的 负电压时，二级管的导通可以起到一定的过电压的保护作用。 2 5 c a n 总线通信上位机接口卡简介 本文c a n 总线通信上位机接口卡采用了p c i 7 8 4 1 ，用于和下位机之间的通信， 使用时需要将其插入到计算机的p c i 插槽中，并安装驱动程序。该卡支持两个端口 独立操作c a n 网络或桥接。其内置的c a n 控制器是s j a l 0 0 0 ，它提供总线仲裁和 错误检测功能，并且能够在检测到错误时自动更正并重新发送。它具有如下特征： 1 同时操作两个独立的c a n 网络； 2 支持桥接功能； 3 可编程传输速率可高达1 m b p s ； 4 1 6 m h zc a n 总线控制器主频； 5 2 5 0 0v r m s 隔离保护； 6 通过直接内存映射能够快速访问c a n 总线控制； 7 面向d e v i c e n e t 、c a n o p e n 与s d s 的强大的主控接口： 8 p c i 总线即插即用； 9 包括d o s 库与w i n d o w s 动态链接库( 9 5 、n t ) 软件功能有： 1 双端口配置： 2 指令发送； 3 状态数据读取； 1 0 华北电力人学硕十学位论文 4 ，总线监控； 5 分析扫描。 软件支持有：d o s 、w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w s n t 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 、 d e v i c e n e t 驱动，软件开发语言可用c + + 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等。 2 6 本章小节 本章介绍了该变压器局部放电在线监测系统的硬件构成及工作原理。该系统的 高频电流传感器采用罗哥夫斯基线圈，其下限截止频率为1 0 k h z ，上限截止频率为 l0 m h z ：放大电路中的运算放大器采用了a d 8 4 4 ，滤波器采用了贝塞尔型有源带通 滤波器，放大器的放大倍数和滤波器的带宽选择可通过上位机控制；数据采集系统 采用了“快采慢读”和“总线隔离”的方式来实现局部放电信号的高速连续采集， 并且可以实现四路信号的同步采集，最高采样速率可以达到2 0 m h z ，其中微处理器 采用了t i 公司生产的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，该芯片 将实时处理能力和控制器的外设集于一身；上下位机通信采用了c a n 总线通信网 络，最高传输速率可以达到1 m b p s ，其中c a n 总线通信接口卡采用凌华科技的 p c i 7 8 4 i 。该监测系统最突出的特点是采用了高速的数据采集系统和c a n 通信模 块，系统采样率高、抗干扰能力强、数据传输速率高。 华北电力人学硕+ 学位论文 第三章基于c a n 总线的上下位机通信软件 在变压器局部放电在线监测系统中，上位机对下位机的控制以及及时的获得下 位机的监测数据是在线监测中的一个重要的环节，因此上下位机的通信在该系统中 占据着较重要的地位。上下位机通信的基本流程是：上位机向下位机发送初始话参 数和控制信号，如采样深度、采样速率、传输的波特率、启动采集等，下位机采集 的数据量达到了预定的采样深度后自动停止采集并将采集的四通道的数据依次上 传给上位机。本章将在上一章所介绍的c a n 通信硬件电路的基础上较详细地介绍 上下位机的编程思想和具体的程序实现。 3 1 下位机程序的编写 3 i 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c a n 控制器概述 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部集成了c a n 总线控制寄存器，完全支持c a n 2 0 b 协议， 其内部有六个邮箱，其中邮箱0 、l 是发送邮箱，邮箱4 、5 是接收邮箱，而邮箱2 、 3 则既可以设置成发送邮箱也可以设置成接收邮箱，每个邮箱最多可以存储8 个字 节的数据。另外2 4 0 7 a 内部还有1 5 个1 6 位的c a n 控制寄存器，如位定时配置寄 存器、发送寄存器、接收寄存器、中断标志和中断屏蔽寄存器以及局部接收屏蔽寄 存器等i i ，通过对这些寄存器进行控制可以方便的发送和接收数据，因此利用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可方便地实现c a n 总线的通信。 3 1 2c a n 信息包的格式说明 一个有效的c a n 数据帧由起始、仲裁域、数据域、校验域、应答域和帧结束 组成【1 7 】。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的c a n 控制器支持两种不同的帧格式，即标准格式和扩 展格式，它们的主要区别在于仲裁域的格式不同，标准帧仲裁域由1 1 位标识符和远 程发送请求位r t r 组成。扩展帧仲裁域由2 9 位标志符和替代远程请求s r r 位、标 志位和远程请求位r t r 组成，两种不同的c a n 信息帧结构如图3 1 所示： 华北电力人学硕+ 学位论文 _ ri s | | s 1 l 位标识符 td i d l c8 字节数据1 6 位r c r o o f re 标准信息帧 1 _r s 1 l1 8 位 si 位 ri s 0 f 标 rd 标td i d e c 8 字节数据1 6 位r c r 0 识 re 识 re o f 符符 扩展信息帧 图3 1c a n 信息帧的结构 标示符( i d e ) 的是作为报文的名称，在仲裁的过程期间，首先被送到总线。 在接收器的验收判断中和仲裁过程确定访问优先权中都要用到。 远程发送请求位( r t r ) 用来确定发送远程帧还是数据帧，当r t r 位高电平时， c a n 控制器发送远程帧：当为低电平则发送数据帧。 数据长度码( d l c ) 用来确定每帧要发送几个字节的数据，但最大为8 个字节。 3 1 3 下位机通信程序的实现 整个下位机的程序在设计时采用了模块化的编程思想，也即将不同的功能模块 分由各个子程序来完成，这样整个程序不仅思路清晰而且维护方便，便于软件以后 的升级，整个程序主要由主程序、系统初始化子程序、c a n 初始化子程序、数据接 收和发送子程序等模块构成，整个程序利用汇编语言编写而成。 。 在上下位机的通信中将邮箱2 设置为接收方式，邮箱3 设置为了发送方式，都 采用了1 1 位的标准信息帧格式，其中接收采用了中断方式，发送则由d s p 控制， 、当d s p 将数据采集完毕后主动存储到外部5 1 2 k 容量的数据存储器中，然后上传给 、 、上位机。 由于d s p 中的c a n 总线控制器集成了c a n 协议的物理层和数据链路层的功 能，可以完成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工 作因此在编写下位机的程序时不用考虑太多的底层协议，只要j 下确的设置控制器 中的寄存器，就可以完成c a n 的初始化，数据的发送和接收等工作，当然下位机 接收到了上位机的数据之后，要对所接收到的信息进行解释，以进入不同的服务子 程序，如初始化采样参数( 采样频率、放大倍数、滤波器的带宽、存储深度等) 、 华北电力人学硕士学位论文 启动聚集系统丌始采集数据、上传数据等。下位机的通信程序流程可以简单的表示 如下： 图3 - 2 下位机的通信程序流程图 c a n 初始化子程序。该子程序将实现c a n 引脚的配置、c a n 位定时器的配 置、写c a n 邮箱内容前寄存器的设置、写c a n 邮箱内容以及写c a n 邮箱内容 后寄存器的设置。其中c a n 位定时器的配置包括清全部c a n 中断标志、设置接收 邮箱和发送邮箱的屏蔽i d 寄存器、设置波特率预分频寄存器等。写c a n 邮箱内 容包括设置接收邮箱和发送邮箱的标志符、设置控制域、设置数据长度以及接收邮 箱和发送邮箱的信息初始化。 设置通信波特率。波特率的默认值在c a n 邮箱初始化时设置为1 m b p s ，但也 可以根据自己的需要来设定合适的传输速率。波特率是由位配置寄存器1 b c r l 和位 配置寄存器2 b c r 2 以及d s p 的内部时钟来决定的，在知道了d s p 的内部时钟的实 际频率后，可通过设置这两个寄存器中的b r p ( 波特率预分频位) 、t s e g l ( 时间段1 1 、 t s e g 2 ( 日 j - 间段2 ) 来得到我们所需要的波特率。 接收子程序。接收程序采用了中断方式，当上位机有数据上传给下位机时，下 位机的c a n 模块的硬件电路会自动检测总线上的信号的i d 号是否和其邮箱的i d 号相同，如果相同，将引起该节点上的c a n 邮箱产生中断，进入中断服务子程序， 将邮箱中的数据读出，根据其所接收到的数据以及事先约定好的通信协议而进入不 1 4 华北电力人学硕士学位论文 同的子程序。 发送子程序。主要完成将采集到的数据依次读入到发送邮箱中，并将数据发送 出去。本文利用两个辅助寄存器，分别指向外部数据存储器和c a n 邮箱的8 个字 节的地址，每次从外部的r a m 读取8 个字节的数据存储到邮箱3 中，并置t c r 寄 存器的t r s 3 位为高电平l ，如果上下位机通信正常则c a n 控制寄存器自动将数据 发送到总线上去。其简化的程序如下所示： ：每次从外部r a m 取8 个字节的数据到邮箱3 中f i l l 1 i i m a r + ，a r 2 ；a r 2 寄存器指向外部数据存储器 l a c l + + ，a r 3 ；a r 3 寄存器指向邮箱3 s a c l + + ，a r 2 ；将数据存储器中的数据存入到邮箱3 中 m a r + ，a r i s b r k# l h ；将a r i 中的内容减去1 n o p c m p r0 0 ；和a r 0 中的数据作比较，判断是否取了8 ；个字节的数据到了邮箱3 中 b c n d f u z h i ，n t c ；如果没有8 个字节数据，则继续赋值 将邮箱中的数据发送给上位机i i i i i 1 1 1 1 1 f a s o n g l o o p l l d p s p l k s p l k l d p s p l k b i t b c n d n o p l d p s p l k # 0 e 2 h # 0 4 8 0 h m c r # 0 4 c h m d e r # 0 e 2 h # 0 0 2 0 h t c r ；d b o = 0 1 ，a b o = i ，s t m = 0 ；e n a b l em e i l b o x2a n d3 ；将邮箱3 的发送请求位t r s 3 置1 将 数据发送出去 t c r ，2 l o o p l ，n t c ；判断数据是否发送出去了 # 0 e 2 h # 2 0 0 0 h t c r ；清除t a 3 和m i f 3 标志位 华北电力人学硕十! 学位论文 3 2 上位机程序的编写 前面第一章已经讲过，l a b v i e w 是美国n i 公司提出的一种基于g 语言 ( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器开发工具，其对采集到的数据有强 大的处理能力和图形显示能力，所以它非常适合于编写数据采集程序。但是a d l i n k 公司没有提供c a n 通信接口卡p c i 7 8 4 1 的l a b v i e w 兼容驱动程序，这给l a b v i e w 调用p c i 7 8 4 1 的各个函数增加了难度。本章采用c + + b u i l d e r 将p c i 7 8 4 1 原驱动转 化为l a b v i e w 能调用的动态连接库，在此基础上为了使l a b v i e w 调用驱动更加方 便，将驱动中的所有函数封装为l a b v i e w 的l l b 文件，最后通过对l l b 中相应函数 的调用实现上位机通信程序的编写，从而与下位机通信程序一起实现上下位机的网 络通信。 3 2 1 c + + b u i l d e r 对p c i 7 8 4 1 驱动的封装 外部应用程序实现对数据采集卡的操作是通过调用数据采集卡驱动实现的， p c i 7 8 4 1 的驱动是一个d l l ( 动态链接库) 文件，该文件名为7 8 4 1 d l l ，在7 8 4 1 d l l 中封装了各种调用p c i 7 8 4 1 功能的函数。在l a b v i e w 中对d l l 的调用可以通过调 用函数节点( c a l ll i b r a r yf u n c t i o nn o d e ，简称c l f ) 实现，但是c l f 方法不允许 被调函数的输入输出变量中如现结构，而在p c i 7 8 4 1 提供的驱动程序中就含有五个 这样的函数，这五个函数的原型声明如下： i n t s t d c a l lc a n c o n f i g p o n ( u n s i g n e ds h o r th a n d l e ，p o r t _ s t r u c t + p o r t s t r u c t ) ； i n t s t d c a l lc a n g e t p o r t s t a t u s ( u n s i g n e d s h o r th a n d l e ，p o r t _ s t a t u s + p o r t s t a t u s ) ； i n t s t d c a l lc a n g e t p o r t c o n 6 9 ( u n s i g n e ds h o r th a n d l e ，p o r l s t r u c t + p o r t s t r u c t ) ； i n t s t d c a l lc a n s e n d m s g ( i n th a n d l e ，c a n p a c k e t + p a c k e t ) ； i n t s t d c a l lc a n r c v m s g ( i n th a n d l e ，c a n p a c k e t + p a c k e t ) ； 为了使l a b v i e w 能调用这些函数，必须将结构拆开