（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的无线多通道moa在线监测装置研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e = t h er e s r a r c h0 fd s pb a s e dw i r e l e s s m u l t i c h a n n e lm o ao n l l n em o n i t o r l n gd e v i s e m a j o r = p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t io n n a m e = g a n gl i u s u p e r v i s o r = p r o f d e y iw a n g s u p e r v i s o r = g u o q i n gy a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：1 , w鱼翌i j 垒! _ _ 一_ _ s i g n a t u r e ：婴! 业v _ s i g n a t u r e - 鲤咨撕 t h em e t a lz n oa n e s t e r ( m o a ) a l ei m p o r t a n tp r o t e c t i o nd e v i c ef o rg u a r a n t e e i n g t h es a f eo p e r a t i o ni np o w e rs y s t e m , i t s e l fo p e r a t i n gq u a l i t yw i l ld i r e c t n e s si n f l u e n c e t h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m ，t h e r e f o r ec a r r y i n go nt h em o n i t o rt ot h ea r r e s t e r m o v e m e n tc o n d i t i o na p p e a r se s p e c i a l l yi m p o r t a n t s i n c el o n g ，i np o w e rs y s t e mt h e a r r e s t e rm o n i t o r i n gf a c i f i t i e sh a v eb e e nc o n t i n u o u s l yb yf u l lc u r r e n ta r r e s t e rm o n i t o r m e t e rp r i m a r i l y , a l t h o u g ht h ea r r e s t e rm o n i t o re q u i p m e n tb a s e do nt h ef u l lc u r r e n t m e t h o da r es i m p l ya n dr e l i a b l e ，a l s oi tp l a y st h eh u g er o l et os a f e g u a r d e dg a ds a f e o p e r a t i o n ，i t sd a t ar e s o l u t i o ni sl o w , a n du n a b l et og a i nt h em o s tp r e c i s er u n n i n gs t a t u s o fm o a ，a n dt h ed a t ac a no n l yi ns c e n er e a d ，n o tb ea b l et os a t i s f yt h en e e do f m o n i t o ra n dt h es y n t h e s i sa u t o m a t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e di n f o r m e rp r o d u c t i o n ，i nv i e wo fi n s u f f i c i e n c ye x i s t i n gi n a r r e s t e ro n l i n em o n i t o r i n gd e v i s e ，o n ek i n do fw i r e l e s sm u l t i c h a n n e la r r e s t e ro n l i n e m o n i t o r i n gd e v i s eb a s e do nt h ed s p h a sb e e nr e s e a r c h e d t h em a i ns t u d yc o n t e n ti s ： t h eh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l d i n go fd e v i s e ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n dd e b u g g i n go fs y s t e m s o f t w a r ea n du p p e r - c o m p u t e rs o f t w a r e t h ed e v i s ec o u l dt r a n s f e re i g e n v a l u eo f c h a r a c t e r i z a t i o nm o a o p e r a t i o ns t a t u st ot h ec o n t r o lr o o mb yw i r e l e s sf o r m ，a n dt h e u p p e r - c o m p u t e rs o f t w a r ed e s i g n e db yv i s u a lc + + t od i s p l a ym o n i t o r i n gd a t a t h e r e s u l t sf r o mt e s t sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h em o n i t o re f f e c to ft h i se q u i p m e n ti s g o o d ，a n di th a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t f i n a l l yt h i s a r t i c l eo b t a i n a r t i f i c i a l l y m o i s t e n e d e x p e r i m e n t a ld a t a f r o m l a b o r a t o r yt ou s ei nf a u l td i a g n o s i sb a s e do nt h eb pn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h ed a t ai s c a r r i e do nt h ee x a m i n a t i o ni nt h em a t l a be n v i r o n m e n t , s e n t e n c i n gr a t ei sr e a c h i n g a sh i g ha s9 3 ，w h i c hp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dh a sc e r t a i nf e a s i b i l i t y i ft h i sm e t h o d 3 西安理工大学硕士学位论文 u s e si nt h ea t t e s t e rf a u l td i a g n o s i s ，i tw i l ld e f i n i t e l yt oe n h a n c ea r r e s t e re x a c t n e s s s e n t e n c i n gr a t ea n dp l a yc e r t a i np o s i t i v er o l e k e yw o r d s ：m e t a l - o x i d ea r r e s t e r s ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 ；f a s tf o u m i e rt r a n s f o r m a t i o n ； b pn e u r a ln e t w o r k ；。 4 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：叁立鲞泌彦年；月形e t 学位论文使用授权声明 本人爱_ 询在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士、硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研i i l 的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：室尘嚣导师签名：必丕逢罗彤月2 _ - d 日 第一章绪论 1 绪论 1 1 避雷器在线监测装置研究的意义 避雷器是一种重要的过电压保护电器，其性能的优劣不但对电气设备安全运 行起着很大的作用，而且对电力系统的经济效益，特别对超高压输电系统建设的 经济效益，具有显著的影响。 我国的避雷器制造业基本上是在建国初期建立和发展起来的。多年来，一些 主要制造厂和科研单位进行了大量的开发工作，同时还吸收引进了国外的先进技 术，促进了国产避雷器的生产能力，科学研究水平也得到了不断提高。现在，我 们不但能够制造各个高电压等级的避雷器，而且近年来还成功地研制了5 0 0 k v 超 高压避雷器。同时，在氧化锌避雷器的研究方面也取得了可喜的成果，某些产品 已经接近了国际先进水平。 自7 0 年代以来，各国对用氧化锌为主要成分制造的金属氧化物避雷器( 又称 氧化锌避雷器) 进行了大量的研究工作。这种新型避雷器具有异常优良的非线性 特性和良好的通流能力，给设备提供更高的保护水平和更大的保护裕度，对超高 压系统意义尤为重大n 1 。其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统的安全， 因此对避雷器运行状况进行监测就显得非常必要，经分析研究发现氧化锌避雷器 易发生下列几种异常情况： ( 1 ) 密封不严内部会受潮，当周围气温下降时，因内部凝露可导致内部闪 络。 ( 2 ) 氧化锌阀片长期工作会发生老化，老化后的阀片亦可能造成击穿。避 雷器击穿会导致变电站母线或线路短路，后果十分严重。 为防止氧化锌避雷器发生故障，传统的做法是定期对氧化锌避雷器进行预防 性测试，停电的测试具有很大的局限性。预防性试验时必须停电，试验电压低， 试验周期长，试验设备笨重，导致经济损失大、等效性差、劳动效益低、经常不 能正确地判断出设备存在的故障。弥补这一缺陷的途径之一就是实现绝缘状态的 在线监测。因此，绝缘在线监测具有十分重要的意义。 1 2 避雷器在线监测原理及方法 自二十世纪六十年代以来，m o a 在电力系统中已得到广泛应用，国内外专 家和专门机构，一直在研究m o a 运行在工况条件下的在线监测。m o a 运行工 西安理工大学硕士学位论文 况的监测方法以泄漏电流监测为基础，围绕如何正确反映阀片热老化程度为目 的，以便监测人员掌握和使用的客观要求而进行研究。总体趋势以离线监测装置 仪器的技术方法逐渐应用于在线监测系统。m o a 泄漏电流中的阻性分量是表征 m o a 运行状况的主要指标，泄漏电流包括磁套，绝缘杆和阀片柱泄漏电流三部 分。一般而言，阀片泄漏电流不会发生突变，而污秽和内部受潮引起的磁套泄漏 电流或绝缘电流小得多，因此，在天气好的条件下，测得的m o a 的阻性电流一 般都可以视为流过m o a 阀片柱的阻性电流。实际监测方法也是依据这一点，通 过监测m o a 阻性电流和功率损耗，并与原来的记录作纵向比较，从而判断m o a 的运行状况。图1 1 为m o a 阀片的常用等效模型，它由一个非线性电阻与线性 电容并联，从工程角度和大量的模拟及实测结果来看，用它测量分析m o a 运行 工况特征量是可以满足故障诊断的要求n 1 。 母线 ：= 图1 1m o a 阀片锌柱等效电路 f i g 1 - 1e q u i v a l e n tf i g u r ea n dv e c t o rg r a p ho fm o a 从等效电路可知，流过m o a 的总泄漏电流，。可分为阻性电流，和容性电流 ，两部分，容性电流分量产生的无功损耗并不会使阀片发热，导致阀片发热的是 阻性分量产生的有功损耗。在表征正弦电压作用下，因为尺，的非线性使得流过 m o a 的阻性电流不仅含有基波分量，而且含有高次谐波，而容性电流分量只有 基波，因此，阻性电流的谐波量就是总泄漏电流的谐波量，同时，只有阻性电流 的基波才能产生功率损耗；根据加速老化的试验结果，阻性电流一般只为总泄漏 电流的1 0 2 0 左右，总泄漏电流的变化量可以忽略不计，由此可见，表征 m o a 运行工况的特征量主要有基波阻性电流，三次谐波阻性电流，介质损耗角 和总泄漏电流柏1 。 目前，国内外m o a 在线监测的方法主要有以下几种口们： a 总泄漏电流法 这种方法是直接在m o a 接地端串接交流毫安表，以此测量总泄漏电流的变 化。其基本思想是基于总泄漏电流，。的增加在一定程度上反映其阻性电流，的增 长情况。当m o a 整体受潮时，其绝缘电阻下降，这时流过m o a 的总泄漏电流 2 第一章绪论 有明显增加。这种方法简单、易行，但是正常状况下，m o a 的容性电流远大于 阻性电流，且两者基波又成9 0 0 相位角，即使阻性电流增加一倍，测出的全电流 有效值或平均值也无大的变化。因此，这种方法对早期的老化监测灵敏度很低， 只有在严重受潮、老化或者绝缘显著恶化的情况下才适用。 b 补偿法 m o a 的劣化主要反映为阻性电流增大，因此直接测量阻性电流反映其劣化 较为灵敏。补偿法的原理是将与母线电压成兀2 相位差的电流分量作为容性电流 去掉从而获得阻性电流的方法。这种方法能比较正确地反映m o a 的实际情况， 但其缺点是： ( 1 ) m o a 在现场运行中，由于相间耦合电容而产生的电流影响测量结果的准 确度； ( 2 ) 该方从盯取电压信号，而p t 本身存在着相移，当系统中存在高次谐波 时，母线电压和容性电流不一定是2 ，这也会引起误差。 c 基波电流法 这种方法是使总泄漏电流通过一个低通滤波器，去掉高次谐波，只保留基波 成分，然后以m o a 端电压( 经方波整形) 的相位进行同步整流，再取其平均值得 阻性电流基波分量峰值“。该方法所测的阻性电流基波成分可以较灵敏的反映 m o a 的受潮情况，但是该方法不能有效反映m o a 阀片的老化情况。 d 三次谐波法 m o a 的伏安特性以待k u ，= ，( ) ( 七，为非线性系数，厶为高次谐波电 流，“为电网电压) 表示，由于m o a 良好的非线性特性，导致全电流中的阻性 分量不仅包含有基波，而且还有3 次，5 次和更高的谐波，其所占分量逐渐减少。 3 次谐波对温度变化很灵敏，早期老化期阻性电流的变化又主要表现为阻性电流 的3 次谐波分量的上升5 。由阻性全电流i 与各次谐波之间存在一定的比例关系 ( 由于3 次以上的谐波分量含量少，可忽略) 。故通过测量3 次谐波阻性电流的 大小，可得到总的阻性电流值。 这种方法的原理是将m o a 总泄漏电流通过一个带通滤波器检测出三次谐波 电流分量，再分离出三次谐波阻性电流，3 ，它是氧化锌避雷器在线监测中一个 理想的特征量。通过测量三次谐波阻性电流，的变化可以很敏感地反映避雷器 的早期老化情况。但是这种方法存在的问题是6 1 ： ( 1 ) 当电网电压有谐波成分时，该测试方法受到谐波电压作用产生的谐波电 流影响，使得到的，3 ，不能真实地反映m o a 的老化情况； ( 2 ) 三次谐波阻性电流分量无法反映m o a 的受潮及污秽情况，而潮气和污秽 都是造成m o a 故障的主要因素。 3 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 不同类型m o a 老化后的阻性电流高次谐波分量变化规律不一样，难以定 出统一的标准来定量判断m o a 的老化。 e p o w ( p o i n t o i l - w a v e ) 方法 这种方法通过分析电压和泄漏电流的波形而得到阻性电流的一个周期内的 值，它适用于便携式的m o a 泄漏电流测试，但在线应用尚需要进一步验证。总 之，以上几种方法都有一定局限性，总是或多或少地受电网电压谐波和相间干扰 等的影响，因此，消除或减少相间电容电流的干扰，消除谐波电压和盯相移的 干扰，使得测得的阻性电流更加真实地反映各相m o a 的运行状况成为必要，而 且根据现场工程实际选择合理、实用、可靠的方法成为m o a 在线监测及诊断系 统的主要任务。 f 其它参数的检测技术7 1 前几种检测技术都是基于m o a 的泄漏电流的检测上研制出来的方法，近年 来，人们开始对m o a 的内部温度测量技术进行研究。 由脉冲或暂时过电压引起的能量吸收，由电特性老化或者水气侵入引起的功 率损耗上升等，最终都将影响m o a 的温度，因此可以通过基于温度的测量来判 断m o a 的运行状况。和前面讨论的其他参数不同，测量温度不但是一个直接的 在线测量手段，而且它本身是一个精确的运行参数。m o a 温度是所有影响因素 综合作用的结果。避雷器的残余能量吸收容量都可以用实时的温度来反映。 因此，m o a 的温度是判断避雷器是否处于稳定状况的最好标准。在持续运 行状态下避雷器的温度过高是和功率损耗直接相关的。这种关系与电压波形是无 关的，温度测量诊断的方法可以用在任何电压的系统中，包括高压直流系统。同 时这种方法对于新的或者老化的产品均适用。 测量m o a 内部温度一般是用光学光纤将温度信息传送到接收器，不过这种 方法只能用在实验室中，在现场使用的时候还需要解决很多技术问题。现在，如 何现场检测m o a 内部的运行温度已经成为一个m o a 检测技术的重要课题。目 前还没有特别好的检测系统，但是这是一个很有前景的检测技术，值得关注。 1 3 避雷器在线监测装置研究现状及不足 经过研究发现，目前，m o a 在线监测系统多采用两种方式： ( 1 ) 分散的全电流监测方式，每支避雷器下部都安装有漏电记数器，靠人为 巡视的方式来监测m o a 的运行状态。 ( 2 ) 集中式处理方式，即通过屏蔽电缆将被测信号引入后台工控机，然后 由工控机进行集中循环监测和数据处理。 目前我国已经有自行研制的氧化锌避雷器泄漏电流测试仪，采用微处理器为 4 第一章绪论 控制核心蛆1 ，实现了对阻性电流的测量，这些监测装置主要存在以下不足： ( 1 ) 现在避雷器监测装置多采用分布式监测，一套监测设备所能监测避雷 器数量少，导致监测设备需量大，系统总体成本高；同时由于这种处理方式的可 扩展性不强，灵活性不足的缺点，所以当有新的避雷器需要监测的时候，加装监 测设备困难，安装不便。 ( 2 ) 数据传输采用有线传输方式，电缆敷设量大，不便用于野外架空线路 避雷器的监测，而且由于次信号很小，经传感器耦合后被测参数在长距离传输 过程中模拟量受引入的干扰影响很大，测量结果的有效性和稳定度不能保证。 随着计算机技术、通信技术的快速发展，为集中式、数据无线传输的绝缘在 线监测系统的实现提供了可能。现场监测单元具备信号提取、数字化和处理功能， 后台工控机实现数据处理和故障诊断。同时借助于i n t e r n e t 或i n t r a n e t 使 绝缘在线监测系统与管理信息系统( m i s ) 实现数据共享，真正实现了绝缘参数 的集中式测量、处理、诊断，网络化查询管理的新一代绝缘在线监测系统1 。 1 4 本课题的提出及主要内容 本文针对以上两点不足研究了一种基于d s p 的无线多通道m o a 在线监测 装置。该装置由硬件电路和相应的软件系统构成，它利用数字谐波分析技术不仅 能准确的测量出m o a 的基波阻性电流，三次阻性电流，介质损耗角等反应m o a 运行状况的特征量，还能同时进行多个避雷器的实测数据监测，历史数据记录和 报警，并且采用无线方式传输数据。 本论文主要进行以下几方面工作 ( 1 ) 针对现有氧化锌避雷器在线监测装置的不足和不同在线监测方法的优 缺点，确定本文研究的m o a 在线监测装置的总体方案。 ( 2 ) 搭建基于d s p 的无线多通道在线监测装置的硬件平台及软件设计， 使其能够对4 8 路通道进行监测，并以无线传输方式传输数据； ( 3 ) 开发友好的上位机人机界面，实现实时显示m o a 的监测数据，并提 供m o a 各项监测信息的数据打印、越限报警、数据曲线或棒图形式表述； ( 4 ) 对采集到的数据利用b p 神经网络进行初步故障诊断，并证明把b p 神经网络用于m o a 故障诊断的可行性。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 系统硬件结构设计 随着电子技术的发展，出现以微处理器为控制，数据处理核心的微机多功能 在线监测系统。利用计算机技术、传感技术和数字谐波处理技术，实现更多的参 数在线监测。这种在线监测信息量大、处理速度快，可以对监测参数实时显示、 储存、打印、远传和越线报警，实现了在线监测的自动化，代表了当今在线监测 的发展方向。到目前为止，大量的在线监测的技术已经在电力系统设备缺陷检测 中得到广泛应用，并有了一定的经验。基于此，在查阅相关行业技术资料的基础 上，借鉴并移植电力系统自动化领域成熟的技术方案，结合现代数字电路、微机 技术等手段，把这种以d s p 为核心的监测技术用于高压电气设备绝缘的在线监 测是十分必要的，因为d s p 较之其他在线监测装置具有以下优点： ( 1 ) 数字信号处理能力强。d s p 具有哈佛结构、流水线结构、硬件乘法器等 特点，这些使得d s p 具有单片机及其它处理器无法比拟的数字信号处理能力和 运算速度。 ( 2 ) 硬件电路设计简单。在d s p 内集成有大量的片内外设：两个1 2 位的a d 转换器、p w m 电路、增强捕获功能的单元、大容量的存储器，这些为简化硬件 电路的设计、进行交流采样、控制通道转换提供方便。 ( 3 ) 网络互连能力强。d s p 具有高速串并端1 2 1 及c a n 口。这些可以保证无线 多通道在线监测装置与上位机之间的信息交换，实现网络的互连，满足变电站自 动化发展的要求。 ( 4 ) 性价比高。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，价格 却大幅度下降，从工程实际看，单片机己经不再具有价格优势，这大大刺激了 d s p 器件的应用。越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件来提高产品性能， d s p 器件将逐步取代单片机在工业控制中的应用。 基于d s p 的在线监测系统，可以使用丰富的硬件资源和灵活的软件编程， 能够方便的改变测量参数，因此，本文研究的无线多通道在线监测装置可以满足 不同电压等级测量的不同需求。 6 第二章系统硬件结构设计 2 。1 d s p 概述及选择 我们所说的d s p 有两个含义：其一是d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 的简称，指的 是数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。特别是在 2 0 世纪6 0 年代，随着计算机和信息搠乏的迅猛发展，进一步推动了数字信号处 理技术的理论和应用领域的发展；d s p 的第二个含义是d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的简称，即数字信号处理器( 也称d s p 芯片) ，它不仅具有可编程性，而且其实 时运行速度远远超过通用微处理器( 钟p ) 。d s p 是一种适合于数字信号处理的 高性能微处理器。数字信号处理器已成为数字信号处理技术和实际应用之间的桥 梁，并进一步促进了数字信号处理技术的发展，也极大的拓展了数字信号处理技 术的应用领域。本文中的d s p 主要是指数字信号处理器，其主要应用是实时快 速地实现各种数字信号处理算法聃1 。 在d s p 市场上有许多著名的芯片公司的d s p 产晶，如t i 、a d 、m o t o r o l a 等。网前，美国t i 公司的d s p 产品在世界d s p 市场上占有主导地位，在国内， 研公司拥有许多的代理商和第三方开发者，他们所提供的h 公司的d s p 产品及 开发系统品种较为丰富，且技术支持及售后服务做的比较好，因此在本课题中 1 i 公司的t m s 3 2 0 系列产品。 隧前，弧公司的嘲s 3 2 0 系列d s p 的主打产品主要为以下三类： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 及t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 产 品价格较低，主要巍用于控制，数字信号处理领域，如监测自动化，工业自动化 控制等。t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的d s p 产品的突出特点则是低功耗高性能，主要应 用于通信、礤、便携式信息系统等。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 产品属予1 i 公 司的离端产品，。主要应用子为网络系统、m o d e m 、交换机、数字音频及图像处 理设备等。 考虑到功能和适用性等各个方面原因，我餐选择飘公霞最薪推出的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它属于3 2 位的定点d s p ，最高速度可达1 5 0 m i p s ，可以在单个 指令周期内完成3 2 3 2 使的乘累加运算，具有增强的电机控制井设、高性能的 1 2 位树数转换能力和改进的通讯接口，具有1 m b 的线性地址空间，采用低电压 供电( 3 3 v 外设、1 8 v 内核) ，与t m s 3 2 0 c 2 4 x 源代码兼容。如表2 1 所示为 其它应用于控制领域的单片机和d s p 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性麓比较“蛆n 。 7 西安理工大学硕士学位论文 表2 11 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与其它控制芯片的性能比较 t a b 2 1p e r f o r m a n c ec o m p a r ew i t ho t h e rc h i p t m $ 3 2 0 ft m s 3 2 0 lt m $ 3 2 0 r 弭i i l t e lm c 6 8 h c 2 8 1 2f 2 4 0 7 a08 x c l 9 6 m1 6 c 乘加指单周期单周期单周期，5 0 n s3 0 个周期，1 2 个周 令6 6 n s 2 5 n s1 9 9 0 n s 期，4 8 0 n s 硬件乘 3 2 3 21 6 1 6有，1 6 1 6无无 法器 ，d 转2 个1 22 个1 02 个1 0 位，1 个8 1 1 01 个8 1 1 0 换器位，1 6 路，位，1 6 路，1 6 路，6 1 u s位，1 3 路，位，6 路， 8 0 n s5 0 0 n s1 1 u s8 6 u s p 、m m 1 6 路1 6 路1 2 路8 路4 路 定时器4 个4 个3 个2 个2 个 内置通s p i ，s c is p i ，s c is p i 。s c i无无 讯外设c a nc a n 由上表可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为一款专为控制，信号处理而设计的d s p 控制器，它不仅具有运算速度快的特点，而且集成了丰富的片内外设，与其它应 用于控制，信号处理领域的单片机和d s p 相比，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有明显的优势， 能够满足对信号采样、控制、开关量输输出、故障处理、与上位机通讯等多 方面的要求，因此，我们选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为无线多通道避雷器在线监测的 控制核心。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国t i 公司最新推出的主频可达1 5 0 m h z 的3 2 位定点 d s p ，其功能框图如图2 2 所示。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上有丰富的外设资源，主要有 模数转换模块( a d c ) 、事件管理器模块( e v ) 、串行外设接口模块( s p i ) 、串 行通信接口模块( s c i ) 、c a n 控制器模块( e c a n ) 等k 1 2 1 8 1 。 8 第二章系统硬件结构设计 圈2 - 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功戆撰醒 f i g 2 - 1t m s 3 2 0 f 2 8 12f u n c t i o nf r a m e 如图2 1 1 所示，1 m s 3 2 0 挖8 1 2 的特点如下： 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列d s p 采用高性能的静态c o m s 技术 2 ) 片上存储器 a 最多达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器 b 最多达1 2 8 k x1 6 位r o m e 。i k x1 6 位o 豫r o m 3 ) 高性能3 2 位c p u 4 ) 事件管理器 a 1 2 路比较删通道 b 4 个1 6 位通用定时器，均具有4 种计数模式 c 6 个全比较单元 d 6 个捕获单元，其中4 个具有连接正交编码器脉冲的功能 9 西安理工大学硕士学位论文 e 外部时钟输入和外部比较输入 5 ) 模数转换器( a d c ) a 2 8 通道复用输入接口，两个采样保持电路 b 流水线最快转换周期6 0 n s ，单通道转换周期为2 0 0 n s c 单连续通道转换 d 自动排序功能，具有两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序 器，可独立以双排序器模式工作，也可级连后组成最多可选择1 6 个通道的模式， 每次需要转换的通道均可通过编程来选择 e 多个触发源可启动a d c ，可通过软件、e v a 、e v b 和外部引脚来触 发 f 采样和保持获取时间窗具有单独的预定标 6 ) 具有5 6 个单独可编程的多路复用i o 引脚 7 ) 串行外设接口模块( s p i ) 8 ) 串行通信接口模块( s c i ) 9 ) c a n 控制器模块( c a n ) 1 0 ) m c b s p 2 2 硬件系统总体结构 在线监测系统要能真实、准确反映电力设备的绝缘状况，用于获取所需信号 的硬件电路必须要具有较高的监测灵敏度和较好的抗干扰能力。由于电力系统中 所需有用信号和各种干扰信号并存，为了进行准确的绝缘在线监测，必然要求硬 件电路能灵敏地将需要的电压、电流信号捕捉下来，在工程允许的精度范围内把 采集到的信号进行处理，抑制或减少干扰，再进行模数转换变为d s p 可以处理 的数字信号。 本文所研究的无线多通道避雷器在线监测系统采用以d s p 为核心的监测方 法，由于m o a 的泄漏电流数值很小，监测通道数量多，所以对硬件电路的设计 要求就比较高。因此，为提高测量的准确度和精度，需要采用具有高灵敏度、低 温漂、高共模抑制比等特点的硬件电路，以达到既能消除干扰又使信号不至于失 真的效果。 硬件电路原理框图如图2 2 所示。硬件电路主要包括传感器、信号预处理电 路及数据采集处理电路三大部分n 9 1 ，实现了信号的获取、转换、放大、滤波及 采集处理等功能。 1 0 第二孝系统硬件结构设计 c b a 图2 2 硬件系统原理框图 f i g 2 - 2e l e m e n t sd i a g r a mo fh a r d w a r es y s t e m 本无线多通道避雷器在线监测装置总体结构方案如图2 2 所示。它由五个部 分组成。其中l 为信号调理电路以及多路转换牙关电路。多路转换电路主要实现 多条线路避雷器的高速分时监测，信号调理电路主要是把输入的信号幅值调理到 数据处理板可以接受的范嗣之志。2 为该监测装置的控制核心一数据处理板，它 主要由数字信号处理器d s p 及其外围电路组成。它不但可以对该装置进行控制， 并对采集到的数字信号进行处理，从而来判断避雷器的运行状态。3 为无线数传 模块，它能把监测的实时数据以无线发送的方式传给上位机。4 为避雷器动作次 数监测板，主要记录避雷器动作次数以及发生动作避雷器编号。 它的监测原理是：图2 - 2 虚线部分为无线多通道避雷器在线监测装置的主体 部分，信号经由采样电阻取入，信号进入图2 2 的1 ( 信号调理板) ，它对信号进 行初步处理恁进入圈2 - 2 的2 ( 数据处理板) 。图2 的4 是避雷器动作次数监测板， 他的信号从信号调理板取入，然后对信号进行监测，并将监测结果送往数据处理 板。数据处理板对进入的信号进行数字谐波处理后通过串口将数据发送到图2 - 2 西安理工大学硕士学位论文 的3 ( 无线通讯模块) ，无线通讯模块最终将监测数据发往上位机。 2 3 信号获取方式 目前的测试仪在数据处理上大都采用单片机或单板机等计算机技术，基本上 保证了计算精度，所不同的是信号取样环节的设计。该环节的设计要求能准确反 映避雷器总泄漏电流的波形，并能实现电气隔离。目前测试仪的取样方式主要有 2 种： ( 1 ) 用钳形c t ( 电流互感器) 夹住m o a 接地线，在c t 的输出端即可得到避雷 器的总泄漏电流信号。该方法的缺点是很难保证无失真地传输电流信号。为了提 高取样精度，对c t 的制作要求和参数选择都较严格j 相应地制作工艺复杂，成 本较高。 ( 2 ) 从避雷器的计数器外抽取监测信号。这种方法也具有安装简单的特点。 但采用这种取样方法须要求计数器两端的电压与流过计数器的电流成线性关系， 这样才能保证计数器两端的电压信号能真实反映泄漏电流波形。但多数的计数器 是不能满足这一要求的，这就使得该取样方法的应用受到很大的局限l - o j 。 本文采用信号经由一匝穿芯式无源交流泄漏电流传感器( 图2 3 的2 ) 套在 m o a 末屏接地线上，传感器副边接入一个1 k 精密电阻( 图2 3 的3 ) 。这种接 线方式接线简单，且采用双层金属屏蔽电缆为信号传输线，所以精确度高，能满 足现场测量要求。 1 2 3 图2 3 电流信号取样接线图 h g 2 - 3w i r i n gd i a g r a mo fc u r r e n ts i g n a ls a m p l i n g 第二章系统硬件结构设计 2 。4 信号预处理模块 偿号预处理部分也就是信号诱理电路及多路转换开关电路。在这一部分电路 主要实现信号调理及通道切换功能。信号调理是连接传感器和控制，处理核心 d s p 的桥梁，从传感器得到的信号大多要经过滤波、放大、保护等措施转化到适 合d s p 采集的信号范围以内才能进行数据采集。信号调理电路的精度和稳定性 将直接关系到整个系统的精度和其它功能的实现，如果调理电路设计不当，后续 的数字处理环节无论采震什么样的算法都很难达到理想的效果，所以信号调理电 路设计的好坏是一个不可忽视的环节。多路转换开关电路由d s p 控制，将起到 对多条通道信号的选择作用。本系统调理电路主要包括通道切换电路，滤波电路、 放大电路及保护电路四个部分，如图2 - 4 ： 图2 0 信号预处理郝分结掏灏 f i g 2 4s i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t 2 4 1 多路转换开关电路 多路转换电路主要由开关转换芯片，译码器，与门等芯片组成。开关转换芯 片是一种1 6 通道选一的转换开关，这种芯片其有通道高速选通能力，利用茈特 性对多条线路避雷器进行离速分时监测，从面达到一螽仪器对多组避雷器进行监 测的目的。芯片的选通控制主要由d s p 完成，d s p 的四路d o 输出接入c d 4 0 6 7 的地址位，鹾路d o 输出接入译码器l s l 3 9 的地址位，由译码器的输出高低电 1 3 西安理工大学硕士学位论文 平先来控制4 块选通开关其中一块的使能，当选通芯片被使能后，再通过d s p 的四路d o 输出再来控制选通芯片来选通1 6 通道中的一路，被选通的信号经由 调理电路最后进入a d 采样。 2 4 2 滤波电路 由于现在电网系统日趋复杂，各种干扰信号被引入到电网系统中，因此在获 取m o a 的电压信号和泄漏电流信号中会耦合进一些干扰信号和其他无用信号， 这些干扰信号和无用信号会严重影响装置的测量精度，必须加以滤除。然而信号 在通过滤波器时一般都会产生相移，从而使信号产生一定程度的畸变。为了避免 失真必须慎重选择滤波器形式。 滤波电路按是否带有有源器件分为有源滤波电路和无源滤波电路两类，其中 无源滤波电路仅由无源元件r 、c 、l 组成；有源滤波电路由有源元件集成运放 和r 、c 组成。按工作频带又可分为低通滤波电路( l p f ) 、高通滤波电路( h p f ) 、 带通滤波电路( b p f ) 、带阻滤波电路( b e f ) 和全通滤波电路( a p f ) 。 在m o a 绝缘在线监测中，主要是对电压和泄漏电流信号中的基波分量和三 次谐波分量进行分析，而对高频干扰信号和五次及其以上谐波加以限制，所以我 们需要设计低通滤波电路。又由于有源滤波电路体积小，并且集成运放具有开环 电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，构成滤波器后还有一定的电压放大 和缓冲作用，因此我们设计有源低通滤波电路。 有源滤波电路的构成单元分一阶或二阶有源滤波，一阶l p f 电路虽然结构 简单，但选择性较差，为了取得较好的滤波效果，我们采用了二阶巴特沃斯低通 滤波电路阻1 如图2 5 所示。 d 图2 5 低通滤波电路 f i g 2 - 5l o w p a s sf i l t e rc i r c u i t 已特沃兹滤波电路由r l ，r 2 ，c l ，c 2 以及运放l m 3 2 4 组成，主要滤去5 次及5 次以上的谐波，该滤波电路的传递函数为： 1 4 第二章系统硬件结构设计 日圆) = 螋u 黑1 盥等厂 ( 2 1 ) o ( s ) s 2 + s f 上上) + l 。 、c 2 恐c ：墨。c , g n , 恐 截至频率为： 厂 广一 栌0 丽 ( 2 。2 ) 在滤波电路中，由于我们滤摔的是五次及其以上谐波，郾滤波电路的截至频 率为2 5 0 h z ，根据公式( 2 2 ) 取c l 絮c 2 ，姨= 恐，可以计算出电阻电容元件的参数 大小。集成运放采用t i 公司的l m 3 2 4 ，该运放内部包含四组形式完全相同的的 运算放大器，除共用1 2 v 直流电源外，四组运放相互独立，具有电源电压范围 宽，静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点。 2 4 3 放大电路 由于m o a 泄露电流数值? 。在正常工况下只有几西微安几个毫安，容易受 外界干扰，并且d s p 的a d 输入要求为电压信号，所以在进行滤波以前先经过 一个阻性较大的电阻将它转化成电压信号。d s p 的a d 输入方式分直流输入和 交流输入两种，由于泄漏电流为交流信号，所以我们选择交流采样；交流输入信 号范围要求为0 - 3 v ，如果输入的信号超出此信号范围，超出部分将被截断并且 d s p 读出错误的数据。对于放大电路我们采用简单的反相比例放大电路，电路如 图2 6 所示。 图2 6 反相比例放大电路 f i g 2 6r e v e r s ep h a s ep r o p o r t i o n a la m p l i f y i n gc i r c u i t 放大电路输出电压： u 2 一毕致 ( 2 3 敲 、。 1 5 西安理工大学硕士学位论文 放大倍数为： 阽一生坚 ( 2 4 ) 恐 通过调节电位器足就可以得到合适的放大倍数。 电压输入范围是指d s p 的a d 能够量化处理的最大、最小输入电压值。对 于我们选用的耵公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它的a d 输入信号的范围为0 - - - , 3 v 。对 于监测的电压信号，我们从胛二次侧获得1 0 0 v 电压信号接入箱体，在箱体内 再经过变比为1 0 0 w 1 8 v 的二次门后进入一个简单的分压电路，将电压调至3 v ， 当信号进入放大电路后对足进行微调，便可得到精确电压。一般泄漏电流为毫 安级，经过i k 精密电阻后大概为几十伏，各个避雷器不一样，正常运行时泄漏 电流也不一样，但相差不大，将量程调到5 - - 3 0 v 范围类便可基本满足所以避雷 器的监测。 2 4 4 保护电路 因为m o a 在动作时，动作电流为k a 级，虽然这么大的电流通过小电流传 感器后会使磁芯饱和而不至于使二次侧出现很高的电压，但为了保护调理电路 板，增加保护是很有必要的。保护电路由瞬态抑n - 极管( t v s ) 并联组成，将t v s 二极管加在信号及电源线上，可以防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电 放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音时t v s 二极管的两极将承受反向 瞬态高能量冲击时，它能以1 0 的负1 2 次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗 变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值， 有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏，起到