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移相电容器绝缘在线监测终端饷软件设计 摘要 移相电容器一种具有无功补偿功能的电容型设备，由于具有单位容量费用最 低，有功功率损耗最小、运行维护最简便、改变容量方便等优点，在电力系统中 有着广泛的应用。但近些年来，由于工作环境、人为因素以及设计方面的原因，电 容器故障屡见不鲜，严重威胁电力系统的安全运行，因此必须对其绝缘状态实行 在线监测。 绝缘在线监测技术均以测量设备介损为主要依据，而现有的介损测量方法易 受到电网频率波动和高次谐波干扰的影响，测量误差比较大，不能适应移相电容 器高可精度的在线监测要求。现行的绝缘监测设备一般采用有线数据通信，一方 面架线、布线成本高、线路维护困难、受地形的影响比较严重；另一方面当电容 器出现故障不能及时通知维修人员，造成不必要的损失。 针对上述存在的问题，本文设计了基于t i 公司嵌入式处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、嵌 入式实时操作系统| lc o s i i 和g p r s s m s 无线通信技术，具有移相电容器绝缘在线 监测和故障在线判断功能的监测终端，主要工作如下： 1 采用加汉宁窗的f f t 算法测量电容器的介损，采用加汉宁窗插值的f f t 算法 测量电容器的电容值，并根据介损和电容值对电容器的绝缘状态进行全面的诊断。 2 采用g p r s 无线数据通信方式定时上传电容器的实时测量参数到远程服务 器，为远程服务器分析电容器的变化规律和损坏的可能原因提供依据；当电容器 出现故障，利用s m s 短信方式发送报警信息给维修人员。同时为了缩短软件开发周 期，选用内嵌t c p i p 协议索爱公司的g p r s 模块一一g r 4 7 ，进行g p r s 的硬件设计、 g p r s 的软件设计和s m s 的软件设计。 3 在深入分析嵌入式实时操作系统uc o s i i 特点的基础上，实现了uc o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植和裁减。根据多任务的划分原则，对整个监测终端的软 件进行多任务的划分，并介绍各个任务的软件设计流程和具体实现方法。从任务 的可调度角度、时序裕度角度和储存空间角度，对整个监测终端进行可靠性分析， 同时完成f f t 算法的调试。 关键词：移相电容器；加0 s i i ；介损；汉宁窗；g p r s ；s m s i i a bs t r a c t t h ep h a s e s h i r i n gc a p a c i t o rw h i c hi s ac a p a c i t a n c ed e v i c ew i t hr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，h a sm a n ya d v a n t a g e sw h i c hi n c l u d e t h el o w e s tc o s to fc a p a c l t yu n l t ， t h es m a l l e s ta c t i v ep o w e rl o s s ，t h em o s ts i m p l e 0 fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，e a s y t oc h a n g ec a p a c i t ya n ds oo n i th a sa w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o ni nt h ep o w e fs y s t e m ， b u ti nr e c e n ty e a r s ，f a i l u r eo fm o r ea n dm o r ec a p a c i t o rf o r t h ew o r ke 1 v i r o n m e n t ，t n e h u m a nf a c t o r sa n dd e s i g np r o b l e m si s as e r i o u sm r e a tt 0t h es a f eo p e r a t l o no t t n e p o w e rs y s t e m ， s ot h ei n s u l a t i v es t a t e o fc a p a c i t o rm u s tb ei m p l e m e n t e d o n 。1 1 n e m o n i t o r i n g o n 1 i n em o n i t o r i n g t e c h n 0 1 0 9 yo fp o w e re q u i p m e n t i sp r i m a r i l y b a s e do n m e a s u r i n gd i e l e c t r i cl o s s ，b u tt h ee x i s t i n g d i e l e c t r i c1 0 s sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r e 1 ：1 a f f e c t e dt of r e q u e n c yf l u c t u a t i o na n dh i 曲h a r m o n i c i n n u e n c eo ft h ep o w e r g n d ，w ? 1 c n c a nn o tm e e tt h eh i 曲a c c u r a c ym e a s u r e m e n tr e q u e s t o ft h ep h a s e 。s h i r i n gc a p a c l 2 0 l t h ee x i s t i n g i n s u l a t i o nm o n i t o r e d d e v i c e s a r eg e n e r a l l y u s e dc a b l ed a t a c o m m u n i c a t i o n o nt h eo n eh a n d ，i ti sh i 曲一c o s to f r o u t i n ga n ds r i n g i n g ，m a i n t e n a n c e d i m c u l t i e so fc i r c u i t ya n ds e r i 。u si m p a c to f t h et e 而n o nt h eo t h e r h a n d ，w h e nt h e c a p a c i t o r f a i l s ，i t c a nn o tp r o m p t l yn o t i f y t h em a i n t e n a n c e s t a f fw h i c hc a u s e s u n n e c e s s a r yl o s s t oa d d r e s st h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e s am o n i t o rt e m l n a lw l t n p h a s e s h i f t i n gc a p a c i t o ri n s u l a t i o no n - l i n em o n i t o r i n g a n do n 1 i n ef a i l u r ed i a g n o s l ：l t ：a s e so nt ic o m p a n y e m b e d d e dp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，e m b e d d e d r e a l - t l m e o p e r a t i n gs y s t e m 肛c o s i i a n dg p r s s m sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o i o g y m a io rw o r ki sa sf o l l o w s 1 t h i sp a p e ra d o p t st h ef f ta 1 9 0 r i t o f h a i l n i n g w i n d o ww e i g h e d om e a s u r e d i e l e c t r i cl o s s ，a d o p t st h ef f ta l g o r i t h mo fh a n n i n g w i n d o ww e i g h t e di n t e 印0 1 a t l o n t om e a s u r ec a p a c i t a n c e a tt h es a m et i m e ，m et e x t d i a g n o s i s e s c o m p r e h e n s l v 王誓 i n s u l a t i v es t a t e o ft h ep h a s e s h i r i n gc a p a c i t o ra c c o r d i n g o d i e l e c t r i cl o s s a n d c a d a c i t a n c e 1 2 t h et h e s i sd e c i d e st 0u s eg p r sw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o nt ou p l o a dt h e r e a l - t i m em e a s u r e m e n tp a r a m e t e r so fc a p a c i t o r t 0t h er e m o t es e r v e ri nt i m e w h i c t 二c a n 锄l y s e r u l e so fc a p a c i t o rv 疵ya n d t h ep o s s i b l e c a u s e s 0 f t h ed a m a g e0 t ，e c a p a c i t o r u s e ss m sm e s s a g e c o m m u n i c a t i o nt 0 s e n dw a r n i n gi 1 1 f o r m a t 沁n t 0 ? e m 二n t e n a n c es t a f f w h e nt h ec a p a c i t o rf a i l s a t t h es 锄et i m e ，i 1 1o r d e rt os h o r t e nt h e i n 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 s o r w a r ed e v e l o p m e n tc y c l e ，t h ea n i c l es e l e c t ss o n ye r i c s s o ng r 4 7m o d u l et od e s i g n h a r d w a r eo fg p r s ，s o r w a r eo fg p r sa n ds m sm e s s a g e ，w h i c he m b e d st c p i p c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i ni t s e l f 3 o nt h eb a s i so fi n - d e p t ha n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i n gs y s t e m c o s i i ，t h ep a p e rr e a l i z e s t h ep c o s i i t r a n s p l a n t a t i o na n dr e d u c t i o n o nt h e t m s 3 2 0 f 2 812 ，d i v i d e st h es o r w a r em u l t i t a s ko ft h ee n t i r em o n i t o rt e m i n a li n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so fm u l t i - t a s kd i v i s i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r p r e s e n t ss o r w a r ed e s i g np r o c e s s e sa n ds p e c i f i cr e a l i z a t i o nm e t h o d so fe a c ht a s k s ， a n a l y s e sr e l i a b i l i t yo ft h ee n t i r em o n i t o rt e r m i n a lf r o ms c h e d u l i n gt a s k ，t i m em a r g i n a n ds t o r a g es p a c e ，c o m p l e t e sd e b u go ff f t a l g o “t h m k e yw o r d s ：p h a s e - s h i f t i n gc a p a c i t o r ；p c o s - ；d i e l e c t r i cl o s s ；h a n n i n gw i n d o w ； g p r s ：s m s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：王兰住洽 日期：2 口d q 年j 月2 2 日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口o ( 请在以上相应方框内打“”) 誓需薹耄：之豸7 翥冶 导师签名：彳拍缪 日期：2 。口吕年r 月2 2 日 日期：雕r 月阳 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 在变电站内，电容型设备通常是指高压端对地有较大的等值电容，绝缘结构 可视为若干个电容器串并联而成的设备，包括电容式电流互感器( c t ) 、电容式电 压互感器( c v t ) 、高压电容式套管、藕合电容器( q y ) 和移相电容器等。这些设 备的数量在变电站中约占设备总数的4 0 5 0 ，在变电站中却具有举足轻重的地 位。当这些设备发生故障时，不仅影响整个变电站的安全运行，还危及其它设备 和人身的安全，造成大面积的停电。例如互感器、避雷针等设备常会发生爆炸和 起火，其爆炸的瓷片会打坏相邻的其他设备，甚至会造成人员伤亡等事故。大量 资料表明导致这些设备故障的主要原因是其绝缘性能发生了劣化：1 9 8 0 年电力部 对3 6 台故障电流互感器进行分析，绝缘事故占9 2 心1 ；1 9 9 0 年全国1 1 0k v 及以 上等级的互感器中绝缘故障占总事故的5 5 口3 ；湖北省对1 9 8 7 年前发生故障的2 2 台电压互感器、4 5 台电流互感器和4 5 只绝缘套管的统计表明，绝缘故障占总事故 的比例分别为8 6 、6 9 和6 4 h 1 。国外的统计结果也类似，例如美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容器的统计分析指出其中9 2 是因为绝缘劣化 引起的晦1 ，因此对这些电容型设备的绝缘状况进行有效的监测具有十分重要的意 义。 移相电容器是一种重要的电容型设备，是一种常用的无功补偿设备，它主要 的用途是提高系统和用户的功率因数、改善用电质量、减少用户电费开支、减少 线路损耗、增大供电容量和提高电力网的传输能力等1 。在众多无功补偿设备中， 移相电容器具有单位容量费用最低，有功功率损耗最小( 约为额定容量的 0 3 o 5 ) 、运行维护最简便、改变容量方便、移动性强( 可以根据需要分散迁 拆到其他地点) 等优点盯3 ，因此在电力部门得到了广泛的应用。 但近些年来，由于工作环境、人为因素以及设计方面等原因，电容器故障屡见 不鲜，主要表现为着火和爆炸，严重威胁电力系统的安全运行。表1 1 统计了我国 1 9 9 7 年到2 0 0 3 年电容器年故障率的分布情况阳1 。 表l - i 我国1 9 9 7 年到2 0 0 3 年电容器年故障率分布情况表 年份 1 9 9 71 9 9 8 l 1 9 9 9 l 2 0 0 0 i 2 0 0 1 i 2 0 0 2 2 0 0 3 年故障率( )l 1 2 7 l 1 4 8 i 1 5 11 3 91 6 31 9 l i 1 1 3 电容器的损坏原因一般有电网的高次谐波电压、开闸和闭闸的过电流和过电 压、投切次数过多、投切时发生震荡等圈1 们，文献【1 1 】中指出，我国2 2 0 k v 及以上 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 枢纽变电站中的河南汤阴变、湖南曲河变湖南宝庆变、广西玉林变、张家口宣化 变电站的电容装置投运后，曾先后发生由于3 次谐波谐振引发的部分电容器和配 套器件损毁的事故；北京地区聂各庄变、吕村变、南苑变、王四营变、浙江绍兴 的渡东变等，均发生过因电容器投切时发生震荡而被迫停运采取改造措施的情况。 虽有上述这些原因，但一直不清楚究竟是何种原因起主导作用以及他们是如何作 用的，这样就危及电容器组和整个电力系统的安全运行；经常发生继电保护跳闸， 除了少部分是电容器内部故障引起外，大部分是因错误接线，保护整定不合理， 检修维护测试不到位所致，对此的通常做法是派试验人员去现场对电容器进行试 验检查，这既花费大量的人力物力，同时又增加了工作人员误触电的可能性；当 然更不可取的做法就是退出继电保护强行投运，从而导致事故的扩大。与此同时 国内外专门对移相电容器进行绝缘在线监测的装置并未见其报道，鉴于此，研制 一套移相电容器绝缘在线监测终端实时反映电容器运行参数，有着重要的工程实 际意义，研究和开发先进的电容器故障诊断系统有着积极的现实意义。， 1 2 国内外电容型设备绝缘在线监测技术的发展现状 电力设备的绝缘劣化、缺陷发展，大多数都有一定的发展期，在这期间会发 出反映绝缘状态变化的各种信息，例如：对移相电容器来说，当绝缘发生缺陷劣 化后，介质损耗角正切值辔6 ( 简称介损) 、设备电容值c 等信息都会有微弱的变 化n 2 一引。对电力设备这些微弱的变化信息进行及时和大量地获取，并对这些信息 进行处理，就可以对设备绝缘的可靠性做出判断和对设备的绝缘寿命做出预测， 必要时还可提供规定的操作，这样既可避免由于早期绝缘缺陷导致事故的扩大， 也可避免由于盲目停电进行绝缘试验而造成的经济损失。 1 2 1 国外电容型设备绝缘在线监测技术的发展现状 国外对电容型设备绝缘在线监测技术的研究大致始于上世纪6 0 年代，经过几 十年的发展，已有商品化的产品投入运行。例如前苏联发展了电容型设备绝缘监 测和局部放电的在线监测技术n 引；澳大利亚昆士兰电气协会高压测试研究所开发 研制了变电所设备在线监测装置，在2 7 5 k v 变电站试用并在1 3 2 k v 变电站正式使 用，主要测试高压设备的局部放电、介质损耗角、等值电容和泄漏电流幅值等参 数n5 1 ；美国、加拿大等国家的一些公司也开发出了类似的电容型设备在线监测系 统。近年来，国外厂商如美国a v o 公司( s o s 脚在线监测系统) 、澳大利亚红相 ( r e d p h a s e ) 公司( c t m 系统) 、德国的l d i c 公司均在国内某些变电站安装了自行研 制的电容型设备在线监测系统n 们，这些绝缘在线监测装置运用到实际中，根据状 态监测的结果和设备故障的预先知识来确定维修工作的内容和时间、制定维修方 硕士学位论文 案，这样在保证高电压电气设备安全运行前提下，既有利于提高设备的不停电率， 又有利于节省维修的人力、物力。 1 2 2 国内电容型设备绝缘在线监测技术的发展现状 我国的电气设备绝缘在线监测则起步于7 0 年代，当时仅仅是对电气设备某些 绝缘参数( 主要是泄漏电流) 进行不断接触式带电测量，其结构简单但灵敏度差。 到了8 0 年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与引用，我国的绝缘在 线监测技术才真正得到的发展，特别是各省电力部门，如安徽、吉林、河北、内 蒙、广东、湖南等地都研制了电容型设备的监测装置，主要监测介质损耗、电容 值、三相不平衡电流n 。在这个时期，还有清华大学、电科院、武汉高压研究所、 东北电力试验研究院等单位还研制了各种类型的局部放电监测系统；电科院和西 安交通大学还结合油中气体分析开展了绝缘诊断专家系统的研究工作n8 j ，但是这 些技术和装置与国外先进技术比较起来还有一定的差距。到了9 0 年代初，随着微 机技术的发展与应用，我国的电容型设备绝缘在线监测技术发展到了一个新的水 平，武汉高压研究所、武汉大学电气工程学院( 原武汉水利电力大学) 、清华大学、 中国电力科学院等单位，都投入了大量的力量进行研究与开发，通过对电容型设 备的介电特性研究表明，对于电容型高压电气设备，主要监测其交流泄漏电路i 、 等值电容量c 、介质损耗角正切值培6 ，监测交流泄漏电流可以灵敏放映电容型设 备的整体受潮程度，监测介质损耗角正切值秽，对早期局部缺陷放映比较灵敏， 监测等值电容量c 可以做为有效的补充，综合监测郴，i 和c 可以更为全面地了 解绝缘状况n 钆2 们。在这个时期，各生产厂家如广州科立公司、武汉高德公司、马 鞍山万源公司等厂商都在这种技术支撑的前提下，投入了大量的力量进行研究与 开发，推出了各种不同的产品。目前，较为有影响力的系统有：武汉高德电气有 限公司的g d 8 型、广州科立通用电气公司的c i e 2 0 0 型、湖北省电力实验研究所 的k w z i i i 型、武汉高压研究所的i m 2 型、马鞍山万源电力新技术有限公司的j s c 型心。近年来，国内外学术界对电容型设备在线监测信号提取乜羽、数字化测量方 法乜3 一钔、分析诊断方法乜5 1 和测量有效性这四方面进行了大量的研究工作。 综合国内、外电容型设备绝缘在线绝缘监测技术的发展状况，大体上经历了 起始于7 0 年代带电测试阶段，起始于8 0 年代的专用带电测试仪阶段，起始于9 0 年代以数字波形采集和处理技术为核心的在线监测系统阶段。整个绝缘在线监测 系统的开发己从最初的分散式，发展到目前应用较多的集中式，随着当前分层分 布式技术、无线技术和w e b 技术的广泛应用，整个系统的研发正朝着多层次应用 体系的方向发展。 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 1 3 电容型设备绝缘在线监测系统目前存在的问题 目前的电容型绝缘在线监测系统利用先进的传感器技术、计算机技术、数字 波形采集技术、数据处理技术和数据传输技术，实时连续巡回监测各被监测量， 对监测结果进行显示、存储、打印、远传及越限报警，具有监测内容丰富，信息 量大，处理速度快等优点，但对己实际投运的产品进行调查，其运行效果并不理 想，根本没有取得预期的经济效益和社会效益n 8 2 们，绝缘在线监测系统目前主要 存在如下问题心7 2 引： 1 绝缘信号在线提取困难 由于电容型设备绝缘在线监测系统通常工作在电磁环境恶劣的发、变电站运 行现场，使得无论怎样设法在硬件上提高设备抗干扰性，依然会在采样信号中存 在着大量的高频干扰和脉冲干扰，因此研究适合的采样数据预处理算法应为今后 绝缘信号在线提取的研究重点。 2 绝缘影响因数不明确、绝缘故障判据不明朗 有哪些因数对电容型设备的绝缘状况有影响，以及这些因数以什么样规律影 响绝缘状况，通过什么样的标准来诊断设备发生绝缘故障，目前来说都不是很清 楚。只有加强基础理论研究，通过大量实验来分析各种因素对试品绝缘状况的影 响，从机理上来解释试品绝缘状况变化的原因；积累大量运行经验，尽可能收集 在线信息，从中寻找新的故障征兆与诊断判据，为更全面、更准确地进行故障诊 断创造条件。 3 数据通信成本高、线路维护困难 监测设备一般都有数据通信口，如r s 2 3 2 c ，r s 4 8 5 ，c a n 等，这些端口都有 一个共同的特点，那就是都是有线端口，一方面架线、布线成本高、线路维护困 难、受地形的影响比较严重，在很多偏远地区这些设备就有可能不能用；另一方 面当电容器出现故障不能及时通知维修人员，造成不必要的损失。中国移动公司 g p r s 业务的发展和g p r s 数据终端产品的应用，加上互联网技术的成熟和网络 应用的普及，使得以g p r s 无线通信方式实现电容器绝缘状态的远程在线监测和 以s m s 短信报警方式及时通知维修人员成为可能。 4 不具有故障可能原因的诊断功能 目前的电容型设备绝缘在线监测系统只具有保护和故障判断等功能，并不具 有故障可能原因识别和故障原因概率判断的功能。随着配电网自动化和变电站综 合智能化在电力系统的推广应用，新一代的绝缘在线监测系统集保护、测量、控 制、故障诊断、故障原因识别等多种功能，将更适合电力系统综合自动化的需要。 总之，目前的电容型设备绝缘在线监测系统还不是很理想，但近年来随着高 硕士学位论文 性能的嵌入式系统的处理器( 如d s p 、a r m 等) 和嵌入式实时操作系统( 如l i n u x 、 l c o s - 等) 的出现，为电容型设备绝缘在线监测系统的发展提供了广阔的前景。 1 4 论文的章节安排及其创新点 本文采用了t i 公司最新推出的嵌入式处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 做为硬件平台， 采用“c o s i i 嵌入式实时操作系统做为软件平台、结合当前流行的g p r s 无线通 信技术，研制具有移相电容器绝缘在线监测和在线故障判断功能的监测终端。 全文共分为6 章，各章具体的研究内容如下： 第1 章：介绍国内外绝缘在线监测技术研究现状和目前存在的问题，以及论 文研究的背景和意义。 第2 章：介绍监测终端的总统设计，主要包括硬件设计的总体框架图和软件 设计的总体思路。 第3 章：介绍嵌入式操作系统pc o s 一的特点，在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植和 裁减，根据多任务划分原则，对监测终端进行多任务的划分。 第4 章：介绍g p r s 的特点，并选择索爱公司的g r 4 7 进行g p r s 的硬件设计、 g p r s 软件设计和s m s 软件设计。 第5 章：详细介绍监测终端的各个任务软件设计流程和具体的实现方法。 第6 章：进行f f t 算法调试。 本文的创新点如下： 1 通过在线监测移相电容器的介损和电容值，对其的绝缘状态进行在线诊断。 2 采用g p r s 无线通信方式上传电容器的实时采集参数到远程服务器通信， 为远程服务器分析电容器的变化规律和损坏的可能原因提供依据；当电容器出现 故障时，采用s m s 短信方式发送报警信息通知维修人员。 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 第2 章监测终端的总体设计 本章首先介绍了移相电容器的介损和电容量测量，然后介绍了监测终端的总 体设计，在介绍总体设计时详细介绍了监测终端的硬件设计总体框架图和软件设 计总体思路。 2 1 介损和电容量测量 交流电压d 作用下电容器的特性如图2 1 ，流过电容器的电流j 比电容器两端 的电压d 超前一个相角缈，电流j 是由电容电流分量丘和有功电流分量厶组成， 通常t 厶，则介损留艿是设备绝缘的局部缺陷中介质损失引起的有功电流分量 厶和设备总电容电流l 之比： _， 留6 = 增( 妥一9 ) = 挚 ( 2 1 ) r i c c f ir 。 图2 1 电容器的特性图 介损辔6 是表征绝缘在交变电压作用下损耗大小的特征参数，它仅取决于材料 的特性，而与材料尺寸、形状无关，它的变化可以反映移相电容器绝缘整体受潮情 况、劣化变质情况以及设备的局部缺陷，因此以介损辔6 作为反映电容器绝缘状况 的参数是非常合适的，是设备绝缘性能的基本指标之一。 一般说来，反映电容器绝缘状况的特征参数有介损辔6 和电容量c ，其中介损 比电容量更灵敏些，为电容器绝缘在线监测的主要参数。但对于有集中性缺陷的电 容器来说，如果集中性缺陷处的介损占全部损耗的比重比较小，介损效果就比较差， 此时可以通过测量电容量来补充，因此综合测量辔6 和c 对电容器的绝缘状况进行 全面的判断。 2 1 1 介损测量 高压移相电容器行标( d l t 8 4 0 2 0 0 3 ) 中规定电容器在工频交流额定电压下， 硕士学位论文 2 0 时损耗角正切值应符合下列值：纸膜复合介质的电容器应不大于0 0 8 ；全膜 介质的电容器：有放电电阻和内熔丝的应不大于0 0 5 ，无放电电阻和内熔丝的 应不大于o 0 3 ，因此移相电容器的介损值非常小，介损测量属于高电压、小电 流、小角度的精密测量。当电网的频率波动和存在高次谐波含量时，介损测量的 真实值很容易受到干扰，甚至被淹没，因此提高介损的在线测量精度非常重要， 可以从以下两方面进行：一是电压和电流采集数据的预处理，二是采用合适的介 损测量方法。 1 电压和电流采集数据的预处理 由于移相电容器绝缘在线监测终端通常工作在电磁环境恶劣的发、变电站运 行现场，使得无论怎样设法在硬件上提高设备抗干扰性，依然会在采集信号中存 在着大量的高频干扰和脉冲干扰，所以本装置除了在硬件上采用一阶r c 低通模拟 滤波器外，还在软件上采用二阶r c 低通数字滤波器，对采集后的电压和电流数据 进行数据预处理。对于二阶r c 低通数字滤波器，只要适当地改变滤波器的运算参 数，就能方便地改变滤波器的截止频率，对于消除高频脉冲干扰和随机误差特别 有效，数据的平滑性也比较好。根据模拟无源二阶r c 低通滤波电路可推导出离散 的数字滤波器递推式： j 名= 2 c 戳i - 1 ) 一口2 咒1 2 ) + ( 1 一口) 2 ( 2 2 ) 其中口= 兀( 正+ 2 矾) ，兀为采样频率，厶为截止频率，假定石= 1 6 k ， 厶= 2 k ，则口= o 11 3 ，取口= o 1 ，则实际的厶= 2 2 9 2 ，则： 以= o 2 欺七- 1 ) 一o 0 1 苁i 一2 ) + o 8 1 ( 2 3 ) 图2 2 二阶r c 低通数字滤波器的b o d e 图 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 其幅频和相频的b o d e 图如图2 2 ，从图中的相频b o d e 图可以看出，用二阶 r c 低通数字滤波器进行电压和电流数据预处理时，存在输入和输出相位偏移的问 题。若电压和电流的频率是相等，则相位偏移量是相等，并且具体偏移的大小要 根据截止频率厂来确定，厂越高偏移就越小，但不能消除相位偏移。介损为电流 和电压相位差的正切值，对于电容器实际的电压和电流的频率肯定是相等的，若 用同一个数字滤波器进行数据预处理，两者的相位偏移是固定的，所以相减之后 对介损的测量是没有影响。所以在选择截止频率厂的时候就不要考虑滤波器相位 偏移对介损测量的影响，只要保证幅频响应在通带内衰减很小就可以。 2 介损的测量方法 介损测量主要要解决电网的频率波动和高次谐波对介损测量的影响，在分析 和对比国内外不同介损测量方法口0 3 和进行大量的m a t l a b 仿真的基础上，同时 考虑电容器介损在线监测的精度要求，采用加汉宁窗的谐波分析法测量电容器的 介损，为了减少算法程序的计算量和提高程序执行的速度，谐波分析法采用快速 傅立叶( f f t ) 来实现。 谐波分析法( 又称傅氏算法d f t ) 的原理是基于三角函数的正交性，所以求 解出的基波分量不受高次谐波的影响，也不受采样装置中电子电路零漂的影响， 因而可以达到较高的稳定性和测量精度，而采用快速傅立叶变换( f f t ) ，利用旋 转因子的周期性和对称性，合理安排重复出现的相乘运算，使计算量显著减小， 计算速度明显提高。当电网频率波动时，使得固定采样频率与电网的基波频率不 成整数倍( 也就不同步采样) 时，采用加汉宁窗( h a n n i n g w i n d o w ) ，对f f t 结果 进行修正，可以减少频谱泄漏和栅栏效应。 汉宁窗是余弦加权的一种，通常信号加权都是在时域内进行的，而对于余弦 加权，可以先对信号进行傅立叶变换，然后在频域内进行加权处理，单边的汉宁 窗序列为： w ( 挖) ：三+ c o s ( 望7 r ) ：三+ 三( ! p 片霄+ p 一7 蛩耳) 力：o 一1 ( 2 4 ) 222 2 设一个周期性信号x ( f ) ，基波频率为z ，采样频率为z ( 采样周期为c ) ，采 样频率的分辨率为厶= 石m ，工= 5 0 h z ，m 为连续采样的周期数，力为采样序列， x ( 玎) 的d f t 变换为x ( 后) ，则x ( 丹) 加汉宁窗的d f t 变换为k ( 七) 。则( 七) ： 瓦( 七) ：芝w ( 拧) x ( 聆咖争 ：芝砖一昙砖p ，等万+ 丢e 一，等”) ) z 毛) p 一，警腑 ( 2 5 ) 智、2 2 、22 “、w、7 = 丢x ( 七) 一丢x ( 七一1 ) 一丢x ( 后+ 1 ) 8 硕士学位论文 采用重心法则对加汉宁窗的f f t 计算结果e ( 七) 进行插值校正，根据f f t 和 余弦函数的相关公式，可严格推导出汉宁窗插值公式m 3 ： d ( 七) = 兰! 墨堡盟：! 墨剑 i 义0 ( 七+ 1 ) i + l 爿r w ( 七) i ! 墨剑二兰! 墨竺二! 丛 l 以( 七) l + f 丘( 七一1 ) i 义0 ( 七+ 1 ) i l 义0 ( j j 一1 ) l e ( 七+ 1 ) i o s t c b s t k p t r 指令，获得就绪态的最 高优先级任务的堆栈指针，通过p o pr p c 和i r e t 指令恢复该任务入栈时保存的 c p u 现场，从而把c p u 的控制权交给该任务。 ( 2 ) o s c t ) ( s 、“) 该函数是任务级的任务切换函数，用于完成任务与任务之间的切换。在当前 运行的任务因为有更高优先级的任务进入就绪态而被阻塞时，操作系统就会通过 调用o st a s ks w ( ) 来执行该函数进行任务的切换。首先保存当前任务的现场到 当前任务的堆栈中( 现场包括入栈时自动保存与c p u 有关的寄存器和当前堆栈指 针s p ) ，然后通过执行o s t c b c u r = o s t c b h i 曲r d y 、o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y 从当前任务控制块o st c b 切换到最高任务控制块o st c b ，最后通过执行s p = o s t c b h i 曲r d y 一 o s t c b s t k p t r 指令，获得当前更高优先级任务的堆栈指针，跳转 到当前更高优先级任务的堆栈，最后通过p o pr p c 和i r e t 指令恢复更高优先级 任务的c p u 现场，从而运行更高优先级的任务，这样就完成任务与任务之间的切 换。 ( 3 )o s i n t c t x s w ( ) 该函数是中断级的任务切换函数，在中断函数完成时被调用，用于执行中断 返回后就绪态的最高优先级的任务，而不一定是被中断的那个任务。中断级的任 务切换的原理基本上与任务级的切换相同，只是由于系统在调用o s i n t c t x s w ( ) 之 前己经发生了中断，系统己经将现场保存到被中断仟务的堆栈中，p c o s i i 在中 断服务完成时调用o s i n t e x i t ( ) ，再通过o s i n t e x i t ( ) 再调用o s i n t c t x s w ( ) 来执行任 务切换功能，因此在被中断那个任务的堆栈中多保存的两次p c 的值，因此在 o s i n t c t x s w ( ) 函数一开始就进行堆栈指针s p 的调整，根据d s p 堆栈( 1 6 位) 和 p c 的数据类型( 2 2 位) ，调整堆栈指针s p 为s p 4 。 ( 4 ) o s t i c k i s r ( ) 该函数是时钟节拍中断函数，在时钟中断到来时调用该函数，为系统和用户 提供延时服务。f 2 8 1 2 的c p u l 和c p u 2 是专门为实时操作系统r t o s 保留的， 本文选用c p u 2 定时器提供时钟节拍中断信号，时钟节拍数为5 0 。 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 3 4 p c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的裁减 嵌入式实时操作系统c o s i i 将内核所有条件编译的条件标识符都集中到了 一个配置文件o sc f g h 中，在文件o sc f g h 中，定义最大事件数，最多消息 队列数，最多任务数，最低任务优先级，是否使能信号，是否使能邮箱，是否使 能消息队列以及其他的一些配置。通过修改0 sc f g h 中各个标识符的定义，就 可以决定该功能模块是否将参加编译，该功能是否会被包含到内核中去，未经任 何裁剪的p c o s i i 内核源码达到了1 6 0 k 左右，这很难应用到一般的d s p 系统中。 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的硬件平台实际只有1 2 8 k 的f l a s h 和1 8 k 的s r a m ，而且实际 的应用程序中只会用到任务管理、时间管理、任务之间的通信与同步管理、i o 管 理等小部分功能，所以对p c o s i i 其余的功能进行裁剪优化，是非常有必要的。 根据本装置的实际需要，在不影响所有功能实现的前提下，经过对内核的优化和 裁剪，内核本身只剩下4 7 k 左右，约占用了片内f 1 a s h 的三十分之一。 3 5 监测终端的任务划分 当在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上移植完p c o s i i 操作系统后，监测终端的软件设计就 是根据具体的应用情况来书写各个应用任务，当然首先要进行任务的划分。 3 5 1 任务划分的原则 对于一个具体的嵌入式应用软件进行具体任务划分是实时操作系统软件设计 的关键，划分是否合理将直接影响软件设计的质量，当任务划分得合理时，软件 设计将比较简洁、高效；否则可能比较繁杂、甚至失败。根据任务的基本特征( 动 态性、独立性和并发性) ，具体的划分原则如下h 朝： 1 以c p u 为中心，将与各种输入输出设备( 或端口) 相关功能的分别划分 为一个独立任务，根据这个原则可划切除任务、输入任务和显示任务。 2 发现“关键 功能，将其最“关键”部分“剥离 出来，用一个独立任务 ( 或i s r ) 完成，剩余部分用另外一个任务实现，两则者之间通过通信机制沟通， 根据这个原则可划分故障判断任务。 3 发现“紧迫”功能，将其最“紧迫 部分剥离出来，用一个独立的高优先 级任务( 或i s r ) 完成，剩余部分用另外一个任务实现，两者之间通过通信机制沟 通。根据这个原则可划分模拟量采集中断、a 相电网频率采集中断和数据处理任 务。 4 将耗时较多的功能单独划分出来，封装为低优先级任务，根据这个原则可 硕士学位论文 单独划分出显示任务。 5 将关系密切的若干功能组合成为一个任务，达到功能聚合的效果，根据这 个原则，将所有的数据处理功能组合成一个数据处理任务。 6 将由相同事件触发的若干功能组合成为一个任务，从而免除通信事件的分 发，根据这个原则，把g p r s 数据通信和s m s 短消息通信组合成一个数据通信任 务。 3 5 2 具体任务的划分 根据上面任务划分的原则，具体的应用程序可划分为：前台中断程序和后台 多任务程序。中断程序包括由于d 转换完成而产生的x i n t l 外部中断、用于测量 a 相电网频率的c a p 3 捕获中断、由于g p r s 数据发送而产生的s c l a 发送中断、由 于g p r s 数据接收而产生的s c i a 接收中断、为操作系统提供时钟节拍服务的 c p u t i m e r 2 中断、提供精确延时服务的c p u t i m e r o 中断和系统复位中断；任务程序 包括数据处理任务、故障判断任务、数据存储任务、数据通信任务、切除任务、 输入任务、显示任务和空闲任务，系统的多任务软件结构图如图3 2 。 后台多任 前台中 数据处数据存故障判切除数据通显示输入空闲 簪 理任务储任务断任务 任务 信任务任务任务任务 1r1 r1rr r1 r1 r1r 、 肛c o s 操作系统 j ljl j l jljkj lji 系统复 c _ p 3 捕n t l c p u 定 c p u 定 s c i as c i a 断发送接收 位中断获中断 中断 时器0时器2 中断中断 图3 2 多任务软件结构图 移相电容器绝缘在线监测终端的软件设计 第4 章监测终端的通信设计 和有线通信方式比较，无线通信方式无论在布线施工、投资综合成本、故障 维修，还是在通信范围、通信速度、通信发展的技术走向等方面有着不可比拟的 优越性h “蜘，而无线通信中的g p r s 以其数据传输速度快、覆盖面广、运营成本 低等优点，成为无线通信的首选，因此本装置