（电工理论与新技术专业论文）基于声波分析的变压器状态监测系统.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于声波分析的变压器状态监测 系统，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 包含其他入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：! 旦l 生日期：1 2 ：! 塑 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：刍j l 盘 日 期：立：! ：! 导师签名：垒蔓篷 日 期：竺2 ：! ：堑 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及研究意义 第一章前言 随着电网规模的不断扩大，对电力生产的可靠性要求越来越高。电力设备贯穿 于发电、输电、配电等电力生产的各个环节，旦关键电力设备的某个部分运行过 程中出现故障，就很可能中断生产，造成巨大的经济损失，甚至带来灾难性的后果。 电力设备运行的在线监测是保证其可靠运行的重要技术手段，深入研究监测的新机 理、开发相应的监测系统具有重要的学术意义和实用价值。 变压器作为电网中重要的电力设备，其运行状态好坏，直接影响电网的安全运 行。因此对电力变压器进行在线监测，及时掌握其工作状态，一直是电力部门追求 的目标。针对这一目标，电力部门采取了多种变压器状态监测方法，但是这些方法 常常采用的是接触检测技术，目前高压电力设备的运行状态监测方法尚不够成熟， 许多难题源于高电压和强电磁场的存在。例如，文献 1 3 】提到的应用变压器绝缘油 中气体和水分的在线监测中，需要将传感器安置于变压器内，存在因传感器接触变 压器而影响其工作状态的问题。文献【4 5 】提到的在变压器局部放电监测方法中，由 于变压器工作于强电磁干扰环境，现场存在着广泛的电晕放电、开关动作产生的冲 击以及相邻高压电气设备内部可能出现的局部放电等，这是变压器局部放电在线监 测所面临的主要干扰源。因此，需要找到一种更好的监测方法，使其特征参数的采 集无须接触电力变压器，也不会受工作环境的高压及强电磁场的影响。 一直以来，电力变压器发出的声音信号作为噪声而被人们所忽略，然而，有经 验的工作人员在对电力变压器巡检时，可以通过人的感觉器官依据经验对其运行状 态做出判断。例如，在通常情况下，电力变压器的噪声是一种具有随机过程特性的 复合噪声，即其正常运行时的噪声是稳定的。但是，当发生故障或存在外部扰动时， 其噪声会发生一定的变化，因此，将电力变压器发出的声波信号引入到运行状态监 测中，可以通过在线分析声波的特征，实时判断电力设备运行状态的变化。针对这 一特点，本文提出了一种基于声波分析的电力变压器监测新方法，声波信号的获得 无须接触电力变压器，不会影响其工作状态，在高电压及强电磁场中也不会受到影 响。将声波信息科学的集中管理，增强声波信号的分析处理，并可将电力设备发生 畸变时的信息远程传输到调度端。这将大大提高电网运行的自动化水平，为无人值 守变电站带来巨大的技术进步。 1 2 利用声波信号监测电力变压器状态的研究现状 利用声波信号对电力变压器的运行状态实时监测，国内外的学者已经对其进行 华北电力犬学硕士学位论文 了一些有益探讨，从声波的频率特点上可划分为噪声分析法和超声波分析法两大 类。 1 ) 噪声分析法e “9 】 传统的噪声分析法是通过传声器，声级器，录音设备把声音采集到磁带， 然后将磁带带回实验室在计算机上进行声波分析，从而得出相关的设备状态信 息。 利用p c 机实现对变压器噪声的监测与诊断。该方法是系统通过装在变压 器固定位置上的音频头实时得到其噪声的时域波形。在计算机中进行频谱分析， 按特定的诊断方法判断变压器的运行状态，实现变压器的在线监测与诊断。 稳态噪声诊断是通过传声器、声级计、滤波器和电平记录仪将噪声的时 域信号或频谱信号记录下来，以供分析。 ( 2 ) 超声波分析法f l p l 4 利用超声波技术测量变压器局部放电。变压器内部局部放电所产生的超声信号 由紧贴在变压器外壁上的超声波传感器拾取，分别经前置放大单元、信号预处理单 元、高速模数转换器，最后将数据传送到计算机中并利用相关软件对数字信号进行 分析处理，以判断放电模式。 以上对变压器噪声的分析方法中，只是简单的对变压器噪声进行了时域及频域 分析，但是声波信号所包含的信息量是复杂的，当变压器处在某种特定的嘈杂声场 中时外部声波信号的干扰，会极大的影响变压器的声波信号的时域及频域特征，因 此由这种方法得到的结论并不能够精确的反映出变压器的运行状态信息，也不能够 有效的判断出其故降类型。对变压器的超声分析中，虽然原则上可以实现变压器的 实时监测，但是因为局部放电监测所急需解决的抗干扰技术尚未解决的很好，而且 数据处理方法还处在迸一步的研究中。目前已有较成熟的进日变压器超声监测设备 价格昂贵，并不能够普遍的应用到变压器实际监测中。 1 3 本文的主要工作 针对变压器运行时声波信号的特点，研究声波信号与变压器运行状态之间的内 在联系，采用合理算法依据声波信号判断变压器的运行状态及其故障类型。本文主 要从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 研究监测变压器运行声波信号的总体方案 借鉴有经验的工作人员的感官经验，基于电力设备运行时发出的声波信号，研 究电力设备运行产生的声波和其运行状态之间的内在规律，设计变压器的复合噪声 监铡和处理分析系统的总体方案。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计变压器声波信号硬件采集电路 主要针对变压器工作现场的复杂环境，利用单片机技术和微现代电子技术设 计完成变压器声波信号采集，显示和数据存储电路，实现高保真声波信号的采集。 并设计远距离传输的通信接口实现声波数据的有效传输。 ( 3 ) 编制监测系统的软件 结合整个监测系统功能，开发采集单元和上位机系统软件，实现对变压器声 波信号的采集、存储、传输和分析计算。 ( 4 ) 研究应用声波信号监测变压器运行状态的分析方法 由变压器运行状态与声波信号的联系，找到声波信号的特征参量，采用合理的 声波数据分析方法，生成变压器故障数据模板库，监测变压器的运行状态并判断 其可能的故障原因。 基于声波分信号析变压器运行状态是一种新的监测方法，可科学、定量的研究 变压器运行声波信号。本文采用了s o c 单片机设计声波采集单元，采用c 语言编 制采集、存储和通信等程序模块。在进行综合分析的上位机中，采用l a b v i e w 和 m a t l a b 混合编程实现声波信号的特征参量提取以及信号的定量分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 应用声波信号对电力变压器实时监测是一种新的识别方法。在分析了声波信号 与各电力设备运行状态之间的关系后，设计合理的电力变压器实时监测系统的整体 方案至关重要。 2 1 电力设备发出声波信号与其运行状态的关系 通过长期的经验总结与数据积累，研究人员发现变电站电力设备的声波频率与 不同故障之间存在着对应关系。例如： ( 1 ) 变压器在正常和非正常运行时，其声波信号的表现形式及其原因主要是： 正常运行时，由于交流电通过变压器线圈，在铁芯里产生周期性的交变 磁通，就引起铁芯的振动而发生均匀的“嗡嗡”声。 过负荷时，由于变压器线圈电流较大，使铁芯磁通密度增加，引起铁芯 硅钢片的振动力增强，从而发出比平时运行略响且略重的“嗡嗡”声。 大动力设备起动时，由于负荷变化较大且因高次谐波作用，变压器内瞬 间发出“哇哇”声。 系统短路时，由于变压器通过大量的非周期电流，使磁通密度过分增大， 铁芯严重饱和，变压器发出很大的噪声。 内部接触不良或有击穿处时，变压器发出“吱吱”或“噼啪”的放电声， 在变压器内部严重放电时产生气体使瓦斯保护动作。 由于铁磁谐振，变压器内部发出“嗡嗡”声和尖细的“哼哼”声，这声 音随电压和频率的升高而变尖细，随电压和频率的降低而变粗。 变压器套管表面的污秽及大雾、下雨、阴天时，会造成电晕放电而发出 “吱吱”声。 ( 2 ) 电压互感器在正常运行时应是均匀轻微“嗡嗡”声，异常时则有下列情况： 线路发生单相接地时，因未接地两相电压升高及零序电压产生，使铁芯 饱和而发出较大噪声，主要是沉重而高昂的“嗡嗡”声。 铁磁谐振发出较高的“嗡嗡”声或“哼哼”声，这声音随电压和频率的 变化而变化，工频振荡时，三相电压上升很高，使铁芯严重饱和发出很响且严 重的“嗡嗡”声。 ( 3 ) 电流互感器发出声波的主要原因是二次回路开路，二次线圈产生很高的电势， 同时，原线圈磁化力使铁芯磁通密度过度增大，铁芯严重饱和，可能造成过热而烧 4 华北电力大学硕士学位论文 坏，因磁通密度的增加和磁通的非正弦性使硅钢片振荡力加强，从而发出较大的噪 声。 ( 4 ) 油断路器在正常运行时，断路器不发出任何声响，只有在断路器跳、合闸对 才发出响声。 断路器内部接触不良时，有微弱的电晕放电“吱吱”声，伴随油的发热， 但无信号发出。 套管表面污秽或下雨、雪、大雾和阴天时，套管表面有电晕放电的“吱 吱”声。 由上可见，不同的电力设备其运行时发出的声波信号是不同的。同一种电力设 备在正常与非正常状态下，所发出的声波信号也有很大差异。人耳听到的声音的不 同关键就在于声音的强弱和频率不同。但是基于人的感官经验对电力设备的运行状 态分析，还仅仅是定性的，未能达到定量分析，工作人员也不可能长时间对某一电 力设备的声波信号监听。如果能够设计出某种系统，对电力设备的声波信号时实采 集，并找到某种方法将特定电力设备声波的关键信息提取出来，就有可能以此为判 据来判断此电力设备是否工作正常。 声波的频率范围很广，为l o - 4 一l o “h z 。而人耳所能够听到的声音大约为2 0 h z 至2 0 k h z 频段的声波。主要研究的就是电力设备发出的这一频段内声波信号。当前 对声波的研究应用发展出了多个不同的应用技术，主要包括：水声技术，噪声控制 技术，电声技术，语音技术，超声技术及次声波的应用等。在这些技术中，语音技 术的应用目的在于让“机器”能够听懂人的语言即语音识别技术，其分析方法相对 比较成熟，本文中主要利用语音识别技术来处理变压器的状态监测问题。 2 2 变压器声波监测系统构成方案 变压器声波监测系统主要由数据采集系统和数据分析系统组成。其中数据采集 系统以单片机以核心，由声波传感器和前向通道组成。数据分析部分以计算机为核 心，接收数据采集部分传输来的数据，分析判断变压器的运行状态，并判断其故障 类型。系统的组成框图如图2 1 所示。 整个监测系统采用“非接触检测”技术，传感器和整个系统的安装、调试丝 毫不影响变压器的正常运行，适合高电压、强电磁场恶劣电磁环境，或高温、有腐 蚀环境下对变压器的运行状态监测。 华北电力大学硕士学位论文 ；降 计 一 离 电 渡力 传变 感压 嚣器 簋 ! i 液晶显示接口l 机 ! 燃箍j 2 2 i 数据采集系统构成方案 图2 - 1 系统整体框图 数据采集系统采用由美国c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机，实现对变压 器声波信号的采集，由多路声传感器采集到的声波信号转化为电信号，通过前向通 道及单片机对多路声传感器输出的信号进行缩放、滤波、同步采样保持、a d 变换， 时实同步采集信号。然后利用r s 2 3 2 串口传送数据到上位机，在上位机中分析变压 器的运行状态。同时可以利用u 盘及其l c d 液晶显示模块对声波信号进行现场分析。 其中传感器主要选择体积小且低失真的多波段声波传感器。 2 2 2 数据分析系统构成方案 软件利用l a b v i e w 编程的平台，界面接近于真实仪器前面板，其功能及显示更 加灵活、丰富多样。操作就如面对真实仪器，用户只需点击鼠标即可完成所有测量、 分析工作。其具备的功能是： ( 1 ) 数据处理分析采用合适的数字滤波方法消除干扰，并有选择地对有用声波信 号进行记录，解决数据的冗余问题。监测多点的声波信号，并显示声波信号的波形、 频谱等。 ( 2 ) 声波特性分析算法采用多种优化算法。首先针对某一电力变压器，利用其正 常运行状态的声波信号建立隐马尔可夫模型( h m m ) 模板。然后利用模糊识别算法 分析正常运行时的噪声的特征规律，在幅值及频谱特征指标上找出其对应的状态正 常的稳定闽值范围，如超出正常限值则声波发生畸变。再利用隐马尔可夫模型 ( h m m ) 技术精确判断设备是否存在异常，如发现故障或者故障隐患及时告警。 ( 3 ) 在积累大量数据的基础上，对电力变压器的运行状态进行智能诊断，建立专 家系统，可以客观的诊断电力变压器的运行状态，判断发生的故障类型，预测电力 设备的故障征兆。 ( 4 ) 可利用数据库的原始记录，查阅和浏览历史波形和分析结果。统计分析一段 6 华北电力大学硕士学位论文 设定的时间内声波畸变的次数以及电力变压器可能发生故障的概率，并生成电力设 备运行情况统计报表。 基于声波分析的变压器状态监测系统，充分利用计算机技术、测量技术和信号 处理技术，在硬件支持下，对声波信号进行实时、连续或定时测量，统计超标声波 并观察变化趋势，进一步综合分析声波的多个特征，建立变压器运行状态监测数据 库。 2 2 | 3 数据分析方法 ( 1 ) 模糊识别法 在研究声音的性质时，往往不直接处理信号波形，而是变成频谱和自相关函数， 即变换成与频谱相关联的特征后进行处理，其理由如下： 声音波形可以用振幅不变、相位随时间缓慢变化的正弦波来构成。 体现变压器运行状况的声音特征主要包含在振幅信息中，相位一般不起作 用。 每一个变压器的运行状态及故障有其特定的征兆，反映在振动功率谱中则是某些 特定的谱峰，将大量典型的正常及故障信号频谱值存放在计算机中，构成频谱数据 库，统计、归纳、分析频谱的变化规律，可得出故障诊断的判据。但是要得到各种 故障情况下电力设备的典型频谱是很困难的。简单的作法是，确定被监测变压器正 常运行状态的特征频谱( 或可称为该电力设备的声纹) 。当在线监测系统得到的声 音频谱出现异常时发出报警信息。利用特征值，构建隶属函数，求出贴近度，用模 糊识别法【l 可以判断设备的运行状态。 ( 2 ) 语音识别技术【1 扣1 7 】 作为声波分析的一个分支，近年来语音处理技术 1 被广范应用于生活中的， 语音处理算法的成熟为电力设备状态监测提供了一种新方法。语音识别技术是一种 用机器确定语意或识别说话人的技术，语音所包含的信息比各种电力设备发出的声 波内容更加丰富。语音识别的基本方法通常是先提取输入语音的特征矢量，再根据 一定的算法，计算语音的特征矢量序列和模型库中所保存的声音模板之间的距离； 找到相同或相近的模板，便可输出识别结果。在本系统中引用语音识别的典型方法 对电力设备的声波信号处理。 首先判断声波的声源，即判断声波信号是否由变压器发出，所采用的方法是： 动态时间弯折算法( d t w ，d y n a m i ct i m ew a r p i n g ) 。然后在模糊识别算法的基础上 进一步判断变压器的运行状态，并进一步判断变压器发生的具体故障类型，所采用 的方法是：隐马尔可夫模型( h m m ) 技术。 7 华北电力大学硕士学位论文 数据分析软件框图如图2 - 2 所示。 2 3 小结 图2 - 2 数据分析系统软件结构 本章分析了声波信号与各电力设备运行状态之间的联系，并提出了基于声波的 变压器故障监测系统的整体方案。阐述了数据采集系统的总体结构及数据分析拟采 用的方法。本文的后续章节将对该方案进行详细设计，研究实现该方案的具体方法 与技术。 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统的硬件组成 基于声波信号对变压器的运行状态监测，关键在于如何高速采集声波信号，并 能够最大限度保证声波信号不失真。针对电力现场的复杂的运行环境，设计系统声 波信号采集电路时，需要采取一系列的抗干扰措施，最大限度保证采集到的声波信 号的高保真。通过串口通信技术，将数据送给上位机，在上位机中对数据分析处理， 进而对变压器的运行状态做出判断。 3 1 硬件处理器的选择 目前，电力监测装置对信号处理的性能很大程度上取决于c p u 的运算能力和处 理能力 1 8 - 1 9 。这是因为c p u 的运算能力决定了监测装置所能达到的采集速度，就 一般而言，采集速度的快慢很大程度上影响系统的时实监测性能。传统的单片机存 在数据处理能力差，运算速度慢的缺点，基于声波信号的变压器状态监测，本质上 就是采集变压器声波信号，进行逻辑处理和判断，从而分析变压器的运行状态。另外 考虑到电力现场的复杂性，必须能够保证监测系统具有优越的抗干扰性能。针对这 一特点本系统选择由美国c y g n a l 公司生产的新型芯片：完全集成的混合信号系统 级芯片( s o c ) 。与传统的单片机相比，c 8 0 5 1 f 系列单片机具有明显的优越性。如：指 令执行速度快，能够快速实现对声波信号的采集及数据分析；传统的仿真调试到基 于j t a g 接口的在系统调试，便于实现对系统软件完善；高集成度，使得其具备优 越的抗干扰性能，十分适合在复杂的电力现场监测。 在本系统中考虑到需要外接的传感器数量较多，因此需要使用集成有多个a d 转换的功能芯片。在这里采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 芯片。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的主要特点是： ( 1 ) 模拟外设 逐次逼近型( s a r ) a d c 夺 1 2 位 夺 可编程转换速率，最大l o o k s p s 夺可编程放大器增益：1 6 、8 、4 、2 、1 、0 5 夺数据相关窗口中断发生器 夺 内置温度传感器( + 一3 c ) 两个1 2 位d a c 两个模拟比较器 o 华北电力大学硕士学位论文 夺 每个片内比较器的回差电压通过对应的比较控制寄存器( c p t o c n 和 c p t l c n ) 用软件编程。 即可以对回差电压值( 这里指输入电压) 编程，也可以对临界电压 两侧的正向和负向回差对称度编程。可用软件查询输出，也可以作为中断源。 ( 2 ) 电压基准 电压基准电路包含1 个1 2 v ，1 5 x 1 0 _ 6 ，c 的带隙电压基准发生器和1 个2 倍增益的输出缓冲放大器。 ( 3 ) 片内j t a g 调试和边界扫描 片内调试电路提供全速，非侵入时的在系统调试 支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存 器完全符合i e e e11 4 9 1 边界扫描标准 ( 4 ) 高速8 0 5 1 微控制器内核 流水线指令结构 7 0 指令的执行时间为1 个或2 个系统时钟周期 当时钟频率为2 5 m h z 时，速度可达2 5 m i p s 2 1 个矢量中断源 ( 5 ) 存储器 2 3 0 4 b 内部数据r a m 3 2 k b f l a s h 存储器，可以在系统编程，扇区大小为5 1 2 b ( 6 ) 数字外设 4 个字节宽的端口i o ，所有口线均耐5 v 电压 可同时使用的硬件s t b u s 、s p i 及u a r t 串口 可编程的1 6 位计数器定时器阵列( p c a ) ，有5 个捕捉比较模块，4 种 工作方式 ( 7 ) 时钟源 内部可编程振荡器 可在运行中切换时钟源，适于节点模式时使用 3 ，2 硬件功能模块设计 在变压器运行状态监测系统中，声传感器及c 8 0 5 i f 0 0 5 构成声波数据采集系统， 首先由硬件系统完成对声波信号的去嗓等初步处理，然后将数据传送到上位机，通 l o 华北电力大学硕士学位论文 过上位机监测平台判断变压器运行状态。当判断出变压器的运行状态异常时，发出 报警信号，提醒工作人员处理。在硬件系统上设计了u 盘和l c d 液晶显示接口， 便于工作人员对变压器运行状态进行现场测试和保存数据。 3 2 1 声波传感器的选择 在测量系统中，传感器的选择是关键1 。选择传感器必须考虑以下几个方面的 问题： ( 1 ) 可靠性 传感器在工作环境中，能够适应环境温度、湿度、介质条件、振动及冲击、电 磁干扰、电源波动等因素。另外，传感器的性能能够长期稳定，其特性指标不随时 间和环境的变化而变化。 ( 2 ) 灵敏度 传感器的灵敏度应保证在测量范围内，被测参量能有效地转换为电压或电流的 输出，灵敏度越高，传感器能够感知的物理变化量就越小。 ( 3 ) 响应特性 传感器在测量的频率范围内的理想特性应具有常数增益和线性相位。 基于上述原因及本系统测量参数的必须性，决定了对传声器的选择有一定的要 求限制。具体如下： 尺寸小，便于傻一对这样的传声器放得很近，组成一个声强探头 额响范围广，足以覆盖电力现场各种电力设备的声波测量的频谱范围 动态范围广和本底噪声低以提供正确的频谱数据 具有全向响应特点 稳定性好，以保证固定的振幅和相应的因子 根据以上原因系统选择电容式声传感器，其特点主要是；传声器的灵敏度高，频率 响应宽而平直，稳定性好( 即灵敏度随温度，湿度，气压等环境条件的变化很小) 。因 为，传感器本身产生的信号容易受到噪声及其他外界干扰的影响。因此，为了减小传感 器非理想状态的影响，必须采用某些必要的措施。对于声传感器来说，必须能够滤除背 景噪声，抗频谱混叠。针对这些特点，系统设计了对声波信号的滤波和抗干扰电路。 3 2 。2 模拟信号采集】 系统采集的信号是声波信号，声波信号的是否保真，对于系统的最终判断起着 决定性作用。在上位机和硬件系统中，所需要处理的都是数字信号，这就需要将模 拟信号转化为数字信号，也就是说必须进行模数转换2 1 。 在c 8 0 5 l f 0 0 5 芯片上集成了一个1 0 0 k s p s 的8 1 2 位逐次逼近寄存器型a d c 。 完全可以满足转换速度的要求。 华北电力大学硕士学位论文 c 8 0 5 1 f 0 0 5 片上模数转换器( a d c ) 具有以下特征。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的a d c 子系统具有高速、通用的特点，它具有6 个功能部件： 一个9 通道的可配置模拟多路选择器a m u x ( 8 个外部通道和1 个内 部温度传感器) 一个可编程增益放大器p g a 一个逐次逼近寄存器型1 2 位分辨率a d c 可编程窗口检测器 跟踪保持电路( 集成在a d c 中) a d c 子系统结构框图如图3 - 1 所示，a m u x 中的8 个通道用于外部测量，第9 个通道在内部被接到片内温度传感器。a m u x 输入可以通过编程使其工作在差分或 单端方式，可根据实际需要来选择它的工作方式。与a m u x 相关的两个寄存器是： 通道选择寄存器a m x o s l 和配置寄存器a m x o c f 。p g a 用来确定a m u x 输出信 号的放大倍数，可由a d c 通道寄存器a d c o c f 中的位a m p g n 2 0 通过软件编 程来确定。a d c 的满度电压由v r e f 确定，即电压转换范围在0 v r e f 之间。模拟 输入电压的范围在2 7 3 6 v 之间。a d c 的转换时钟来源于系统时钟，可通过不同 的系统时钟速度调整转换速度。通过设置a d c o c f 寄存器的a d c s c 位，可将转换 时钟的速度将为系统时钟的1 2 、1 4 、1 8 或1 1 6 ，其最高转换速度可达1 0 0 k s p s 。 图3 - 1a d c 子系统结构框图 a d c 可编程窗口检测器将a d c 的输出与用户编程的极限值进行比较，在检测 到越限条件时通知系统控制器进行控制。a d c 可编程窗口检测器有两个寄存器对 a d c o g t h ：a d c o g t l 和a d c o l t h ：a d c o l t l ，它们分别是a d c 下限数据高字节 寄存器、a d c 下限数据低字节寄存器、a d c 上限数据高字节寄存器、a d c 上限数 据低字节寄存器。窗1 3 检测器既可以在测量数据位于用户编程的极限值以内有效， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 也可以在测量数据位于用户编程的极限值以外有效，这取决于a d c o g t x 和 a d c o l t x 的编程值。 a d c 的特性总结如下： 最高转换速度可达1 0 0 k s p s 转换为1 2 位分辨率 8 个外部通道的每一对都可被配置为2 个单端输入和1 个差分输入 可以使用内部电压基准 可通过软件调整转换时钟的速度 4 种a d 转换启动方式 4 种低功耗跟踪保持方式 a d c 将模拟信号转换为1 2 位数字信号并存入到转换寄存器。a d c 转换结果保 存在a d c 数据字的m s b 和l s b 寄存器：a d c o h 和a d c o l 中。转换数据在寄存 器对a d c o h ：a d c o l 中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由a d c o c n 寄存器中 的a d l j s t 位的编程状态决定。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的4 种转换触发源为： 写l 到a d c o c n 的a d b u s y 位 定时器3 溢出( 即定时的连续转换) 外部a d c 转换启动信号的上升沿，c n v s t r 定时器2 溢出( 即定时的连续转换) 出于硬件资源的充分利用、硬件设备的复杂性等考虑，决定采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 片 上a d 进行采样。 3 2 3 跟踪方式 a d c o c n 中的a d c t m 位控制a d c 的跟踪保持方式。在缺省状态，a d c 输入 被连续跟踪( 转换期间除外) 。将a d c t m 位设置为l ，即可采用下面4 种低功耗 跟踪保持方式，由a d s t m l 0 位( 也在a d c o c n 中) 的状态决定采用哪种跟踪方 式。 ( 1 ) a d b u s y 写1 开始跟踪，持续3 个s a r 时钟 ( 2 ) 从定时器3 溢出开始跟踪。持续3 个s a r 时钟 ( 3 ) 只在c n v s t r 输入低电平时跟踪 ( 4 ) 在定时器2 溢出开始跟踪。持续3 个s a r 时钟 本系统采用第二种方式。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 定时器3 是一个1 6 位的自动重装载方式定时器，由两个8 位的s f r 组成： t m r 3 l ( 低字节) 和t m r 3 h ( 高字节) ，重载值保存在t m r 3 r l l ( 低字节) 和 t m r 3 r l h ( 高字节) 中。定时器3 的输入只能是系统时钟( 不分频或1 2 分频) 由定 时器3 控制寄存器t m r 3 c n 中的定时器3 时钟选择位t 3 m 设定。 如图3 2 为定时器3 的原理框图及时序图。 h _ 埘m _ 厂一、n w 粼；一b 曩阿行可而而百而i w 一fm * c ：= ，九n n 九九n n n f l n n nnn n n n n i 一匾函函口匿工= 二= = 玉 = = = 二 = = 盈巫匾 f _ q ”c ：盈八n n n n n n n f l n n n n n 门 t 匦西丑= = 二二j = = 二二 = 二= 嚣= = = 图3 - 2 时器3 的原理框图及时序图 由声传感器和片上a d 转换器设计完成了对外界声波信号的采集模块，该模块 充分考虑了电力设备的运行环境。采取的一系列措施保证了声波信号的高保真性 能。保证了上位机数据分析的准确性。图3 3 是用定时器3 的溢出来启动a d 转换 的流程图。 3 2 4 滤波电路设计 在数据采集电路中，为避免信号混叠，必须通过抗混叠滤波电路滤除干扰。人 耳能够听到的声音主要集中在2 0 h z 至2 0 k i z 频段的声波，所研究的变压器的声波信 号主要集中在5 0 h z 1 k h z 范围内，另外为了滤除尖锐噪声，故采用带通抗混叠滤波 电路。在本系统中采用美国m a x i m 公司生产的通用型有源滤波器姒x 2 7 5 。它内含两 个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现 四阶有源滤波。l a a x 2 7 5 无需时钟电路，因此与开关电容滤波器相比，其噪声更低， 动态特性更好。由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容 的影响小，稳定性较好。 在本系统中参考文献 2 2 设计完成了变压器声波信号的四阶带通滤波电路。数 据采集实验表明该电路能够有效的输出频带为5 0 h z 1 k h z 的声波信号。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 2 5 串口通信 图3 - 3a d 转换子程序的流程图 串口是采集装置与上位机进行数据传递的通道f 2 3 】。本系统中，反映变压器运行 状态的声波信号需要通过串行通信接口高速准确的传输到监控服务器。系统中串行 通信接口采用通用标准r s 2 3 2 接口，以便方便的与工作站主机兼容。其硬件部分 以美国m a x i m 公司m a x 2 0 2 为核心元件。实现c 8 0 5 1 f 0 0 5 的0 3 3 v 电平到 k s 2 3 2 电平的转换。 b l a x 2 0 2 是专门为r s - 2 3 2 通信接口设计的电平转换芯片，内部的电荷泵能够将 + 5 v 电压直接转换成r s 2 3 2 接口输出所需的+ 1 0 v 和一1 0 v 电平。因此，只用单 一的5 v 供电电源，免去了+ 1 2 v 和一1 2 v 的电源需求，实现了电气设计的简化、 紧凑。在数据传输率不超过2 0 k b p s 条件下，m a x 2 0 2 的驱动器和接受器完全满足 e i 刖t i a - 2 3 2 e 和c c i t t v 2 8 的要求。 华北电力大学硕士学位论文 一- _ - _ _ _ _ _ - _ l _ _ - _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ 一 由于m a x 2 0 2 接收输出端( r 1 0 ) 的电压范围是o 5 v ，与c 8 0 5 1 f 0 0 5 的3 3 v 系 统不兼容，不能直接相连，所以需要采用了分压电阻降压的方式，实现了简单而可 靠的电气连接。 具体硬件结构如图3 - 4 所示： u 8 i c l + v c c v + g n d c 1 t i o c 2 + r 1 i 6 2 r 1 0 v t l i t 2 0t 2 i r 2 ir 2 0 l 7 s + 5 l t t fm 塞孽 垡2 图3 4 串口通信部分硬件原理图 针对现场监测室与电力设备的距离，可以将r s 2 3 2 接口转换为r s 4 8 5 接口， 前者的有效通信距离仅为1 0 0 米，而后者可以达到上千米。 采用r s 一2 3 2 与上位机通信，其软件流程框图如图3 5 所示： 图3 巧数据采集系统与上位机通信软件框图 1 6 p 壁p 巳甘目型甘驾一 o o o 一 华北电力大学硕士学位论文 3 2 6 液晶显示控制模块 为了便于工作人员对变压器进行现场分析，硬件系统设计了l c d 液晶显示接 口。采用了s e d l 3 3 5 来控制液晶显示器的工作口4 1 。s e d l 3 3 5 是日本s e l k o e p s o n 公司出品的液晶显示控制器，它在同类产品种是功能最强的。其特点是： 有较强功能的i o 缓冲器 s e d l 3 3 5 接口部由指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志 寄存器组成。这些缓冲器通道的选择是由引脚a 0 和读、写操作信号联合控制。 m p u 访问s e d l 3 3 5 不需要判其“忙”，s e d l 3 3 5 随时准备接收m p u 的访问 并在内部时序下及时的把m p u 发来的指令、数据传输就位。 s e d l 3 3 5 在接口部设置了适配8 0 8 0 系列和m 6 8 0 0 系列m p u 的两种操作时序电 路，通过引脚的电平设置，可选择二者之一。 图形和文本混合显示 s e d l 3 3 5 控制部是s e d l 3 3 5 的核心。它由震荡器、功能逻辑电路、显示r a m 管理电路、字符库及其管理电路以及产生驱动时序的时序发生器。震荡器工作频率 可在1 m h z 1 0 m h z 范围内选择。s e d l 3 3 5 能在很高的工作频率下迅速地解译m p u 发来的指令代码，将参数置入相应的寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运行。 控制部可以管理6 4 k 显示r a m ，管理内藏的字符发生器及外扩的字符发生器，因 此可以将图形和文本混合显示。 指令功能丰富 s e d l 3 3 5 的指令多带有参数补充，所带的参数量也较多，最多可以达到l o 个。 通过指令设置，s e d l 3 3 5 可以实现把两个显示区的内容合成显示，甚至可以实现合 成显示三个显示区内容。 四位数据并行发送，最大驱动功能为6 4 0 2 5 6 点阵 s e d l 3 3 5 驱动部具有各显示区的合成显示能力，传输数据的组织功能及产生液 晶显示模块所需要的时序。s e d l 3 3 5 向液晶显示模块传输数据的方式为4 位并行方 式。 s e d l 3 3 5 与c p u 的接口也比较简单。本系统中，c 8 0 5 1 f 0 0 5 与s e d l 3 3 5 的驱动电 路如图3 - 6 所示。c 8 0 5 1 f 0 0 5 中的p 1 0 ，p 1 1 3 - ) 别接至i j s e d l 3 3 5 的a o ，w r 端，数据线 0 0 - - 0 7 直接接n p o o p 0 7 上，c s 直接接低电平。在这里，因为只控$ 1 s e 0 1 3 3 5 进 行显示，因此r d 端直接接高电平。通过该电路，只需要向p 1 o ，p 1 1 写入命令就可 以实现对液晶显示的控制。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 r 抖 ：8 0 5 i p 0 0 5 p i i l p o 0 。 图3 - 6c 8 0 5 1 f 0 0 5 与s e d l 3 3 5 的驱动电路 3 。2 7u 盘数据存储模块 在本系统中，针对声波信号数据庞大这一特点，采用大容量u 盘作为数据存储 单元【2 5 嗡】。系统采用c h 3 7 5 芯片作为u s b 总线接口控制器。通过串行输入输出和 并行输入输出及终端输出可以方便的实现单片给与u s b 的通信。本文采用并行输入 输出方式。其硬件原理框图如图3 7 所示。 ； 图3 7u 盘存储模块硬件原理图 并口信号线包括：8 位双向数据总线d 7 d 0 、读选通输入引脚r d # 、写选通 输入引脚w r # 、片选输入引脚c s # 、中断输出引脚i n t 撑以及地址输入引脚a 0 。 通过被动并行接口，c h 3 7 5 芯片可以很方便地挂接到各种8 位单片机的系统总 华北电力大学硕士学位论文 线上，并且可以与多个外围器件共存。c h 3 7 5 芯片的r d # 和w r # 可以分别连接到 单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。c s # 由地址译码电路驱动，当单片机 具有多个外围器件时进行设备选择。i n t # 输出的中断请求低电平有效，可以连接到 单片机的中断输入引脚或者普通i 0 引脚，单片机可以使用中断方式或者查询方 式获知中断请求。 当w r # 为高电平并且c s # 和r d # 及a 0 都为低电平时，c h 3 7 5 中的数据通过 d 7 d 0 输出；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 及a 0 都为低电平时，d 7 d 0 上的 数据被写入c h 3 7 5 芯片中；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 都为低电平而a 0 为 高电平时，d 7 d 0 上的数据被作为命令码写入c h 3 7 5 芯片中。 3 2 8 硬件电路抗干扰措施 为了适应电力系统的强电磁干扰环境。在硬件电路设计方面考虑了相应的抗干 扰措施。参考文献 2 7 2 s 的措施如下：首先，在p c b 扳的设计上，选用了大面 积接地线。地线面积大了之后，不同元件接地点之间“地电阻”和实际电位差可以 大大减小，接近理想的“地”电位；在大面积地线情况下，大多数元件可以就近接 地，减少了相互之间的电磁耦合影响。其次，由于系统中既有数字电路，又有模拟 电路，而二者是由一套电源供电。为了进行有效的隔离，避免数字电路和模拟电路 之问相互于绕，采用了磁珠隔离的方法。磁珠在电路拓扑上相当于小电感，能够抑 制电流脉冲干扰，适合在电路中作为电气隔离器件。如图3 - 8 所示。 图3 - 8 模拟、数字电源隔离措施 另外，在每个集成电路电源引脚接入去耦电容，实现电压干扰脉冲就地屏蔽 消除了相互之间的互扰。如图3 - 9 所示。 华北电力大学硕士学位论文 v c c 图3 - 9 去耦电容应用方法 电力系统是电磁干扰相当严重的环境，当设备在线运行中，很有可能受到来自 系统环境的电磁脉冲干扰。对于状态监测系统来说，有些电磁脉冲甚至是极具破坏 性的。 电磁脉冲的来源一方面是以空间电磁波的形式，影响监测设备的正常运行；另 一方面是以窄电压脉冲的形式，通过电压、电流测量引线及开关量接口、通信接口 进入低压测控单元，它的特点是持续时间短，内阻大，而瞬时电压幅值很高。在设 计中，针对空间电磁辐射干扰，采取了装设金属接地电磁屏蔽的方法：对脉冲高电 压干扰，主要采用e s d 保护和光电隔离的方法加以预防。在测量模拟输入接口装设 e s d 保护器件是比较理想的方式。在本设计中，采用的是o n s e m i ( 安森美) 公司生产 的n u p 4 3 0 l 集成保护器件如图3 1 0 所示。n u p 4 3 0 l 是为敏感型器件避免可能的暂 态电磁冲击而设计的，主要应用于数据采集输入输出端子和数据通信端子保护。 i ，o1 v n2 1 ，o3 二! i 旦 l -i - j l - 一 l i ”t ”1 - - _ j l i - j - r 一- r r 6i ，o 5v p 4l ，o 图3 1 0n u p 4 3 0 1 电气原理 n u p 4 3 0 1 的电气特性执行标准： 参照j e d e c 标准的j e s d 2 2 提供e s d 防护； 达到i e c 6 1 0 0 0 4 2 ( 4 级) 防护标准：8 0 k v ( 接触) ；1 5 k v ( 空气中) n u p 4 3 0 1 相关电气性能如表3 一l 所示： 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 1n u p 4 3 0 1 电气性能 r a t i n gs y m b o l v a l u eu n i t r e v e r s ev o l t a g e v r 7 0、斑c f o r w a r dc u r r e n t f f 2 0 0m a d c p e a kf o r w a r ds u r g ec u r r e n t i f m ( s u 响e ) 5 0 0m a d c r e p e t i t i v ep e a kr e v e r s ev o l t a g ev r 7 0v a v e r a g er e c t i f i e df o r w a r d i f ( a v ) 7 1 5m a c u r r e n t ( n o t e1 ) ( a v e r a g e do v a ra n y2 0m sp a t i o d ) r e p e t i t i v ep e a kf o t , a r dc u r r e n t i f r m 4 5 0m a n o n r e p e t i t i v ep e a kf o p t a r dc u r r e n ti f s m a t = 1 0 t 王s2 o t = 1 0n l s1 o t = 1 0 so 5 为了减小电磁干扰，首先应对板上的元器件分组，目的是对印制板上的空间进 行分割，同组的放在一起，以便在空间上保证各组的元器件不相互干扰。一般先按 使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。不 相容的器件要分开布置，例如发热元件远离关键集成电路，磁性元件要屏蔽，敏感 器件则应远离c p u 时钟发生器等等。 3 3 在5 v 系统中使用c 8 0 5 1 f 0 0 5 c 8 0 5 f 0 0 5 的工作电压范围是2 7 3 6 v ，而目前很多基于8 0 5 l 的设计都是用 5 v 供电。这就需要考虑如何在5 v 系统中使用c 8 0 5 f 0 0 5 。 在一个5 v 系统中使用3 v 器件时，必须考虑3 个问题： ( 1 ) 必须提供一个3 v 电源 本文利用a s l l l 7 芯片产生一个3 v 电源。a s l l l 7 芯片的作用就是将5 v 输入 电压转化为3 v 。 ( 2 ) 5 v 器件驱动3 v 输入 将一个5 v 驱动器接到一个标准的3 v 输入时，由于有电流流入e s d 保护器件， 可能导致器件损坏或减少寿命，c y g n a l 的c 8 0 5 f 系列器件使用耐5 v 电压的输 入结构，因此设计者可以将5 v 器件直接接到c y g n a l 器件的数字输入引脚而不会 产生有害电流。 ( 3 ) 用3 v 输出驱动5 v 输入 虽然c 8 0 5 1 f 系列器件的数字输入是5 v 兼容的，但输出的最大电压值为v d d (