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[導(dǎo)讀]利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的監(jiān)測及抗干擾解決方案

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是近10年來備受關(guān)注的研究和實(shí)施領(lǐng)域,是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提,也是智能電網(wǎng)[1]重點(diǎn)研究和發(fā)展的領(lǐng)域之一。

在電力系統(tǒng)中,諸如發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)、繼電保護(hù)等,均已全部或部分實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。然而,電力變壓器(尤其是配電系統(tǒng)中)卻是無人問津的荒地,完全未納入監(jiān)測、故障診斷和預(yù)警服務(wù)的范圍。

電力設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測指對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄、分類和評(píng)估,它為設(shè)備維護(hù)、維修提供決策依據(jù),為設(shè)備積累完整和真實(shí)的運(yùn)行記錄資料,為故障分析和診斷提供真實(shí)依據(jù),為故障預(yù)防和處理提供科學(xué)依據(jù),它包括以下任務(wù):

(1)積累設(shè)備運(yùn)行情況資料和數(shù)據(jù),建立設(shè)備運(yùn)行的歷史檔案;

(2)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)處于正常或異常做出初步判斷,根據(jù)歷史檔案、運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)和已出現(xiàn)的故障特征及征兆初步判斷故障的性質(zhì)和程度;

(3)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,并對(duì)評(píng)估進(jìn)行分類,為設(shè)備檢修的實(shí)施提供依據(jù)。

電力設(shè)備在線監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢是:

(1)電力系統(tǒng)監(jiān)測與前沿性技術(shù)成果緊密結(jié)合:將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、電力電子技術(shù)與設(shè)備診斷技術(shù)結(jié)合起來,使診斷技術(shù)不斷提高;

(2)單一化向群體監(jiān)測發(fā)展:由以單臺(tái)設(shè)備為目標(biāo)的在線監(jiān)測向整體在線設(shè)備的監(jiān)測延伸;

(3)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤:將設(shè)備監(jiān)測技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,在設(shè)備狀態(tài)參數(shù)采集后,采用移動(dòng)通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù),集中進(jìn)行故障分析和故障預(yù)警;

(4)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、集成:隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的日益成熟,將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與繼電保護(hù)等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,在智能化理論(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng))的基礎(chǔ)上結(jié)合信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析為主的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測和診斷技術(shù),電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障分析診斷必將進(jìn)入智能化的新時(shí)代。

根據(jù)上述電力設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和發(fā)展趨勢,結(jié)合監(jiān)測技術(shù)未涉足電力變壓器的現(xiàn)狀,本文針對(duì)電力變壓器,提出了在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線運(yùn)行參數(shù)的采集處理[2-3],通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,并結(jié)合“電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺(tái)[4]”,實(shí)現(xiàn)電力變壓器的故障分析和預(yù)警服務(wù)。

1 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由傳感器、變送器、ARM9 CPU、RF發(fā)射模塊(USB GPRS 模塊)等組成。

1.2 工作流程

圖2給出了電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的部分電路。

[!--empirenews.page--](1)前端數(shù)據(jù)采集:電力變壓器的監(jiān)測參數(shù)包括溫度、電壓/電流和開關(guān)狀態(tài)三類參數(shù),其中溫度和電壓/電流為模擬量,溫度信號(hào)通過溫度傳感器獲取,電流/電壓信號(hào)通過電流/電壓變送器獲?。荒M量獲取后的取值均為0~5 V的電壓信號(hào),均經(jīng)過信號(hào)隔離電路LM339后輸入到多路轉(zhuǎn)換電路CD4051,之后經(jīng)由采樣保持電路LF398,輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,將獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后由CPU進(jìn)行數(shù)字處理;開關(guān)狀態(tài)為開關(guān)量信號(hào),通過去抖和整形信號(hào)處理后,交由開關(guān)量信號(hào)接收電路送至CPU,然后由CPU進(jìn)行統(tǒng)一地信號(hào)處理。

(2)數(shù)據(jù)處理:CPU對(duì)采集的模擬量和開關(guān)量進(jìn)行排序和歸一化處理,形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式,并按窗口方式進(jìn)行移動(dòng)保存,同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行異常判斷,加注異常標(biāo)識(shí),以便優(yōu)先上傳和處理。

(3)數(shù)據(jù)上傳:CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果,通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口電路和帶USB接口的射頻電路(USB GPRS模塊),優(yōu)先上傳帶有異常標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù),在沒有異常標(biāo)識(shí)的情況下,定時(shí)輪流上傳模擬量和開關(guān)量信號(hào)。

(4)數(shù)據(jù)顯示:通過LED構(gòu)成的顯示電路,在LED上輪流顯示采集的溫度值、電壓/電流值。

(5)配置管理:通過RS485接口電路接受遠(yuǎn)程配置管理,包括采集數(shù)據(jù)整定值、數(shù)據(jù)保存窗口大小、異常數(shù)據(jù)閥值、上傳數(shù)據(jù)格式、上傳信號(hào)通道配置、上傳信號(hào)時(shí)間配置等。

2 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施參數(shù)

2.1 系統(tǒng)實(shí)施參數(shù)

(1)CPU:(ARM9)AT91RM900,主頻266 MHz;
(2)A/D轉(zhuǎn)換:12 bit;
(3)操作系統(tǒng):嵌入式Linux;
(4)多路轉(zhuǎn)換開關(guān):CD4051,8路;
(5)模擬量:支持8路;
(6)開關(guān)量:支持8路;
(7)RF模塊:采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GSM)的USB GPRS接口模塊;
(8)遠(yuǎn)程通信接口:RS485,用于系統(tǒng)配置;
(9)顯示:2×6 bit LED。

2.2 軟件參數(shù)配置

(1)采集點(diǎn)數(shù)配置:根據(jù)實(shí)際采集點(diǎn)配置采集點(diǎn)數(shù);
(2)采集參數(shù)值整定:歸一化參數(shù)映射值;
(3)異常整定:采集參數(shù)連續(xù)3次超過整定值,即為異常;
(4)遠(yuǎn)程通信整定:包括傳輸通道配置、傳輸時(shí)間配置、傳輸優(yōu)先級(jí)別配置。

2.3 采集參數(shù)

(1)溫度采集點(diǎn)數(shù):3路;
(2)電壓采集點(diǎn)數(shù):3路;
(3)電流采集點(diǎn)數(shù):2路;
(4)開關(guān)量采集點(diǎn)數(shù):4路。

本文給出的針對(duì)電力變壓器的監(jiān)測系統(tǒng),可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他的電力設(shè)備,例如箱式變電站、高壓開關(guān)柜等尚未進(jìn)行監(jiān)測的電力設(shè)備。其中的模擬量采集信號(hào)可以進(jìn)行擴(kuò)充,達(dá)到32路,開關(guān)量采集信號(hào)可以達(dá)到16路。為了保證系統(tǒng)的抗干擾性,本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)采用高抗干擾性能的USB GPRS模塊,并采用信號(hào)監(jiān)測及返回校驗(yàn)和看門狗,保證遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃?。并采用相?yīng)的電磁屏蔽方式,對(duì)系統(tǒng)中的核心部件進(jìn)行屏蔽處理。

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