变压器经济运行控制系统软件设计说明书.docx

1、变压器经济运行控制系统软件设计说明书1 引言1.1 研究背景随着我国社会主义现代化建设全面发展和社会的不断进步，电能在国民经济的发展对能源的需求中占有越来越大的比例。因此电力系统必将向超高压、大电网、自动化的方向发展，电压等级的提高使得电气设备的安全问题显得越来越突出。电力变压器是整个电力系统中最为重要的电气运行设备之一，是保证供电可靠性的基础，它的运行状况好坏直接关系到电力系统能否安全经济地运行。一旦变压器发生故障将导致局部地区或者全地区的大面积停电，给国民经济的其他部门的生产和运作带来严重的后果，致使国民经济遭到重大损失。为了保证变压器设备安全可靠地运行，一方面要采用良好的绝缘材料，改进制

2、造工艺来提高设备的绝缘强度，更重要的一方面，就是要对运行中变压器设备的绝缘状况进行检查，随时掌握设备的运行情况。1.2 在线检测方法的国内外现状变压器局部放电检测技术很早就引起了各国的关注。早在七十年代，世界很多国家对变压器局部放电测量就提出了各自的试验方法和标准。1980年，国际电工委员会根据各国的经验，正式在IEC76-3(1980)推荐标准中规定了局部放电的测试方法。1985 年，我国根据IEC76-3(1980)推荐标准，首次在GB1094.3-85电力变压器第三部分绝缘水平和绝缘试验中规定了局部放电测试方法。最近，在国际电工委员会新颁标准 IEC60076-3中，对电力变压器局部放电

3、测量施加试验电压的顺序作了较大的调整，使对电力变压器局部放电性能的考核更为严格1。局部放电在线监测作为变压器绝缘劣化及故障诊断中的一种重要内容而受到国内外广大研究人员的重视。局部放电在线监测通常要解决两个主要问题，一是抑制干扰，提取局部放电信号；二是判断产生局部放电的具体部位和放电性质。在局部放电在线监测技术应用中，提高监测系统的信噪比，增强监测系统的抗干扰能力是目前仍需解决的最主要的问题。1.3 课题任务本文主要对变压器放电超声定位在线检测系统设计实现进行叙述，对实现该系统的关键技术以及目前国内外的发展状况进行详细的叙述和研究。主要任务如下：（1）分析变压器运行过程中的绝缘损坏原理，放电过程

4、产生原理。论述了现有的变压器局部放电检测的各种方法的优缺点；（2）对放电信号数据的采集以及干扰信号进行了分析和消除的研究；（3）针对该系统所采用的超声定位检测方法，设计出硬件系统；（4）根据硬件系统所采集的超声放电信号，利用演示估计算法和声声定位算法计算出放电点的位置，根据历史经验判断出放电类型；（5）将不同时期的监测数据存入数据库以便以后参考查询。2 系统总体设计本系统所采用的是声声定位法检测放电点的位置和判断放电的类型，该方法需要几个传感器同步进行采集放电的超声信号，经过滤波对噪音进行消除，然后传给上位机。由于现场的复杂以及不便，数据的传输采用无线的传输给上位机。上位机软件经过对采集的超声

5、信号进行各路信号的时延计算，然后就各路放电信号的时间差带入定位算法计算出放电的位置。对超声信号进行图形直观的显示，将信号和一个周期的椭圆图形进行叠加显示，根据有关准则，进行模式识别判断出放电的类型，最后将放电点的位置和放电的类型直观的显示给用户。因此该系统需求：（1）测试仪要就近接入被测设备，减少传输线的长度；（2）测试仪向上位机无线传输数据，该系统采用GPRS传输；（3）被测设备数据和检测数据存入数据库。系统的技术指标：干扰消除： 通带滤波器 40 300 KHz采集信号传输方式：无线通信测试频带 40 300 KHz，AD8 位采样，1.25 个周期采样，40 M 采样频率。采集时间同步问

6、题：各个通道采用同时复位方式达到时间的同步传感器的选型：高灵敏度、高分辨率测试原理：超声信号起始位置的识别、幅度的判定坐标系的选取和建立：选定高压电气设备的某个固定点作为坐标原点，采用直角坐标系建立高压电气设备的立方体几何模型显示放电响应波形：椭圆显示、拉长显示针对上述系统需求，提出如下系统方案：（1）放电定位检测方法采用超声定位法；（2）传感器和采集仪器之间用光纤通信；（3）下位机和上位机之间采用GPRS进行无线通信；（4）各采集仪器之间的同步通过接收GPS时钟信号实现；（5）软件采用C/S架构，服务器端实现与测试仪通信并安装数据库，客户端控制采集和计算分析。服务器端与客户端通过建立TCP连

7、接，进行通信。根据功能的分析，系统硬件电路应该包括信号采集、信号处理、模数转换、通信模块等。运用模数转换、单片机等技术实现对变压器的放电位置检测和处理。变压器放电定位在线检测系统中的放电信号采集是整个系统的关键，由于放电过程时间短、信号弱、周围环境干扰比较大等特点。因此信号采集子系统的设计比较复杂。系统的框架结构如图1所示2：图1系统总体框架图3 硬件系统设计变压器放电定位在线检测系统中的放电信号采集是整个系统的关键，由于放电过程时间短，信号弱，周围环境干扰比较大等特点。因此信号采集子系统的设计比较复杂。为了减少在数据传输过程中的噪音信号的干扰，在传感器采集到的信号后采用光纤通信技术将数据送给

8、检测仪器进行信号处理和发送。电路板在焊接过程中应该将接地点定为一点。经过分析后的系统总体框图如图2所示。图2 系统硬件总体框图3.1 信号采集模块3.1.1 超声定位检测原理超声波定位放电点的位置具有抗干扰性强、定位精度高等优点。超声定位测量是采用一种特制的磁浮式超声传感器探头，装在圆平面的装置内，其磁力的大小应满足该探头可以牢固地吸附在变压器油箱外表面上。变压器局部放电过程中会在放电点的位置产生超声波。局部放电超声定位可以分为电声定位还是声声定位，其做法都是将超声波传感器放置在变压器箱壁上的几个点组成声测阵列，各传感器测量的放电点发出的超声信号，通过延时算法计算出放电点发出的超声信号到达不同

9、传感器之间的时间差。将计算出来的时间差带入定位算法计算出放电点的位置。根据采集的超声信号的不同可以识别出不同的放电类型和放电量的大小。具体的步骤：（1）超声传感器采集放电点发出的超声信号；（2）对所采集的超声信号进行滤波模数转换处理；（3）对转换后的超声信号进行模式识别判断放电类型和放电量的大小；（4）对转换后的超声信号进行延时计算，计算出超声信号到达各个不同的传感器之间的时间差；（5）根据计算出的时间差和传感器的空间坐标利用定位算法计算出放电点的位置；（6）将计算出的放电点位置，利用三维图像显示在相应的变压器模型里面。在电力系统现场的变压器局部放电定位过程中，由于受到电磁干扰等原因往往无法可

10、靠的得到放电信号，因此声声定位法是国内外局部放电超声定位研究的重点。就目前的研究进展来看，影响局部放电声声定位成功率和定位精度的主要原因包括三个方面的问题，分别是：真实放电信号接收、时延估计算法和定位算法。针对现场环境恶劣，干扰信号比较多的情况下，要想接收到真实的放电信号。除了对传感器的性能要求比较高之外，还要尽量保证在信号的传输和处理上面再引入干扰信号。因此本系统在研发阶段尝试了几种传输方式，实验证明从传感器到硬件采集系统之间的传输采用光纤比较好，可以有效的抑制在传输过程的干扰。在电子器件线路排放和焊接上面也要注意。时延估计在该系统中占有很重要的单位。声声定位的主要依据就是超声波传播到传感器

11、之间的相对时间差，因此时延估计的精确度直接影响了定位精度。选择合适的定位算法对运算的速度和定位的精度有很大的影响，对放电点的定位归结为对超定方程的求最优解。目前有很多关于这方面的算法，综合这些算法的优缺点，本系统采用的是最速下降法和牛顿法相结合的一种混合定位算法，实验结果表明：该算法收敛比较快，对初始点有求不高。3.1.2超声信号处理在一定的电压下变压器内部绝缘结构中局部放电所产生的高频电流脉冲。这种电流脉冲会产生向对应的超声波。在实际现场检测的时候，应区分并消除由外界干扰引起的高频脉冲信号，否则，这种干扰信号或者假的放电信号将导致检测灵敏度下降和最小可测水平的增加，甚至造成错误判断的严重后果

12、。3.1.3 干扰信号的抑制干扰将会降低局部放电试验的检测灵敏度，甚至会带来错误的结果。现场检测时，应使干扰抑制到最低水平。干扰类型通常有7：电源干扰、接地系统干扰、电磁辐射干扰等。（1）电源干扰。检测仪及试验变压器所用的电源是与低压配电网相连的，配电网内的各种高频信号均能直接产生干扰3。因此，通常采用屏蔽式电源隔离变压器及低通滤波器抑制，效果甚好。（2）接地干扰。试验回路接地方式不当，例如两点及以上接地的接地网系统中，各种高频信号会经接地线耦合到试验回路产生干扰。这种干扰一般与试验电压高低无关。试验回路采用一点接地，可降低这种干扰。（3）电磁辐射干扰。邻近高压带电设备或高压输电线路，无线电发

13、射器及其它诸如可控硅、电刷等试验回路以外的高频信号，均会以电磁感应、电磁辐射的形式经杂散电容或杂散电感耦合到试验回路，它的波形往往与变压器内部放电不易区分，对现场测量影响较大。其特点是与试验电压无关。消除这种干扰的根本对策是将变压器置于屏蔽良好的试验室。采用平衡法、对称法和模拟天线法的测试回路，也能抑制辐射干扰。局部放电试验的干扰是随机而杂乱无章的，因此难以建立全面的识别方法，但掌握各类放电时的时间、位置、扫描方向以及电压与时间关系曲线等特性，有助于提高识别能力。（1）掌握局部放电的电压效应和时间效应；（2）掌握试验电压的零位；（3）根据椭圆基线扫描方向；（4）整个椭圆波形的识别。3.1.4

14、超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器具有高灵敏度、体积小、重量轻、较牢固、高精度、一致性好、功耗低以及在污染环境中使用的优点6。超声波传感器主要材料是有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。设计的超声波接收电路图如图3所示。图3 超声波接收电路原理超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高；（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声

15、探头的温度比较高，需要单独的制冷设备；（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。实际安放传感器时，要考虑声阻抗的匹配。当声波从一种媒介传到另一媒介的时，由于声特性阻抗不匹配造成反射，会产生很大的界面衰减。衰减的大小可以用反射系数R来表示，如表1所示。表 1 不同媒介表面声波的特性阻抗及反射系数煤介特性阻抗空气矿物油聚苯乙烯铜钢铝铝1.71100745116200钢4.5310089780.50铜3.9310088750聚苯乙烯0.28100140矿物油0.131000空气0.000040可见特性阻抗相差越大，造成的衰减越大，故声波从空气传到钢板要比从油中传

16、到钢板的衰减要大。为使界面衰减最小，以提高检测的灵敏度，在传感器和变压器外壳间，应涂上一层凡士林油，以消除其间的空气气隙。超声传感器所接受到的声压的大小是实际放电量的大小所决定的，同时又和传播路程的长短引起的衰减，以及其他的媒介反射有关。因此超声波检测法本身不能检测放电量的大小。如果需要检测放电量的大小需要借助脉冲电流法。3.1.5 信号调理和模数转换接收到的超声信号是对应的电压信号，由于放电量比较小，超声信号比较弱，接收到的电压信号要经过运算放大器进行放大处理，然后经滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码7。一般来说，对于模拟信号转换成数

17、字信号所要求的基本部件有：信号调节与模拟多路转换器，采样保持放大器和A/D转换器10。信号调理电路如图4所示：图4 信号调理电路图在对模拟信号进行了滤波运算放大处理之后，就要将处理后的模拟信号进行模数转换，把模拟信号转换成后期比较好处理的数字信号。模数转换是一个滤波、采样保持和编码的过程。模数转换的主要步骤如下12：（1）信号首先要被抽样，将模拟信号转换成时间离散、幅度连续的信号。（2）每个信号抽样的幅度被量化成2的n次方个电平之一，其中n是ADC中用来表示一个抽样值的位数，本系统中的n的值取为8。（3）将离散幅度电平表示成或编码成n位长度的不同的二进制字。模数转换的过程中出现了三种的类型不同

18、的信号，它们分别是模拟输入信号、抽样后的信号以及数字信号。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。本设计采用TI公司的TLC5540，其芯片的特点是： 8位分辨率 最高转换速率达40Mps 具有内部采样和保持功能 模拟输入带宽75MHz（典型值） 内部基准电压产生器。本系统的模数转换电路接口电路如图5所示，采集后的数字信号送往单片机8。图5 模数转换电路图设计中，在扩展板上增加1个或多个微控制器，作为前端从机，主要负责采样过程控制和数据存储时序的控制。微控制器与

19、主机之间必须有专用的联络通道，以便主机能对从机实行控制及主从机之间的状态信息交换。这样，在高速采样的过程中，CPU 不需要参与，采样数据存储完全由外部电路自动进行。在采样期间，CPU可以做自己的数据处理和其它工作。采样结束后，再由CPU读出数据进行存储和处理。完成后，又继续采样。数据采样与处理是交替进行的，即所谓的“间隙式采样方式”。在慢速采样时，可以完全由主机自行采样，实现边采样、边读数、边处理的真正同步方式。 在本系统中，时序控制是非常重要的，尤其是ADC的采样时序和存储器的读取时序的配合很重要。TLC5540的时序控制比较方便，输出使能端OE一直置低，通过控制时钟输入端CLK来控制采样速

20、率和存储速率。在扩展了1个存储器的同时扩展了1个地址发生器。地址发生器是由计数器组成的。也就是说，计数器计1个数，它的地址就改变一下。在本系统的电路中，把外部输入的时钟作为TLC5540的CLK端和计数器的时钟端。具体示意图如图6所示。图6 高速 ADC 采样存储控制图3.2 控制模块在本硬件系统设计过程中采用AT89C51单片机作为高速数据采集卡的控制核心。单片机和外围接口电路图如图7所示。图7 单机外围接口电路图单片机的主要功能是：（1）使用P1口与主机通信，接收PC机的命令及数据并纠错、解释、存储、执行；（2）送出MCU当前状态信息，以便主机查询；（3）根据机的命令设置控制端口的I/O状

21、态，选择采样速率、是否允许读写RAM。在整个数据的采集过程中，MCU负责全面的控制工作，主机与采样电路之间不需要任何的线路。主机只要把所要完成的任务编成规格化的指令，在每一次采样开始前全部发给从机。但它的数据只能送出，而不可以直接发送数据给主机的端口。从机的地位是被动的，送出的数据是否被接受由主机决定。3.3 无线通讯模块GPRS 即通用无线分组业务，是一种基于GSM无线系统的无线分组交换技术，提供终端到终端或者终端和互联网之间的无线IP连接。GPRS采用高速无线数据传送技术，数据是以“分组”的形式通过GSM系统的空中信道传送的，并通过IP实现数据终端的高速、远程接入15。相对原来GSM拨号方

22、式的电路交换数据传送方式。GPRS有着显著的特点：（1）实时在线功能。GPRS终端只有在接收和发送数据时占用无线信道，其它时间保持了和网络的一种虚联接，再次数据交换时无需登录、认证过程，确保了信息交换的实时性；（2）传输速率高。GPRS理论上可达到171.2Kbit/ s，实际上可提供40-100Kbit/s 带宽。GPRS 支持多种带宽，是对有限带宽的高效使用，完全满足通信所需速率的要求，下一代 GPRS 业务的速度可达到384Kbit/s；（3）按流量计费。GPRS计费是以通信的数据流量为主，计费方式更加经济和合理。如果终端没有数据传送，即使它永远在线，也不支付费用；（4）支持 X.25协

23、议和 IP协议。GPRS支持标准数据通信协议，可以和 X.25网和IP互联网互通。支持点到点和点到多点服务，满足了远程信息处理的应用，GPRS也允许短消息经GPRS信道传送。GPRS的上述特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，因而GPRS业务在电网自动化中得到很好的应用。本设计的无线传输选用SIM300C，它是SIMCOM公司生产的一款具有强大功能的多频GSM/GPRS设备，支持高速无线数据传输、语音传输；提供两种串行接口；具有 SIM Card接口和通用输入输出口；并且设计有内部时钟、备用电源、充电电路、A/D转换等，以满足工业的各种需要。GPRS无线通讯模块的原理图如图8所示。

24、图8 GPRS无线通讯模块原理图4 系统软件设计变压器放电超声定位在线检测软件系统的需求：要求界面友好、简单、可操作性比较强。还要同时满足以下几个需求：（1）要满足多个变电站的多个变压器测量；（2）检测仪器和上位机需要无线通信；（3）所有的检测数据要存放起来，用于后期工作人员对该设备的运行状况评估和历史信息查询。根据以上需求，结合实际软件的开发过程，该系统采用C/S客户端和服务器系统的开发模式。即服务器和客户端分开的一种开发模式。4.1 软件系统的总体结构该软件部分是利用上位机检测出来的一组放电信号，对当前的信号进行分析运算，然后对被检测的变压器放电情况进行估计，这其中包括：放电的位置，放电的

25、类型以及放电的大小等。该软件部分主要有以下几个模块组成：通信模块、算法模块、波形显示模块和数据库模块，其中的算法模块包括：延时估计算法和定位算法。系统的框架结构图如下图9所示：图9 软件框架结构图主要流程图：4.2 超声信号滤波传感器实际接收到的是以放电信号为主，多种噪音信号混合在一起的超声信号，因此为了提高对时延计算的精确性，就必须对噪音信号进行滤波消除。本系统所采用的是一种自适应滤波算法。图10为某变电站现场用该硬件系统采集到的放电信号。图10 某变电站现场检测的放电信号由图10所显示的信号可以清楚的知道，现场检测的信号相比在实验室环境下具有很强的干扰信号。为了保证后来的延时估计的准确性和

26、精确性。就应该对放电信号进行滤波。必须消除被测信号中的噪声和干扰。噪声有俩大类：一类为周期性的，其典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，采用积分时间等于20ms整倍数的双积分A/D转换器,可有效地消除其影响；另一类为非周期的不规则随机信号，对于随机干扰信号，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。设数字滤波器的输入信号为X(n)，输出新号为Y(n)，则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式如式1所示： (1)其中：输入信号X(n)可以是模拟信号经采样和A/D变换后得到的数字序列，也可以是计算机的输出信号。具有上述

27、关系的数字滤波器的当前输出与现在的和过去的输入、过去的输出有关。由这样的差分方程式组成的滤波器称为递归型数字滤波器。如果将上述差分方程式中Kb取0，则可得公式2： (2)说明输出只和现在的输入和过去的输入有关。这种类型的滤波器称为非递归型数字滤波器。参数Ka 、Kb的选择不同，可以实现低通、高通、带通、带阻等不同的数字滤波器。目前常用的数字滤波方法主要有：算术平均值滤波、加权平均值滤波、滑动平均值滤波、中值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、低通滤波、复合数字滤波等。4.3 改进后的自适应滤波算法自适应滤波器是在没有任何关于信号和噪声的先验知识条件下，利用前一时刻已获得的滤波器参数来自动调节现时刻的滤

28、波器参数，以适应信号和噪声未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波。根据自适应滤波算法的优化准则不同，自适应滤波产生了两种最基本算法。最小均方误差（LMS）算法和递推最小二乘（RLS）算法。LMS算法是由Widrow和 Hoff于1960年提出后，因其具有计算量小、结构简单、鲁棒性强等优点在自适应信号处理领域得到广泛的应用4。基于最速下降法的LMS算法用瞬时梯度值来估计剃度矢量，可得公式3： (n)= (3)最小均方误差（LMS）算法迭代公式如下式4和式5所示： e(n)=d(n)-xT(n)w(n) (4) w(n+1)=w(n)+2e(n)x(n) (5)其中是步长因子，收敛条件为00控

29、制函数的取值范围。该算法收敛条件是0(n)1/MAX由于1-exp(-|e(n)|e( n-1)|)始终小于1所以该算法的收敛条件等价为：01/MAX。将改进后的变步长的混合LMS-LMF算法应用到变压器局部放电定位在线检测系统中的超声噪音的消除，基于LMS和LMF的变步长的自适应滤波算法，克服了固定步长算法的收敛速度与收敛精度对算法步长因子的互相矛盾。该算法能够获得较快的收敛速度、跟踪速度和较小的稳态误差，在非高斯环境中的收敛性能比一般的LMS算法要好5。4.4 通信模块设计通信模块主要是和硬件进行数据的通信，进行数据的传输，为后期的算法模块提供放电信号的数据。通信模块包括两个部分：服务器与检测仪器之间的通信、服务器与客户端之间的通信。4.4.1 服务器与测试仪之间无线通