專利名稱：電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機繼電保護領(lǐng)域，尤其涉及電壓等級在66kV及其以上的電網(wǎng)變 壓器監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它承擔(dān)著電壓變換，電流分配 傳輸，并提供電力服務(wù)。因此，變壓器的正常運行是對電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu) 質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要保證，必須最大限度地防止和減少變壓器故障和事故的發(fā)生。 傳統(tǒng)搜集變壓器狀態(tài)信息的方法是外觀檢查、理化、高壓電氣試驗和繼電保護， 僅能提供變壓器故障或事故后的滯后信息，即在事故后才能獲得狀態(tài)信息；與現(xiàn) 代化狀態(tài)維護發(fā)展趨勢不相適應(yīng)，雖檢測方法種類很多，卻不能滿足對變壓器進 行實時狀態(tài)監(jiān)測的需要。隨著變壓器現(xiàn)代維護技術(shù)的發(fā)展，在線狀態(tài)監(jiān)測打破了常規(guī)收集變壓器信息 的局限性。目前電力系統(tǒng)中采用對變壓器在線監(jiān)測，即時連續(xù)記錄各種影響變壓 器壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)的自動化處理可及時的捕捉早期故障的先兆信息， 洞察變壓器存在的故障隱患，不僅防止了故障向更嚴重方向的發(fā)展，而且能夠?qū)?故障造成的嚴重后果降到最低限度。它的最突出特點是可以在運行中實時監(jiān)測； 但目前變壓器在線監(jiān)測只能對電網(wǎng)內(nèi)某一臺變壓器進行監(jiān)測，不能對同一時刻同 型號不同變壓器的狀態(tài)進行評估和參考；隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中廣域 的同步數(shù)據(jù)采集是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，且迫切需要采集同步數(shù)據(jù)進行運算、 比較、分析。因此，對電力部門來說，能實時掌握電網(wǎng)內(nèi)同一時刻變壓器的運行 狀態(tài)，對保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行無疑具有重要的意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有變壓器監(jiān)測不能對同一時刻同型號不同變壓器 的狀態(tài)進行評估和參考，不便于對整個電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行判斷。本發(fā)明的技術(shù)方案是電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置，包括數(shù)據(jù)采集單元、通訊單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制單元和電源單元，數(shù)據(jù)采集單元由濾波電路、采樣電路、GPS 校時電路構(gòu)成，變壓器電力信號經(jīng)過采樣電路輸入數(shù)據(jù)處理單元處理，GPS校時電 路產(chǎn)生時間信號輸入采樣電路及數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用快速數(shù)字信號 處理器DSP，控制單元為CPU單片機，數(shù)據(jù)處理單元與控制單元相連，控制單元連 接通訊單元，數(shù)據(jù)處理單元采用繼電器作為I/0瑜出，電源單元提供裝置各部分的 電源供給。本發(fā)明電網(wǎng)變壓器監(jiān)測方法通過各電網(wǎng)變壓器檢測裝置的GPS校時電 路給采集的變壓器參數(shù)打上統(tǒng)一的時間標簽，由各電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單 元將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心，構(gòu)成電網(wǎng)變壓器監(jiān)測系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào) 度中心根據(jù)變壓器參數(shù)辨識變壓器各相繞組的電阻及漏感值，對電網(wǎng)中各變壓器 繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位，根據(jù)同一時間各變壓器的狀態(tài)對整個電網(wǎng)的電 壓穩(wěn)定性進行分析。本發(fā)明電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理單元的DSP與控制單元的CPU通過雙 口 RAM相連；數(shù)據(jù)處理單元還連接開關(guān)量檢測單元，開關(guān)量檢測單元檢測變壓器 兩側(cè)斷路器的工作狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明的監(jiān)測方法中，電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單元包括CAN總線和USB 接口， CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控子站，USB接口將數(shù)據(jù)傳送給本地工控機，用高 速以太網(wǎng)連接所有監(jiān)控子站，將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心；電網(wǎng)調(diào) 度中心采用最小二乘法進行參數(shù)識別，實時辨識各電壓器各相繞組的電阻及漏感 值，對變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位。 一般電網(wǎng)變壓器監(jiān)測系統(tǒng)采用一 個變壓器監(jiān)測裝置監(jiān)測一臺變壓器，監(jiān)測裝置將變壓器參數(shù)傳輸給監(jiān)控子站，監(jiān) 控子站監(jiān)控多臺變壓器，多個監(jiān)控子站將數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度中心，調(diào)度中心監(jiān)控整 個電網(wǎng)，監(jiān)控子站和調(diào)度中心可以對監(jiān)控的多臺變壓器參數(shù)進行比較。本發(fā)明電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集單元通過GPS校時電路統(tǒng)一電網(wǎng)監(jiān)測 系統(tǒng)內(nèi)各電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的采樣時間，并給采集的變壓器電力信號統(tǒng)一標注 時間標簽，有利于監(jiān)測子站或電網(wǎng)調(diào)度中心對同一時刻數(shù)據(jù)的比較，基于GPS的 同步采樣原理為由高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足采樣要求的時 鐘信號，它每隔ls被GPS的秒脈沖(l個脈沖每秒)信號同步一次，保證振蕩器 輸出的脈沖信號的前沿與GPS時鐘同步，去除累計誤差，數(shù)據(jù)采集單元的采樣電 路以計數(shù)器輸出的經(jīng)過同步的時鐘信號作為開始轉(zhuǎn)換的信號，控制數(shù)據(jù)采集，因 此變壓器電力信號的采樣是同步的；同時，GPS接收器經(jīng)標準串口將國際標準時間信息傳送給數(shù)據(jù)采集裝置，用于給采樣數(shù)據(jù)加上時間標簽。同現(xiàn)有變壓器在線監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法相比，本發(fā)明不僅能夠判斷變壓器的 故障類型，而且能夠?qū)Ξ惖赝恍吞柕淖儔浩髟谕粫r刻的電流向量和電壓向量 進行比較，通過將采到數(shù)據(jù)經(jīng)過高速以太網(wǎng)傳到監(jiān)控中心，采用最小二乘法進行 參數(shù)識別，實時辨識各電壓器各相繞組的電阻及漏感值，對變壓器繞組的內(nèi)部故 障進行判斷及定位，實時監(jiān)測該節(jié)點的運行狀況，為區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提 供可靠的保證。同時本發(fā)明的監(jiān)測裝置首次使用雙CPU結(jié)構(gòu)，對采集的電力信號 進行處理；通訊方面通過USB接口直接將數(shù)據(jù)傳送給本地工控機，遠方監(jiān)控子站 通過CAN總線的通訊方式來搜集數(shù)據(jù)，同時利用高速以太網(wǎng)將所有監(jiān)測子站的采 集數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心，這樣實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，并且實現(xiàn) 了廣域電網(wǎng)的實時監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明變壓器監(jiān)測裝置構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。圖2為本發(fā)明電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的原理結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明變壓器監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)配置圖。圖4為本發(fā)明實施例DSP和MCU通過雙口 RAM連接的連接圖。圖5為本發(fā)明實施例MCU 80C196KC時鐘信號輸入圖。圖6為本發(fā)明實施例模擬量采樣電路圖。圖7為本發(fā)明實施例AD7865各通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的時序圖。圖8為本發(fā)明實施例DSP與一片AD7865的連接圖。圖9為本發(fā)明實施例開關(guān)量采集電路圖。圖IO為本發(fā)明實施例IO輸出控制電路。圖11為本發(fā)明實施例CAN控制器SJA1000電路圖。圖12為本發(fā)明實施例CAN控制器接口電路圖。圖13為本發(fā)明實施例CAN電源原理圖。圖14為本發(fā)明實施例DSP的流程圖。圖15為本發(fā)明實施例MCU的流程圖。圖16為本發(fā)明實施例AD采樣通道的程序結(jié)構(gòu)圖。圖17為本發(fā)明實施例監(jiān)測裝置通過CAN總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖。圖18為本發(fā)明實施例上位機節(jié)點通過CAN總線向監(jiān)測裝置通訊的流程圖。 圖19為本發(fā)明實施例MCU中多任務(wù)系統(tǒng)框架圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。將本發(fā)明的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置安裝在一電壓等級為220kV的變電所主變壓 器上(星-三角連接)，如圖1所示，電流互感器CT、電壓互感器PT和電壓、電流 信號采集裝置即為本發(fā)明的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置，經(jīng)電流互感器CT、電壓互感器 PT變換后，把大電流高電壓變成小電流低電壓，將變壓器一、二次繞組連接到監(jiān) 測裝置上，采集的電力信號經(jīng)裝置中的數(shù)據(jù)處理單元處理后， 一方面通過USB2.0 接口將數(shù)據(jù)快速發(fā)送到本地工控機上， 一方面將數(shù)據(jù)通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?遠方的監(jiān)測子站上， 一個區(qū)域電網(wǎng)分布多臺監(jiān)測裝置。為了能夠快速的將各監(jiān)測 子站采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心，建立高速以太網(wǎng)來實現(xiàn)高速通訊，在調(diào)度 中心通過對不同點裝置在同一時刻所采集的電流向量和電壓向量的功角的對比， 采用最小二乘法進行參數(shù)識別，來分析區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。如圖2，為本發(fā)明實施例電網(wǎng)監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)圖，包括數(shù)據(jù)采集單元、通訊單 元、數(shù)據(jù)處理單元、控制單元和電源單元，數(shù)據(jù)采集單元由濾波電路、采樣電路、 GPS校時電路構(gòu)成，主要負責(zé)對變壓器繞組側(cè)電流量和電壓量的實時采集，采樣電 路將采集的變壓器電力信號輸入數(shù)據(jù)處理單元處理，GPS校時電路將時間信號輸入 采樣電路及數(shù)據(jù)處理單元，采樣電路每周期采集400點，采樣頻率50Hz;數(shù)據(jù)處 理單元采用TI公司的快速數(shù)字信號處理器DSP TMS320LF2407A，數(shù)據(jù)采集單元的 采樣電路將采樣信號輸入數(shù)據(jù)處理單元處理，為了和外部進行電氣隔離并具備一 定的驅(qū)動能力，，數(shù)據(jù)處理單元采用繼電器作為I/O輸出；控制單元的CPU為MCU 單片機，采用16位單片機80C196KC，數(shù)據(jù)處理單元與控制單元通過雙口 RAM相連， 控制單元連接通訊單元；數(shù)據(jù)處理單元還連接開關(guān)量檢測單元，開關(guān)量檢測單元 檢測變壓器的斷路器工作狀態(tài)，輸入到數(shù)據(jù)處理單元中；通訊單元采用CAN總線 和USB接口兩種通訊方式，CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控子站，USB接口將數(shù)據(jù)傳送 給本地工控機；電源單元分別提供DSP、 MCU、采樣電路以及繼電器中的電源供給。 變壓器的電力信號，即變壓器一、二次繞組的各相電流量和電壓量，經(jīng)過適當變 比的CT和PT變換后，通過濾波電路進行信號的高、低通濾波，將放大的信號送入高精度的AD采樣電路中，同時GPS校時電路中的GPS接收器通過衛(wèi)星接收到GPS 時間信息，給每個采樣點打上統(tǒng)一的時間標簽，AD轉(zhuǎn)換后的采樣信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處 理單元的DSP處理后，通過雙口 RAM與控制單元的MCU進行交換，MCU將獲得的數(shù) 據(jù)通過CAN總線和USB2. 0接口發(fā)送到監(jiān)控點。在監(jiān)控點能夠?qū)崟r監(jiān)測到變壓器繞 組各相的電流量和電壓量以及它們對應(yīng)的變化曲線，通過計算變壓器繞組的阻抗 及漏感值來判斷變壓器的故障類型和故障定位。本實施例中的MCU 80C196KC為時 序電路，需要一個外部晶體時鐘輸入，即圖2中所示的晶振電路，晶振電路由一 無源晶振和兩個電容組成，如圖5，外部時鐘源經(jīng)過電容耦合后和單片機80C196KC 上的時鐘引腳XATL1、 XATL2相接。為了達到直觀的效果，可在裝置的控制單元上 連接設(shè)置LED燈來顯示采集的電力信號的狀態(tài)，并設(shè)有液晶顯示器方便用戶直接 査看變壓器的監(jiān)測狀態(tài)，同時設(shè)置有鍵盤和按鍵；數(shù)據(jù)處理單元連接開關(guān)量檢測 單元的開關(guān)量輸入以及開關(guān)量輸出，通過開關(guān)量輸入檢測變壓器斷路器狀態(tài)，如 果變壓器發(fā)生過流或過壓，通過開關(guān)量輸出來驅(qū)動繼電器跳閘，以保證裝置的正 常運行。本發(fā)明裝置在具體實施時，結(jié)構(gòu)上采用背插式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，整個裝置 由五塊單獨的背部帶接插槽的電路板和一塊前置面板構(gòu)成，電路板分別為模擬量 板、AD采樣板、DSP+MCU控制板、通訊板、電源板，模擬量板實現(xiàn)PT 、 CT變換， 前置面板上設(shè)有鍵盤、LED燈和液晶顯示器，整個裝置采用獨立封閉單元機箱，密 封性好，抗干擾、抗振動能力強，保證測量裝置精確、高速、可靠的運行。本發(fā)明裝置通過GPS校時電路實現(xiàn)整個電網(wǎng)內(nèi)多臺變壓器的數(shù)據(jù)采集的時間 統(tǒng)一性，基于GPS的同步采樣原理為由高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn) 生滿足采樣要求的時鐘信號，它每隔ls被GPS的秒脈沖(l個脈沖每秒)信號同 步一次，保證振蕩器輸出的脈沖信號的前沿與GPS時鐘同步，去除累計誤差，同 時通知DSP，在新的l秒脈沖作用下，采樣點數(shù)重新清零。采樣電路各AD轉(zhuǎn)換器 都以計數(shù)器輸出的經(jīng)過同步的時鐘信號作為開始轉(zhuǎn)換的信號，控制各自的數(shù)據(jù)采 集，因此采樣是同步的。同時，GPS接收器經(jīng)標準串口將國際標準時間信息傳送給 數(shù)據(jù)采集單元，用于給采樣數(shù)據(jù)加上"時間標簽"。本發(fā)明裝置采用DSP+MCU的雙CPU系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取和交換是雙CPU系統(tǒng)的重 要組成部分。由于數(shù)據(jù)交換要求的通訊速率要求很高，因此傳統(tǒng)的并行接口和串 行接口設(shè)計無論在通信速率還是在可靠性方面都不易滿足要求，而雙端口 RAM則是一個較好的實現(xiàn)方案，它具有通信速率快、實時性強、接口設(shè)計簡單等特點， 因而在本發(fā)明的裝置中應(yīng)用雙口 RAM連接雙CPU。 IDT7132是高速2kX8雙端口靜 態(tài)RAM，可提供兩個擁有獨立的控制總線、地址總線和I/0總線端口，允許CPU獨 立訪問內(nèi)部的任何存儲單元。本發(fā)明使用雙端口 RAM IDT7132來實現(xiàn)DSP與MCU 的雙CPU的連接，圖4是DSP與MCU通過雙端口 RAM IDT7132的連接圖。雙CPU通過雙口 RAM通信在使用上最容易發(fā)生的問題是可能發(fā)生爭用，當兩 個端口的CPU同時訪問同一端口 RAM單元時，就產(chǎn)生爭用，會出現(xiàn)寫入值和讀出 值不是所期望的值的數(shù)據(jù)混亂狀態(tài)。本發(fā)明裝置采用硬件判優(yōu)方案對此問題進行 解決將DSP的READY引腳和MCU的READY引腳分別與雙口 RAM IDT7132兩端的 BUSY信號線直接相連，實現(xiàn)"忙"等待邏輯，當2個CPU同時訪問同一存儲地址 時，仲裁邏輯將決定哪一個端口進行訪問，并且把被延遲訪問端口的BUSY置低電 平，使與該端口相連的處理器處于等待狀態(tài)。等到另一處理器對該地址的訪問完 成后，撤銷BUSY信號，則被延遲的端口開始訪問，不對同一地址訪問時，不產(chǎn)生 BUSY信號，2側(cè)CPU都不需要等待。為了能夠準確的測量變壓器三相電網(wǎng)的電網(wǎng)頻率、三相電壓、三相電流的有 效值和相角，每相的功率因數(shù)以及各次諧波參數(shù)，在變壓器電參數(shù)的監(jiān)測過程中不但需要采集瞬時三相電壓f/力W， f/s(0， "c(,)，三相電流"(O， ~(r)， /c(/)，還需保持各信號之間的相位關(guān)系。數(shù)據(jù)采集實際上就是一個AD轉(zhuǎn)換的過程，即將測得的變壓器的三相電壓、電 流模擬量經(jīng)高精度的PT 、 CT變成小信號模擬量，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為能被單片 機接受和處理的數(shù)字量，在本實施例中，PT采用型號為DSH一TV120/3.53電壓變送 器，額定電壓100V，輸出電壓2.942V; CT采用型號為DSH—TA150/3. 53電流變送 器，額定電流5A，輸出電壓0.1177V,兩種變送器的抗電強度都在2500V以上， 滿足測量要求。本實施例需要采樣變壓器一、二次繞組的三相電壓和三項電流， 共12路模擬量，在此給出了其中一次繞組的電壓C/,的模擬量測量原理圖，如圖6所示，其中0P4177是ADI公司工業(yè)標準0P07系列運放的第四代高性能四通道運 算放大器產(chǎn)品，具有低輸入偏置電流，最大僅為2nA;低輸出失調(diào)電壓，最大僅為 60wV;低溫漂、低噪聲、高精度，即使在高達125'C的惡劣環(huán)境下，仍具有相當 穩(wěn)定性能，這些性能使其在微弱信號的放大和濾波等許多電路上具有廣泛的應(yīng)用。通過高精度、小型電壓/電流隔離互感器，即PT/CT，對電網(wǎng)信號進行隔離變換， 變換后的信號控制在士10V以內(nèi)，轉(zhuǎn)換成符合AD采樣電路要求的電平；本實施例 采用AD7865轉(zhuǎn)換器，每片AD7865接成4路同步采集輸入，共三片，數(shù)據(jù)讀出方 式為循環(huán)輸出，數(shù)據(jù)寬度輸入為14位，采樣速率為每周400點，采樣周期為20 ms/400 ^50"。數(shù)據(jù)采集過程中，AD轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力和測量精度是保證系統(tǒng)正確可靠運 行的關(guān)鍵，TMS320LF2407ADSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度為IO位，不能滿足高精 度系統(tǒng)的要求，因此本發(fā)明裝置采用外擴AD轉(zhuǎn)換芯片。AD7865是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A/D轉(zhuǎn)換器，采用+5V供電，芯片內(nèi)部有一個2.4戸的逐次逼近的ADC， 4個跟蹤/保持放大器，內(nèi)部2.5V參考電壓，片上時鐘振蕩器和 一個高速并行接口，四個通道的輸入信號是同步采樣的，因而可以保存4路信號 的相對相位信息。本實施例采用的是AD7865-1型號，它允許土10V， 土5V兩種輸 入范圍，圖7為AD7865各通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取結(jié)果的時序圖，CONVST為保持信號， 由DSP控制觸發(fā)。圖8為DSP與一片AD7865的連接圖。使用I/O 口啟動AD轉(zhuǎn)換， 三片AD7865的片選信號由DSP上的譯碼電路和空間選通信號共同產(chǎn)生，AD的BUSY 引腳連接DSP的外部中斷XINT1，由AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)DSP中斷，DSP讀取AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果。本發(fā)明監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過主程序初始化后開始工作，根據(jù)規(guī)定的采 樣間隔，控制AD轉(zhuǎn)換器各通道采樣保持器同時采樣，并在每一次采樣后向DSP請求 中斷，讀取采樣數(shù)據(jù)。當AD7865的保持信號C0NVST變?yōu)榈碗娖綍r，對應(yīng)的輸入信 號立即被保持，只要這時AD7865的ADC是空閑的，即可進行AD轉(zhuǎn)換，由于每片AD7865 有四路通道，如果這時已有其它的通道處于保持狀態(tài)，則該通道將等待前面的通 道完成轉(zhuǎn)換后才能進行AD轉(zhuǎn)換。如果在一個時鐘周期各通道都處于保持狀態(tài)，則 通道A先轉(zhuǎn)換，接著通道B，然后是通道C和通道D。另外，如果一個通道正在進行 AD轉(zhuǎn)換時，該通道又產(chǎn)生了保持有效信號，則這次保持信號無效，AD轉(zhuǎn)換器的工 作流程圖見附圖16所示。在通道沒有啟動一次新的轉(zhuǎn)換時，保持信號可以保持低 電平，但是要啟動一次新的轉(zhuǎn)換時，則要使保持信號CONVST先變?yōu)楦唠娖?(》20ns)，然后再變?yōu)榈碗娖讲艜行АD7865片內(nèi)帶轉(zhuǎn)換方式可編程控制器， 可以控制轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果儲存在芯片內(nèi)部的RAM中，每次同時啟動4路模擬量采樣，采樣時間間隔為50us，即0.02s/400(每周波采樣點數(shù))，每隔25us產(chǎn)生一 次定時中斷，片內(nèi)采樣將4路信號保持，轉(zhuǎn)換完成后，產(chǎn)生外部中斷，在中斷服務(wù) 程序中DSP依次讀取3片AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。本發(fā)明裝置在運行時，不僅要監(jiān)測現(xiàn)場的變壓器電壓、電流模擬參量，還應(yīng) 監(jiān)測變壓器兩側(cè)斷路器工作狀態(tài)(接通或分斷)的信號，以保證監(jiān)控系統(tǒng)正確地 發(fā)出操作命令。變壓器輔助觸點的開關(guān)量采集電路如圖9所示，經(jīng)開關(guān)量采集電 路輸出的信號Baohu輸入到DSP中。本發(fā)明裝置的數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)據(jù)采集單元和開關(guān)量檢測單元連接變壓 器，1/0輸出用來控制外部設(shè)備或做狀態(tài)指示，為了外部進行電氣隔離并具備一定 的驅(qū)動能力，數(shù)據(jù)采集單元的DSP采用繼電器作為I/0瑜出，如圖10所示。本發(fā)明裝置需要完成的任務(wù)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)顯示， 其中數(shù)據(jù)采集和處理由DSP負責(zé)，數(shù)據(jù)顯示和通信由單片機MCU負責(zé)。DSP程序包 括初始化子程序、自檢子程序、AD子程序、數(shù)據(jù)處理(快速傅立葉變換FFT算法) 子程序，單片機MCU程序包括各種初始化子程序、通信子程序、顯示子程序，采 用C語言和匯編語言混合編寫，其中主函數(shù)和DSP函數(shù)部分采用C程序編寫；中 斷服務(wù)和控制程序采用匯編語言編寫，并供C調(diào)用。DSP程序流程如圖14所示，單片機MCU的流程圖如圖15，圖中的FinFlag為 計算完成標志。外部輸入的電壓、電流信號經(jīng)過CT、 PT電路變?yōu)榈蛪盒⌒盘?，?jīng) 過信號調(diào)理，成為可以直接被AD轉(zhuǎn)換器采樣的信號，輸入AD轉(zhuǎn)換器；AD轉(zhuǎn)換器 完成一次AD轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)送到輸出寄存器，由DSP芯片進行讀??；當所有的12 路數(shù)據(jù)采集完成后，DSP啟動數(shù)據(jù)處理程序，即應(yīng)用FFT算法對采集的數(shù)據(jù)進行分 析和計算，計算A、 B、 C三相的電壓、電流的基波有效值和各次諧波值。當計算 完成，置單片機可以讀標志FinFlag為1。當單片機MCU通過雙口 RAM通訊查詢到 此標志為真，啟動數(shù)據(jù)讀取程序，從雙口 RAM中讀取DSP己經(jīng)運算完成的數(shù)據(jù)， 當讀取完數(shù)據(jù)置FinFlag標志為0，啟動DSP下一次AD轉(zhuǎn)換，然后完成顯示任務(wù) 并通過串行口傳給上位機。在本實施例中，采用FFT算法實現(xiàn)變壓器運行參數(shù)的計算?？焖俑盗⑷~變換 FFT (Fast Fourier Transformer),是變壓器監(jiān)測裝置中對AD采集單元采集的變 壓器電參數(shù)進行運算所采用的算法。FFT由于具有原位性，計算量較小并且易于流 水線操作等特點，所以非常適合用DSP進行處理。根據(jù)微積分理論，任何一個函數(shù)若滿足狄利克雷(Dirichlet)條件，則可以展開成傅立葉級數(shù)形式。電壓信號 "W的傅立葉級數(shù)形式為<formula>formula see original document page 12</formula>(1)對 (0每周期均勻同步采樣N點，得到t^)，對其作離散傅立葉變換。積分離散化后得可得出第k次諧波電壓的振幅、相角、有效值為<formula>formula see original document page 12</formula>(3)電流的計算方法類似于電壓。由于非正弦周期函數(shù)的有效值等于信號中各次諧波的有效值的平方和的平方根，因此電壓、電流的有效值分別為<formula>formula see original document page 12</formula> (4)傅立葉算法可以計算出各次諧波的參數(shù)，從而計算出總的電參數(shù)。該算法具有很強的濾波能力，適合于電力系統(tǒng)參數(shù)測量分析。經(jīng)過FFT運算后，所有模擬量 都被分解成實部、虛部兩部分，分別表示余弦、正弦分量幅值。本發(fā)明裝置的通訊單元包括CAN總線通訊。獨立的CAN控制器SJA1000電路如圖 ll所示，SJA1000控制芯片是一種帶有CAN2.0B協(xié)議的獨立CAN控總線制器，主要負 責(zé)接受和發(fā)送CAN總線報文、報文濾波和處理總線通信中產(chǎn)生的錯誤。將SJAIOOO 的MODE引腳設(shè)為高，選取INTEL接口模式使SJA1000正確復(fù)位，CAN控制器的時鐘引 腳XTAL1， XTAL2必須連接一個穩(wěn)定的振蕩器時鐘，SJA1000能用片內(nèi)振蕩器或片外 時鐘源工作，本實施例使用一個外部晶振電路作為其外部時鐘。因為CAN控制器是 低電平觸發(fā)中斷，而MCU中斷系統(tǒng)采用上升沿觸發(fā)，SJA1000的AD0 AD7連接到MCU 80C196KC的P0口， SJA1000的RD、 WR、 ALE分別與MCU 80C196KC的對應(yīng)引腳相連。 為了保證CAN控制器的通訊的安全性，要求和MCU的供電電源隔離，在本實施例中 采用貼片式電源轉(zhuǎn)換芯片DCP010505BP，芯片連接簡單，其電路圖如圖13所示。CAN 總線收發(fā)器采用了PCA82C251， PCA82C251是CAN控制器和物理總線間的接口，提供 對總線的差動發(fā)送能力和對"N控制器的差動接收能力，它與IS011898標準兼容，有高速、斜率控制和待機三種工作方式，可根據(jù)實際情況選擇。CAN控制器接口電 路如圖12所示，6N137為高速光電轉(zhuǎn)換隔離器，其轉(zhuǎn)換時間的典型值為42ns(最大 為75ns)， 一方面減少了從其他設(shè)備引入的干擾，另一方面又保障CAN的高速通信。本發(fā)明監(jiān)測裝置的通訊單元通訊流程如下發(fā)送過程讀狀態(tài)寄存器的值， 判斷能否開始發(fā)送，不能發(fā)送則等待；發(fā)送時根據(jù)CAN總線協(xié)議，將數(shù)據(jù)拆分并正 確賦值標志符，寫入發(fā)送緩沖區(qū)，啟動發(fā)送。接收過程進入中斷讀中斷寄存器的值，判定中斷類型，判定是否為接收中斷，是則從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，包括 數(shù)據(jù)的標志符和數(shù)據(jù)參量，接收后釋放接收緩沖區(qū)。通訊單元的數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖17所示。上位機(監(jiān)控子站)通過CAN總線向本發(fā)明監(jiān)測裝置的通訊流程如下上位機通訊的工作流程與監(jiān)測裝置類似，只是它還獨立定義了多種功能，如復(fù)位、中斷 觸發(fā)、發(fā)送、以及打開和關(guān)閉功能等，只需對所使用的功能進行相應(yīng)的參量配置，發(fā)送后通過返回值確定該執(zhí)行是否成功。上位機采用中斷方式接收，CAN總線上的 數(shù)據(jù)一旦通過濾波就會進入中斷，調(diào)用上位機的接收功能進行接收；上位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將大報文拆分成多個小的報文，再依次發(fā)送。上位機節(jié)點的流程圖如圖18所示。隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，為了方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能，多任務(wù)管理，提高系統(tǒng)的可靠性，本發(fā)明監(jiān)測裝置還將uC/OS-II操作系統(tǒng)移植到MCU 80C196KC 微處理器上。uC/OS-II屬于搶先式剝奪型實時內(nèi)核，永遠保證優(yōu)先級最高的就緒 任務(wù)的運行。uC/OS-II可以完成各個任務(wù)之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)硬件資源，對 任務(wù)的調(diào)度，按優(yōu)先級的高低順序進行，最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到 CPU的使用權(quán)。多任務(wù)系統(tǒng)原理圖如圖19所示，該系統(tǒng)幾個任務(wù)的優(yōu)先級從高到 低的排列次序為串口通信、采樣中斷、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、告警管理、開關(guān)量處理 任務(wù)、參數(shù)管理任務(wù)。本發(fā)明電網(wǎng)變壓器監(jiān)測方法通過變壓器監(jiān)測裝置、CAN總線、以太網(wǎng)組等組成 電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單元包括CAN總線和USB接口 ， CAN總 線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控子站，USB接口將數(shù)據(jù)傳送給本地工控機，用高速以太網(wǎng)連接 所有監(jiān)控子站，將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心。電網(wǎng)變壓器監(jiān)測系統(tǒng) 采用一個變壓器監(jiān)測裝置監(jiān)測一臺變壓器，監(jiān)測裝置將變壓器參數(shù)傳輸給監(jiān)控子 站，監(jiān)控子站監(jiān)控多臺變壓器，多個監(jiān)控子站將數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度中心，調(diào)度中心監(jiān)控整個電網(wǎng)，由于監(jiān)測裝置給監(jiān)測的變壓器電參數(shù)標有統(tǒng)一的時間標簽，監(jiān)控 子站和調(diào)度中心不僅可實時監(jiān)控一臺變壓器的運行狀態(tài)，還可對監(jiān)控的多臺變壓 器參數(shù)進行比較，根據(jù)同一時間各變壓器的狀態(tài)對整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性進行分 析。在監(jiān)測子站和電網(wǎng)調(diào)度中心能夠査看到遠端單臺變壓器監(jiān)測裝置的運行情況， 以及變壓器繞組兩側(cè)所采集到的電網(wǎng)中的電流向量和電壓向量，通過后臺的參數(shù) 辨識模塊利用一定的算法能夠計算出變壓器各相繞組的電阻及漏感值，并且能夠 通過監(jiān)控軟件來監(jiān)測各繞組阻抗的變化曲線。同時為方便用戶査詢各相參數(shù)的歷 史數(shù)據(jù)，在后臺軟件中采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，這樣在監(jiān)控子站和調(diào)度中 心都可以查看這些保存的歷史數(shù)據(jù)，給相關(guān)研究人員提供了第一手寶貴的資料， 為分析預(yù)測區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)變壓器繞組在內(nèi)部故障時故障相的電阻及漏感變化這一顯著原理，本發(fā) 明通過電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置將變壓器的電壓電流等電參數(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺，后臺 應(yīng)用最小二乘法參數(shù)識別實時辨識變壓器各相繞組的電阻及漏感值，對變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位。最小二乘法是參數(shù)估計理論中的一種經(jīng)典方法， 它廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和自動控制等領(lǐng)域。該算法是將包含有隨機噪聲分量的輸 入信號與預(yù)設(shè)的信號模型(擬合函數(shù))按最小二乘原理進行擬合，根據(jù)擬合誤差 最小的原則來確定預(yù)設(shè)模型的有關(guān)參數(shù)。對于最小二乘算法來說，參數(shù)的估計精 度與算法所采用的采樣值數(shù)目有關(guān)，所使用的采樣值越多，估計精度也越高。利 用一組采樣值可以得到狀態(tài)估計量，但是在得到新的采樣數(shù)據(jù)后，若希望利用新 的釆樣數(shù)據(jù)來改進原有的參數(shù)估計結(jié)果，以提高精度，優(yōu)選遞推最小二乘法，本 發(fā)明采用的是遞推最小二乘法。遞推最小二乘法的優(yōu)點是具有可變的采樣值，采 樣值數(shù)目隨著采樣值的增多自動增加，參數(shù)的估計精度隨之逐步提高。并且，遞 推最小二乘法計算簡便、收斂速度快、收斂過程穩(wěn)定，該算法對非周期分量和各 種高頻分量具有良好的濾波能力，而且實際使用中，無需再附加其他的數(shù)字濾波 器。
權(quán)利要求
1、電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置，其特征是包括數(shù)據(jù)采集單元、通訊單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制單元和電源單元，數(shù)據(jù)采集單元由濾波電路、采樣電路、GPS校時電路構(gòu)成，變壓器電力信號經(jīng)過采樣電路輸入數(shù)據(jù)處理單元處理，GPS校時電路產(chǎn)生時間信號輸入采樣電路及數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用快速數(shù)字信號處理器DSP，控制單元為CPU單片機，數(shù)據(jù)處理單元與控制單元相連，控制單元連接通訊單元，數(shù)據(jù)處理單元采用繼電器作為I/O輸出，電源單元提供裝置各部分的電源供給。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置，其特征是數(shù)據(jù)處理單元的DSP 與控制單元的CPU通過雙口 RAM相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置，其特征是數(shù)據(jù)處理單元 還連接開關(guān)量檢測單元，開關(guān)量檢測單元檢測變壓器的斷路器工作狀態(tài)，輸入數(shù) 據(jù)處理單元。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是各 電網(wǎng)變壓器檢測裝置的GPS校時電路給采集的變壓器參數(shù)打上統(tǒng)一的時間標簽， 通過各電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單元將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中 心，構(gòu)成電網(wǎng)變壓器監(jiān)測系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)變壓器參數(shù)辨識變壓器各相繞 組的電阻及漏感值，對電網(wǎng)中各變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位，根據(jù)同 一時間各變壓器的狀態(tài)對整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性進行分析。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是各電網(wǎng) 變壓器檢測裝置的GPS校時電路給采集的變壓器參數(shù)打上統(tǒng)一的時間標簽，通過 各電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單元將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心，構(gòu) 成電網(wǎng)變壓器監(jiān)測系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)變壓器參數(shù)辨識變壓器各相繞組的電 阻及漏感值，對電網(wǎng)中各變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位，根據(jù)同一時間 各變壓器的狀態(tài)對整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性進行分析。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是電網(wǎng)變 壓器監(jiān)測裝置的通訊單元包括CAN總線和USB接口 ， CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控子 站，USB接口將數(shù)據(jù)傳送給本地工控機，用高速以太網(wǎng)連接所有監(jiān)控子站，將監(jiān)測 的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的通訊單元包括CAN總線和USB接口 ， CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控子 站，USB接口將數(shù)據(jù)傳送給本地工控機，用高速以太網(wǎng)連接所有監(jiān)控子站，將監(jiān)測 的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是采用最 小二乘法實時辨識各相繞組的電阻及漏感值，對變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷 及定位。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是采用最 小二乘法實時辨識各相繞組的電阻及漏感值，對變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷 及定位。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征是采用 遞推最小二乘法實時辨識各相繞組的電阻及漏感值，對變壓器繞組的內(nèi)部故障進 行判斷及定位。
全文摘要
電網(wǎng)變壓器監(jiān)測裝置包括數(shù)據(jù)采集單元、通訊單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制單元和電源單元，數(shù)據(jù)采集單元由濾波電路、采樣電路、GPS校時電路構(gòu)成，本發(fā)明監(jiān)測方法通過各電網(wǎng)變壓器檢測裝置的GPS校時電路給采集的變壓器參數(shù)打上統(tǒng)一的時間標簽，將監(jiān)測的變壓器參數(shù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心，對電網(wǎng)中各變壓器繞組的內(nèi)部故障進行判斷及定位，根據(jù)同一時間各變壓器的狀態(tài)對整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性進行分析，為區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供可靠的保證，實現(xiàn)了廣域電網(wǎng)的實時監(jiān)測。
文檔編號H02H7/04GK101236225SQ20081002076
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者張海龍, 徐建源, 博 王, 閆鴻魁 申請人:南京因泰萊配電自動化設(shè)備有限公司