電氣工程及其自動化變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

1、. . 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究 裝訂線. . . 摘要：IAbstractII引言11 存在的問題和解決方式21.1 定期檢修的現(xiàn)狀及存在的問題21.2 在線監(jiān)測技術的先進性22 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的理論基礎42.1 系統(tǒng)在線監(jiān)測方法42.1.1 電容性設備介質損耗(tan)在線監(jiān)測42.1.2 其他在線監(jiān)測72.2 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場通信82.2.1 CAN總線介紹82.2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信方案93 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計103.1 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構103.2 絕緣在線監(jiān)測板卡的總體方案設計114 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)下位機的硬件設計134.1 信號調

2、理電路的設計134.2 DSP及其外圍電路設計154.3 CPLD的電路設計及功能分析174.4 CAN總線通信的電路設計204.5 電源電路設計205 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計225.1 CPLD的軟件設計225.2 DSP的軟件設計235.2.1 DSP的主程序流程235.2.2 FFT子程序的設計236 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)低壓模擬試驗27 總結與展望31參考文獻32致謝33ContentsAbstractII 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究【摘要】變電站大型電力設備的可靠性水平對于保證電網的安全運行和提高供電質量極為重要，設備發(fā)生故障會導致大面積停電從而造成巨大的經濟損失和社會影響。運用分

3、立的在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)變電站的多設備在線監(jiān)測，則存在系統(tǒng)構建功能的冗余，因此對變電站核心電力設備絕緣進行綜合在線監(jiān)測非常重要。本課題研究目標旨在實現(xiàn)變電站全自動絕緣在線監(jiān)測，對變電站中的一些設備如耦合電容、電壓互感器、電流互感器、避雷器等絕緣狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，對每臺設備的絕緣參數(shù)進行一系列的數(shù)據(jù)處理、存儲、越限值報警，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸。本文介紹了現(xiàn)在電網設備中的檢修狀況，簡要的說明了各種檢修的特點。并且給出了信號采集的部分接線，以及各種處理器的應用問題。關鍵詞：變電站 絕緣 在線監(jiān)測 檢修Study on the on-line monitoring system for Substa

4、tion InsulationAuthor： Zhang Haibin Supervisor：Lou Wei(Mechanical & Electrical Engineering College, Shandong Agricultural University)Abstract Substation reliability of large power equipment to guarantee the safe operation of power grid and improve the quality of power supply is extremely importa

5、nt, when equipment failures leading to blackouts will result in huge economic losses and social impacts.The research project goal is to achieve automatic substation insulation online monitoring of substation equipment in the coupling capacitor, transformer, voltage transformers, current transformers

6、 and surge arresters and other equipment, real-time monitoring of the state theaters, each device on different insulation parameters, data processing, storage and more limits alarm, remote transmission of data.This article describes the current status of network equipment maintenance, a brief analys

7、is of a variety of maintenance features. And gives the signal acquisition part of the wiring, as well as application processorsKeywords: Substation; Insulation; Line monitoring; Maintenance引言 檢修技術伴隨著變電站技術發(fā)展到今天，可大致分成三個階段，或者可以說成是歷經了兩次改革，事故檢修-定期檢修-狀態(tài)維修：第一階段大約是發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)前，那個時候是設備壞了才檢修；第二階段，大約延續(xù)到了70年代，檢修

8、的特征是實現(xiàn)預測性檢修（Preventive Maintenance），就是按照規(guī)定的時間進行檢修；從第二階段到第三階段，是伴隨著一種革新的觀點和策略，是以可靠性為核心并具有預測性的檢修，也稱為狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修的時間間隔根據(jù)的是，包括設備的歷史運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測的定義為在線的數(shù)據(jù)收集，包括傳感器技術、測量技術和信號處理技術；診斷的定義為對所有的在線和離線數(shù)據(jù)進行全面判斷1。電力設備的檢測正在從定期預防性檢測、故障后維修向預測性檢測維修過渡。電力設備檢測技術發(fā)展經歷了從單片機的檢測裝置到DSP技術檢測裝置，再到計算機技術檢測系統(tǒng)階段，目前正向新型總線技術和網絡技術綜合檢測系統(tǒng)進行發(fā)

9、展。一些目前的檢測技術如光纖技術、信號采集與處理技術、PXI測控總線技術等已經在電力設備的檢測中得到廣泛應用。單臺電力設備的絕緣在線監(jiān)測技術以及產品已經有大量的研究并且得以應用，但電力設備的在線檢測已經不再局限于對單個對象、單個模型具體化的研究，而是從單個設備、單項參數(shù)進行檢測，診斷向多設備、多項參數(shù)進行綜合檢測與診斷的高集成方向進行發(fā)展，并且可以對在網絡平臺實現(xiàn)變電站內的電力設備進行綜合在線檢測與診斷，從而促進了電力系統(tǒng)自動化的長久發(fā)展。變電站電氣設備的在線監(jiān)測技術發(fā)展大致經歷了3個階段2 3：帶電測試階段，該階段起始于70年代，當時只是為了不停電而對電氣設備某些絕緣參數(shù)（主要是泄露電流等）

10、進行的直接測量，其結果簡單，測試的項目極少，并且要求被試設備必須對地絕緣，而且測試的靈敏度非常差，因此應用的范圍比較小，沒有得到普遍應用。從80年代開始，出現(xiàn)了各種專用的帶電測試儀器，從而使在線監(jiān)測技術的發(fā)展開始從傳統(tǒng)的模擬量測試逐漸走向數(shù)字化測量的軌道，擺脫了以前那種將測試儀器直接接入測試回路的測量模式，取而代之的是利用傳感器將測量量轉換為數(shù)字儀器可以直接測量的電氣信號。同時，還出現(xiàn)了一些其他的用非電量測量反映設備狀況的測試儀器，比如遠紅外裝置、超聲裝置等。該時期比較具有代表性的帶電測試儀器是日本研制的LCD-4型避雷器泄露電量測試儀。 從90年代開始，出現(xiàn)微機多功能在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要

11、用以采集和處理數(shù)字波形。利用一系列高新技術，如先進的傳感器技術、計算機技術、數(shù)字波形采集和處理等，從而實現(xiàn)了更多的絕緣參數(shù)（比如截止損失角正切值、電容量、泄漏電流、局部放電、色譜等）的在線監(jiān)測。這種監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時連續(xù)的巡回監(jiān)測各個被測量量，因此，監(jiān)測內容非常豐富，信息量非常大，處理速度極快，對與監(jiān)測結果可顯示、存儲、打印、遠傳以及越限報警，從而實現(xiàn)了絕緣監(jiān)測的全部自動化，也代表了現(xiàn)代在線監(jiān)測的發(fā)展方向4 5。1 存在的問題和解決方式1.1 定期檢修的現(xiàn)狀及存在的問題電力系統(tǒng)中的各種高電壓設備經常在不同的電壓等級工作環(huán)境中，這些設備會引起一系列的絕緣特性變化，只有按照有關標準定期對這些參數(shù)實行

12、嚴格的測試，才可以確保電力系統(tǒng)的可靠地正常地工作，因此這些實驗又稱之為與反方向實驗。計劃預修制度是在1932年由蘇聯(lián)的一個工廠提出的，并且在1954年開始引進我國，對我國的設備管理制度起到了非常重要的作用6。該制度的主要內容包括：（1）日常維護；（2）定期檢查；（3）計劃修理，它是一種時間為基礎的“定期維修”的預防維修制度。該制度的典型特征是設備運行一定的時間（規(guī)定周期）后，不管設備是否有無缺陷或問題都必須要停下來檢查、實驗、修理，就是所說的“到期必修”。這種管理制度也存在非常大的弊端，其中顯著的弊端是極大的盲目性，修試過剩問題和修試不足問題同時存在。從目前供電企業(yè)的設備來看，主要存在的問題是

13、修試過剩，以至于造成大量人力、才力、物力白白投入，從而影響到供電企業(yè)可靠性的提高，甚至造成大量的人身事故和誤操作事故。造成了絕緣老化的原因有很多，其中一些是設備制造時就潛伏下的因素，而另一些則是在外界的作用的影響下發(fā)展起來的，外界作用包括工作電壓、過電壓、大氣影響、機械力、熱、化學等等。因此在早期就發(fā)現(xiàn)電氣設備絕緣劣化，以及在電力系統(tǒng)中經常進行一些預防性實驗，從而及時發(fā)現(xiàn)缺陷，這些措施都可以減少事故的發(fā)生。這種傳統(tǒng)的測試中也存在了許多缺陷，比如試驗時需要停電、試驗時間過于集中、工作量比較大，試驗電壓低（遠低于設備的運行電壓）、診斷的有效性非常值得研究；周期太長，無法及時發(fā)現(xiàn)設備劣化；受環(huán)境的溫

14、濕度影響比較大，以及受現(xiàn)場強電場干擾比較大。1.2 在線監(jiān)測技術的先進性供電設備中采用了在線監(jiān)測系統(tǒng)后，可以向狀態(tài)檢修進行過渡，狀態(tài)檢修的優(yōu)越性主要有以下幾個方面7：適時的檢修缺陷，這樣可以預防一些設備事故的發(fā)生，從而提高運行了的可靠性；提高狀態(tài)檢修的質量和效率，增強狀態(tài)檢修的針對性，并且可以節(jié)省大量的人力物力；也可以延長檢修周期，還可以提高設備的可用系數(shù)，減少了停機的時間和開停機的次數(shù)，最終可以極大地延長設備的使用壽命。美國國家電力研究院（EPRI）和國家工業(yè)設備維修公司（CSI）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明8：在線電力系統(tǒng)設施的狀態(tài)檢修可以把設備利用率提高到2%-10%，并且可以把檢修費降低25%-30

15、%，可以提高設備使用壽命到10%-15%。國家電力部DL/T596-1996電力設備預防性試驗規(guī)程8也已明確地規(guī)定了“如過經使用考核證明，利用帶電測量和在線監(jiān)測技術可以達到停電試驗的效果，經批準能做不停電試驗或者適當延長試驗周期?！睆纳纤觯_展狀態(tài)檢修必將為電力企業(yè)帶來非常大的經濟和社會效益，這必然是檢修發(fā)展的方向。絕緣在線監(jiān)測技術是一項新科技，并且是狀態(tài)檢修中必不可少的技術手段之一9 10。2 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的理論基礎對采集到的傳感器的信號進行分析處理是絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究關鍵，從而可以得到可靠的能夠真實反映當前電氣設備絕緣狀況的參數(shù)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)設計的初期，對于不同設備可以檢測到的參數(shù)

16、信號具體有哪些、這些參數(shù)信號能不能確切的顯示當前電氣設備的絕緣狀態(tài)、這些檢測方法的有哪些優(yōu)缺點以及這些通訊方式該怎樣選擇等必須先有一個清楚深刻的分析，才能在總體得設計時游刃有余，從而可以確定出一套最佳的設計方案。表2-1 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍及參數(shù)絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍及參數(shù)設備名稱在線監(jiān)測參量變壓器油中、等溶解氣體含量;變壓器局部放電量;高、中、低壓側套管絕緣介損、電容值、泄漏電流值;變壓器鐵心電流及是否多點接地的判斷。氧化鋅避雷器(MOA)總泄漏電流值、阻性電流有效值、阻性電流正峰值、負峰值、阻性電流峰峰值、功率損耗電壓互感器(TV)一次電流電流互感器(TA)電容電流值、電容值、介

17、損值耦合電容器(OY)電容電流值、電容值、介損值電容式壓變(CVT)電容電流值、電容值、介損值變電站支柱污穢泄漏電流變電站環(huán)境環(huán)境濕度、溫度2.1 系統(tǒng)在線監(jiān)測方法2.1.1 電容性設備介質損耗(tan)在線監(jiān)測介質損耗是由于介質存在電導，極性介質中的偶極子轉動時摩擦以及包含在介質中的空氣間隙放電所造成的，介質損耗是表征絕緣材料以及絕緣設備的一項重要性能指標，它是只與材料的特性有關而與材料的尺寸及體積無關的物理量。具有損耗的電容性電氣設備一般用并聯(lián)電容或者電阻的等效電路來表示，圖2-1和圖2-2分別表示了其等效電路和等效電路的相量圖。我們可以用并聯(lián)電容和電阻的等值電路來計算電容性設備的介質損耗

18、(tan)。 其中，表示被測設備的運行電壓，表示總泄漏電流。由圖2-1中我們可以得到介質損耗： （2-1） （2-2） 由式（2-1）、（2-2）可得，角可以直接反映出介質損耗的大小，一般情況下都比較小，因此，習慣上也可以稱tan為介質損失角。對于一些性能良好的絕緣介質來說，R非常大，然而卻很小。 圖2-1 電容性設備的等值電路圖2-2是等效電路的相量圖，我們可以用/2減去電壓、電流的相位差從而計算出角的大小。 （2-3） 圖2-2 等效電路向量圖介質損耗的相量圖滿足狄里赫利條件電力系統(tǒng)的電壓、電流，可按傅立葉級數(shù)分解為： （2-4） （2-5） 式（2-4）、（2-5），是電壓的直流分量，是

19、電流的直流分量，是電壓各次諧波幅值，是電流各次諧波幅值，是電壓各次諧波相角 ，是電流各次諧波相角。式（2-4）、（2-5）可以表示為： （2-6） （2-7）我們可以根據(jù)兩個三角函數(shù)乘積在一個周期內定積分為零的正交特性，將式（2-6）的兩邊同乘以，取一周期內的定積分并化簡，可得：所以： （2-8）同理，由式（2-6）兩邊同時乘以，并取一周期內的定積分可得： （2-9）令k=1，式（2-8）除以式（2-9），可得電壓基波相角： （2-10）按照相同的方法，可以由式（2-7）推得電流基波相角 ： （2-11）純容性的試品，電流相角超前電壓90°，介質損失正切： （2-12）考慮硬件電路對

20、電壓、電流具有不同的相移，電壓、電流間存在著一固定的相差，所以，應扣除影響，即： （2-13）對、進行離散數(shù)字化處理后，按照式（2-10）、（2-11）、（2-12）可求得容性設備介質損失角正切值。從式（2-10）、（2-11）可知，根據(jù)三角函數(shù)的正交特性，、中的直流分量不受硬件電路零漂的影響。介質損耗的測量分為以下兩種方法： （1）模擬測量方法過去介質損耗的測量采用的主要有諧振法、瓦特表法、西林（Schering）電橋法。 （2）數(shù)字測量方法數(shù)字測量方法的原理其實是先將從傳感器上采樣的信號轉變成數(shù)字信號，再送入單片機或者DSP進行數(shù)字信號處理，然后得到需要的絕緣參數(shù)值。數(shù)字測量方法包括過零電

21、壓比較法、過零時差比較法、自由矢量法、異頻電源法、諧波分析法等等。2.1.2 其他在線監(jiān)測（1）變壓器環(huán)境溫度與濕度的在線監(jiān)測我們通常采用氣象部門常用一種叫做的木制百葉箱式測量方法。安裝時，我們要將百葉箱放到變壓器附近，這樣可以感應現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度。傳感器的線性度以及取樣電阻穩(wěn)定性決定了測試精度。（2）變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測變壓器的鐵心電流數(shù)量級在幾十毫安至幾安培，有的甚至更大，通常采用程控放大器放大信號，來滿足測量的要求。（3）變壓器局部放電在線監(jiān)測局部放電的在線監(jiān)測系統(tǒng)是由高頻諧振式電流傳感器、抗干擾調節(jié)系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)組成的?？垢蓴_調節(jié)系統(tǒng)是局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分。

22、整個信號采集系統(tǒng)為電路設計為三個部分：a.模擬信號調制部分:包括信號放大、濾波、整形以及電壓的提升。b.數(shù)據(jù)的采集、存儲部分：包括A/D的轉換、數(shù)據(jù)的存儲等。c.控制部分包括：控制模擬量的調制、數(shù)據(jù)的采集與通訊等。 （4）變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測變壓器油中的溶解氣體分析在線監(jiān)測方法，以油中的溶解氣體來反映故障的特征量，在線監(jiān)測的變壓器油中、CO、等溶解氣體的組分、含量及產氣速率等，能夠及早發(fā)現(xiàn)變壓器內部所存在隱性故障。比較上面所述各種測量方法后發(fā)針對電容性電氣設備介質損耗、氧化鋅避雷器泄漏電流、阻性電流等諧波分析法，無論從抗干擾性、通信要求、精確度的要求等方面都時符合本系統(tǒng)需要而適合采用，其

23、他測量方法都存在實現(xiàn)困難、精度低、抗干擾性等缺點。2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場通信絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場通信是通過總線來實現(xiàn)的。工業(yè)領域中應用廣泛的總線主要有：RS-485、現(xiàn)場總線（Lonworks、CAN、FF、Profibus）等。2.2.1 CAN總線介紹 （1）CAN總線特點a.CAN節(jié)點要求高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可以在134us內得到傳輸。b.CAN通信靈活，可以提高系統(tǒng)的可靠性。c.CAN采用非破壞性的總線仲裁技術。在網絡負載很重的情況下也可以高速運行。d.CAN有點對點、一點對多點及全局廣播等幾種通訊方式可以通過對報文的標識符濾波實現(xiàn)。e.CAN的直接通訊距離最遠可以達10k

24、m（通信速率5kbps）通訊速率最高可達1 Mbps（通信距離為40m）。f.CAN的單一網絡理論上可掛接無數(shù)個節(jié)點。實際在應用中節(jié)點數(shù)目是受網絡硬件的電氣特性所限制。g.報文標識符可達2032種而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符不受限制。h.CAN報文采用的是短幀結構傳輸，時間短受干擾概率低具且具有極好的檢錯效果。i.CRC校驗和其他檢錯機制保證了極低數(shù)據(jù)出錯率。J.CAN節(jié)點在錯誤嚴重情況下具有自動關閉輸出的功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系可以使總線上的其它節(jié)點抗干擾能力強可靠性高。k.CAN的通信介質可以為雙絞線、同軸電纜、光纖等。CAN總線已經在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防

25、護等領域中得到廣泛應用。 （2）CAN總線技術規(guī)范為了達到設計的透明度，CAN被細分為對象層、傳輸層、物理層三個不同的層次。對象層的作用主要查找被發(fā)送的報文，確定由實際要使用的傳輸層接收哪個報文，并且為應用層相關硬件提供接口。傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則。發(fā)送新報文及開始接收報文都要在傳輸層里確定。位定時一些普通功能也可看作是傳輸層的一部分。因此傳輸層的修改是受限制的。物理層對于所有節(jié)點必須相同。CAN總線通信線路是由兩根導線組成分別是CANH和CANL，這兩根導線也就是CAN網絡的總線的所有網絡節(jié)點掛接在該總線上通過這兩根導線交換數(shù)據(jù)。CAN總線有兩種邏輯狀態(tài)：隱性和顯性對應于數(shù)字電路的邏輯1

26、和0。顯性（0）：3.5V1.5V2V；隱性（1）：2.5V2.5V0VCAN總線有以下四個不同的幀類型： （1）數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器到接收器。 （2）遠程幀：總線單元發(fā)出的遠程幀請求發(fā)送具有同一識別符數(shù)據(jù)幀。 （3）過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加延時。 （4）錯誤幀：任何單元檢測到一總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。變電站絕緣監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場通信特點及要求如下： （1）變電站絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場通信要求十分高，系統(tǒng)通信要求抗干擾性好、可靠性高。 （2）變電站眾多通信線路長、數(shù)據(jù)量大、通信傳輸速率高。2.2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信方案變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)

27、通信方案需要比較以上各種通信方式優(yōu)劣并且結合變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)實際通信要求來最終確定。Lonworks總線和Profibus總線涉及到網絡模型需要專門的開發(fā)工具和相應經驗豐富的開發(fā)人員，開發(fā)成本較高并且系統(tǒng)調試維護成本很復雜，開放性和可擴充性差也不在本系統(tǒng)考慮之列。CAN總線可以很好彌補這些缺點RS-485總線、CAN總線優(yōu)缺點，如下表2-2所示。表2-2 RS-485總線和CAN總線優(yōu)缺點比較特性RS-485CAN-bus成本低廉稍高總線利用率低高網絡特性單主節(jié)點單主節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸率低高容錯機制無可靠地錯誤處理和檢錯機制節(jié)點錯誤的影響導致整個網絡的癱瘓無任何影響通訊距離1.5Km可達10K

28、m網絡調試困難容易開發(fā)難度簡單需要一定的基礎技術通過上表比較可知RS-485總線變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中對可靠性、容錯能力要求使得CAN總線無疑是一種比較優(yōu)越的方案。3 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計變電站中的電氣設備種類繁多，如電容型電氣設備、氧化鋅避雷器、電力變壓器等系統(tǒng)的。變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的計劃主要包括：電容型設備監(jiān)測裝置、避雷器監(jiān)測裝置、電壓型數(shù)據(jù)采集裝置、鐵心電流監(jiān)測裝置、環(huán)境監(jiān)測裝置。因為各裝置實現(xiàn)原理是一樣的，均是經過信號調理、數(shù)字信號處理、現(xiàn)場通信三個環(huán)節(jié)的，各裝置主板硬件設計是大致相同的，所以可以設計出通用型硬件電路板，通過改變軟件部分來實現(xiàn)并且達到不同的功能。3.1 絕緣

29、在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足對變電站中不同種類電氣設備實現(xiàn)監(jiān)測。其系統(tǒng)主要由傳感器、絕緣在線監(jiān)測板卡、現(xiàn)場總線網絡、遠程監(jiān)控端組成系統(tǒng)總體架構如圖1-4所示。該系統(tǒng)中的各個部分具體功能介紹如下：（1）電容性電氣設備、變壓器、避雷器是變電站電氣設備的重要組成部分也是絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測的對象。（2）傳感器在變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中起著關鍵作用，其性能好壞直接影響到測量的精度和可靠性。傳感器采樣電氣設備的電壓電流信號轉換為系統(tǒng)可接受范圍的電壓電路信號并送入絕緣在線監(jiān)測板卡進行分析。（3）絕緣在線監(jiān)測板卡是系統(tǒng)的核心作為變電站電氣設備和現(xiàn)場總線之間的接口模塊板卡接受來自傳感器

30、的信號，經過信號調理放大后轉換為數(shù)字信號然后進行數(shù)字信號處理，將有效的絕緣參數(shù)數(shù)據(jù)通過板卡上的現(xiàn)場總線通信接口發(fā)送至遠程監(jiān)控端或工程師站。（4）擴展板卡的目的在于未來系統(tǒng)功能擴展。擴展板卡可以通過絕緣在線監(jiān)測板卡上外部擴展接口很方便與之進行通信，使系統(tǒng)功能具有很強擴展性。（5）現(xiàn)場總線是系統(tǒng)采用的現(xiàn)場通信方式。需要采用抗干擾性高、速度快的現(xiàn)場總線作絕緣參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪椋墙^緣在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場端與遠程監(jiān)控端之間的橋梁。圖3-1 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構 （6）絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)遠程監(jiān)控端硬件核心是總線適配卡，它能把系統(tǒng)現(xiàn)場各節(jié)點數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控端，同時又可以把遠程監(jiān)控端的命令和數(shù)據(jù)下傳到各

31、節(jié)點設備?？偩€適配卡可以直接購買成熟的產品也可以自己設計。我們選用采用了第二種方案。 （7）遠程監(jiān)控端-整個變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的大腦。它監(jiān)控著系統(tǒng)現(xiàn)場各節(jié)點設備的狀態(tài)，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析并且可以通過以太網接口實施專家遠程決策等，可以大大提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈活性。3.2 絕緣在線監(jiān)測板卡的總體方案設計絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)涉及到了信號采集、數(shù)字信號處理、現(xiàn)場總線通信等多方面知識，因此絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)單板電路也由信號采集調理電路、主處理芯片及其外圍電路、總線通信電路三部分組成。信號采集調理電路采集傳感器微弱信號經過濾波、放大、采樣后轉為控制器可識別的數(shù)字信號。主處理芯片把數(shù)字信號進行分析處理后提取有用

32、的信息經現(xiàn)場總線傳送至遠程監(jiān)控端或者工程師站，工程師站可瀏覽當前設備狀態(tài)，遠程監(jiān)控端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽分析及存儲。上一節(jié)分析了變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)整個組成結構，我們可以看出絕緣在線監(jiān)測板卡在整個系統(tǒng)中的地位十分重要，歸納總結出絕緣在線監(jiān)測板卡在系統(tǒng)中應具備以下功能。（1）絕緣在線監(jiān)測板卡是絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心，首要任務是接收來自傳感器的電壓電流信號并且對信號進行濾波、放大等操作。（2）絕緣在線監(jiān)測板卡同時需要對經過調理得到得模擬信號進行模數(shù)轉換轉換為CPU可以識別數(shù)字信號，同樣板卡上需要有精度較高的模數(shù)轉換電路來提高信號的采樣精度。（3）絕緣在線監(jiān)測板卡需要對轉換的數(shù)字信號進行FFT變換從而

33、提取有效的參數(shù)，另外還需要有通信接口。（4）絕緣在線監(jiān)測板卡需要控制板卡上各芯片可靠運行而且不沖突，可以通過地址分配來實現(xiàn)，同時各芯片還存在一些I/O開關量也需提供一套完整的I/O輸入輸出接口得解決方案。下面進行絕緣在線監(jiān)測板卡設計。CAN總線是作為目前應用中比較優(yōu)秀的一種總線方式且符合本系統(tǒng)的要求。絕緣在線監(jiān)測板卡實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理，希望有數(shù)據(jù)運算能力強大、速度快的CPU實現(xiàn)。DSP微處理器完全具有運算能力強、高速、高效的能力，它比起單片機來具有明顯的優(yōu)勢所以應用DSP器件作為絕緣在線監(jiān)測板卡的CPU。還有對于一般的系統(tǒng)處理器和外圍芯片的接口可以直接相連，實現(xiàn)不需要或者需要很少的邏輯電路進

34、行邏輯編碼譯碼處理。然而絕緣在線監(jiān)測板卡上DSP的外圍元器件種類繁多與DSP的接口比較復雜，其地址的分配要求合理，邏輯關系要求清晰，不僅要求實現(xiàn)基本的邏輯控制功能還需要實現(xiàn)板卡系統(tǒng)的地址分配等。如果只用DSP進行控制是根本不可能實現(xiàn)的。CPLD可以很好得解決這一問題作為外圍芯片與DSP器件的中介其豐富的邏輯單元和I/O口使得系統(tǒng)設計簡化。另外由于CPLD芯片是可編程的可以隨時修改程序而不需修改硬件，且靈活性比較強。綜合上面的分析絕緣在線監(jiān)測板卡的大體設計框架如圖3-2所示。圖3-2 絕緣在線測板卡的總體設計4 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)下位機的硬件設計由第二章的理論分析可知絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)測量信號屬于高

35、電壓、弱電流的性質而變電站工作環(huán)境惡劣，信號干擾大很難準確的測量這些信號以反映電氣設備真實絕緣情況。為保證測量真實性，系統(tǒng)下位機硬件電路具有監(jiān)測靈敏度高、溫漂低和抗干擾性好特點因此硬件電路的設計十分重要。本章將分別從傳感器的設計、信號調理電路、DSP及其外圍電路、CPLD電路、CAN總線通信電路、電源電路幾個方面來介紹各部分硬件工作原理及實現(xiàn)方式。有源傳感器是使用超微晶作鐵芯有源電子電路網絡與副邊繞組直接相連構成自適應動態(tài)調整回路，可以保持很高穩(wěn)定度而且測量精度也有較大幅度提高抗干擾能力很強。變電站中電氣設備一般為高壓設備，一般選用基于電磁耦合原理閉環(huán)穿心式小電流傳感器。由于電流傳感器本身輸出

36、、輸入信號間存在比值誤差及相角誤差，需要進行一定誤差補償。電流傳感器的設計不是本課題研究重點本課題沒有花太多精力在傳感器設計上而是結合以往現(xiàn)場使用的經驗直接采用特制電流傳感器它具有以下幾個優(yōu)點： （1）精度高且線性度好，能精確測得小電流信號； （2）采用了單匝穿芯式接線，不會對一次線路產生影響； （3）加入了放大電路，使互感器可以輸出較大電壓信號。4.1 信號調理電路的設計系統(tǒng)設計成在放大電路前端用模擬多路復用器來選擇不同放大倍數(shù)通道。部分電路電阻選用精度高、溫漂小精密電阻，運算放大器選用了Analog公司高精度、低溫漂的單運放OP27。一個時刻只能對一相設備進行測量，系統(tǒng)設計了三二通道，模擬

37、多路復用器74HC4503交替接通該相信號及基準信號。如若要對A相設備進行測量時先調節(jié)74HC4501，使放大電路有合適增益再切換74HC4503交替接通A相傳感器信號及基準信號進行測量。另外在運算放大器輸出端加入了鉗位電路，由背對背二極管1N4148分別接±5V。當輸出一旦超出±5V時，鉗位二極管導通將輸出拉回到±5V左右，這樣就可以不會超出模數(shù)轉換電路輸入范圍。低通濾波電路主要作用是抗混疊及作為模數(shù)轉換器（ADC，Analog-to-Digital Converter）緩沖。采用運算放大器為Analog公司四運放芯片OP282。濾波電路是二階巴特沃斯（Butt

38、erworth）低通濾波器（LPF，Low-passFilter）低通濾波電路電路原理圖見附錄所示。低通濾波器引起附加相位偏移設計時要盡量使附加相移小。由于現(xiàn)場的次信號波形較好低通濾波器可以選大一點截止頻率，來減小附加相移。利用Orcad軟件進行仿真可以得到電路參數(shù)仿真出幅頻特性曲線如圖4-1所示。圖4-1 低通濾波電路的幅頻特性曲線經過調理放大模擬信號要經過模數(shù)轉換器轉換成為DSP可以識別的數(shù)字信號。基本要求如下： （1）對A、B、C三相傳感器的信號進行采樣模數(shù)轉換器需至少3路轉換通道； （2）采樣信號為小信號模數(shù)轉換器要有不低于12bit采樣分辨率； （3）采樣速度至少12800（50&#

39、215;256）Hz模數(shù)轉換器需有不低于20 kSPS轉換速度； （4）采樣信號為交流信號，模數(shù)轉換器需要有雙電源供電； （5）采集數(shù)據(jù)量較大模數(shù)轉換器需有高速數(shù)據(jù)傳輸接口。最終確定為Analog公司AD7656，其主要參數(shù)如下：·六個獨立轉換通道；·16-bit逐次逼近型ADC；·電源±10 V或±5 V可選（外部管腳或內部編程配置）；·最高采樣速率為250 kSPS；·5V電源250 kSPS采樣時功耗低至140 mW；·寬帶寬輸入：輸入頻率為50kHz時信噪比(SNR，Signal Noise Ratio）為

40、85dB；·片上有2.5V基準電壓源及基準緩沖器；·并行、串行(菊花鏈接口模式可選）；·與SPI/QSPI/Wire/DSP兼容的高速串行接口；·采用iCMOS工藝技術；·64引腳QFP。由以上可見AD7656完全滿足本系統(tǒng)中模數(shù)轉換器的要求。4.2 DSP及其外圍電路設計DSP是整個系統(tǒng)控制算法核心元件。本課題仍選用了TI公司DSP芯片。目前TI公司DSP芯片幾個主流系列：2000系列主要側重于控制優(yōu)化多應用于工業(yè)控制及電機控制方面；5000系列主要側重于功耗降低多應用于音頻處理及其他便攜式產品當中；6000系列主要側重于性能提高多應用于高性

41、能音頻和視頻/成像等。根據(jù)系統(tǒng)要芯片選型本課題對DSP性能要求如下： （1）涉及到了大量實時算法具有一定處理速度； （2）需要采樣定時及通信定時要求兩個以上定時器； （3）寬度合適地址、數(shù)據(jù)、IO總線接口； （4）具有便于系統(tǒng)功能擴展通信接口。結合以上要求綜合用接口、性價比及開發(fā)難易度等幾方面來考慮選擇了5000系列的DSPTMS320VC5402。TMS320VC5402的外圍電路設計： （1）電源輸入電路TMS320VC5402采用雙電源（1.8V和3.3V）其中I/O采用3.3V電源供電芯片核采用1.8V電源供電一般電源芯片無法滿足這樣雙電壓輸出要求。在有一定安全措施保障前提下，允許兩個

42、電源同時加電，兩個電源都必須要在25 ms內達到規(guī)定電平95。 （2）DSP的時鐘輸入TMS320VC5402的時鐘輸入可以采用有源晶振無源晶振兩種方式。相比無源晶振有源晶振更加可靠和穩(wěn)定，并且不需要額外添加晶振電容，本系統(tǒng)選擇了頻率為10MHz的3.3V有源晶振，為DSP提供可靠時鐘輸入經內部PLL電路5倍頻后為50MHz。有源晶振時鐘端連至DSPXTAL2DSP的XTAL1懸空。 （3）DSP調試接口的設計標準JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出線。本系統(tǒng)JTAG接口電路如圖4-2所示其中EMU0及EMU1引腳分別接仿真器第0、1引腳。

43、圖4-2 JTAG接口電路 （4）存儲器擴展電路 TMS320VC5402內部有16K DARAM由于程序調試需要更大的SRAM空間所以本系統(tǒng)需通過外部總線擴展了64K SRAM。另外由于TMS320VC5402片上沒有FLASH調試結束后不方便進行程序燒寫及以后系統(tǒng)的升級，因此還需要外部總線擴展一定大小FLASH。設計中SRAM采用了ISSI公司IS61LV6416芯片。該芯片為16Megabit（64K×16 Bit）高速CMOS SRAM存取時間為8ns左右3.3V供電兼容TTL電平。FLASH采用的是SST公司SST39VF400芯片。該芯片為4Megabit（256K

44、15;16Bit）FLASH存取時間7090ns左右3.3V供電。其擦寫壽命100000次數(shù)據(jù)保存期限10年。存儲器電路均為3.3V供電可以很方便與DSP相連而中間不需要再加電平轉換電路。通過TMS320VC5402外部總線接口來擴展存儲器。如圖4-3所示。圖4-3 TMS320VC5402的RAM/FLASH擴展 （5）主機接口電路主機接口HPI可以很方便實現(xiàn)板卡與其他板卡通信包括實時交換DSP內部數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的升級擴展提供了很大便利。主機接口HPI是5000系列定點芯片內部具有一種接口部件主要用于DSP與其它總線或者CPU進行連接。TMS320VC5402提供了增強型8位HPI接口由一個8位

45、數(shù)據(jù)總線及用于設置及控制接口的控制信號線組成HPI接口通過HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID、HPI內存塊實現(xiàn)與主機之間通信。HPI是8位數(shù)據(jù)總線接口由于TMS320VC5402是16位所以與主機通信數(shù)據(jù)都是由兩個連續(xù)字節(jié)組成，由HBIL引腳指示正在傳輸是第一個還是第二個字節(jié)。主機使用HCNTL0/1指定所訪問是HPI控制寄存器HPIC或者HPI數(shù)據(jù)寄存器HPID或者HPI地址寄存器HPIA也可以用地址自動增加方式訪問數(shù)據(jù)寄存器HPID具體方式如表4-1所示。表4-1 主機控制信號定義HCNT0HCNT1說明00主機可以讀寫HPI的控制寄存器HPIC01主機可以讀

46、寫HPI的控制寄存器HPID，每次讀后HPIA加1，每次寫前加110主機可以讀寫HPI地址寄存器HPIA11主機可以讀寫HPI數(shù)據(jù)寄存器HPID，對HPI口的操作，HPIA不受影響 （6）DSP監(jiān)控電路本系統(tǒng)采用了Intersil公司CPU監(jiān)控芯片X5163。X5163是一片帶16Kb SPI EEPROMCPU監(jiān)控器具有如下特點：·可選擇看門狗定時器；·低VCC檢測并產生復位信號；·16Kb EEPROM；·2MHz SPI接口方式。系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣很容易出現(xiàn)受干擾導致程序跑飛等情況，因此必須為系統(tǒng)運行加設看門狗電路X5163同樣集成了看門狗定時器功能

47、。程序設計時DSP在運行每隔一定時間觸發(fā)CS/WDI引腳“喂狗”，一旦出現(xiàn)程序跑飛等異常情況X5163觸發(fā)RESET信號。4.3 CPLD的電路設計及功能分析CPLD選型時主要需要考慮其內部邏輯單元個數(shù)I/O管腳等參數(shù)。基于對Altera產品熟悉程度和性價比等選用Altera公司MAX7000S系列EPM7128S芯片。EPM7128S所實現(xiàn)硬件原理框圖如圖4-4所示。圖4-4 EPM7128S 的接口原理圖本系統(tǒng)中用到CAN總線控制器時5V電平接口其CS、RD、WR，由于是通過CPLD譯碼產生，因此可以直接驅動，但其地址/數(shù)據(jù)復用線不能和DSP直接連接中間，必須采用電平轉換芯片在隨后的CAN

48、總線。下面對以上實現(xiàn)功能進行進一步分析闡述其硬件設計實現(xiàn)原理。 （1）與DSP接口硬件設計EPM7128S主要實現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)存儲空間、程序存儲空間和、IO空間的地址分配。EPM7128S與DSP接口硬件接口圖如圖4-5所示。圖4-5 EPM7128S與DSP的硬件接口圖 （2）與信號調理電路接口的硬件設計EPM7128S與信號調理電路接口硬件接口圖如圖4-6所示。圖4-6 EPM7128S與信號調理電路接口的硬件接口圖 （3）與CAN總線控制器接口的硬件設計EPM7128S主要實現(xiàn)CAN控制器選通、讀寫信號的輸出等。EPM7128S與CAN總線控制器硬件接口圖如圖4-7所示。圖4-7 EPM7

49、128S與CAN總線控制器的硬件接口圖4.4 CAN總線通信的電路設計目前設計中使用最為普遍是Philips提供獨立CAN總線控制器SJA1000。CAN總線控制器SJA1000主要由由以下幾部分構成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器能夠存儲1個完整報文（擴展的或標準的）；驗收濾波器；接收FIFO（First In First Out）；CAN核心模塊。 本系統(tǒng)以SJA1000為基礎設計CAN總線通信電路。由于SJA1000輸入輸出電平信號為5V但是輸入管腳可以3.3V驅動，因此選通、讀寫等管腳均由CPLD直接引出驅動。由于暫不清楚現(xiàn)場中的通信效果如何，考慮可能需要進行阻抗匹配不合適電阻會使數(shù)據(jù)通信抗

50、干擾性以及可靠性大大降低，為此PCA82C250輸出增加了跳線使用匹配電阻匹配電阻阻值為120歐。4.5 電源電路設計本系統(tǒng)涉及多種不同電平電壓主要分為：1.模擬部分 （1）運算放大器OP27、電壓比較器LM311、模數(shù)轉換器AD7656以及其他外圍芯片+12V供電電源； （2）運算放大器OP27、電壓比較器LM311、模數(shù)轉換器AD7656以及其他外圍芯片12V供電電源； （3）模擬多路復用器74HC4051、模擬多路復用器74HC4053、運算放大器OP282、模數(shù)轉換器AD7656以及其他外圍芯片的+5V供電電源； （4）模擬多路復用器74HC4051、模擬多路復用器74HC4053、運

51、算放大器OP282以及其他外圍芯片5V供電電源。2.數(shù)字部分 （1）DSP TMS320VC5402（內核）+1.8V供電電源； （2）DSP TMS320VC5402（I/O）、模數(shù)轉換器AD7656以及其他外圍芯片+3.3V供電電源； （3）CPLD EPM7128S、CAN總線控制器芯片SJA1000及其他外圍芯片+5V供電電源。本系統(tǒng)共涉及到了+12V、12V、+5V（模擬）、5V、+1.8V、+3.3V、+5V（數(shù)字）等。一般而言說目前系統(tǒng)中電源設計通常可以有三種途徑這兩種途徑應用于不同范圍有各自優(yōu)缺點。 （1）線性穩(wěn)壓芯片目前系統(tǒng)中低壓且對效率不十分敏感電源設計，一般采用線性穩(wěn)壓芯

52、片線性穩(wěn)壓芯片突出優(yōu)點在于噪聲低、體積小、成本低、靜態(tài)電流小。針對這類要求低壓差電源需求許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO，Low Dropout Voltage Regulator）。 （2）開關電源大電流高功率設計建議直接采用AC/DC開關電源；低電壓輸出電源設計可以考慮使用DC/DC芯片加外圍電路構成。 （3）直接采用電源模塊表4-1 三種電源方案的比較低壓差線性穩(wěn)壓器開關電源電源模塊優(yōu)點所需外部元件數(shù)量少，使用方便，成本低，所需電路板空間小，紋波小，無電磁干擾效率高，輸入電壓范圍較寬，價格比電源模塊便宜很多效率高，輸入電壓范圍較寬，輸出功率大，使用方便，電磁干擾小缺點效率很

53、低，功耗較大設計較復雜，有電磁干擾，需要一定的設計能力價格昂貴三種方案優(yōu)缺點比較還有根據(jù)設計成本、功率及實現(xiàn)難易程度上考慮最終確定Cosel公司PMC100E-1型AC-DC開關電源為系統(tǒng)的總±12V電源輸入其輸出共三路：+5V/13.0A+12V/2.0A12V/1.0A。選擇線性穩(wěn)壓芯片對±12V逐步降壓提供±5V、3.3V、1.8V電壓。絕緣在線監(jiān)測板卡上集成了信號調理電路、DSP及其外圍電路、CPLD電路、CAN總線通信電路、板卡電源電路、外部接口六大功能。5 絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計5.1 CPLD的軟件設計Max+plus II是Altera公司的早期產品在較老一些產品設計中有廣泛的應用。最新推出的Quartus II軟件屬于第四代PLD（Programmable Logic Device）開發(fā)平臺。相比較MAX+PLUS II軟件而言Quartus II軟件比MAX+PLUS II更加可靠用戶界面更加友好且有更好性能表現(xiàn)更多功能如下所示： （1）支持更多器件。 （2）更大性能提升。改進了性能、提升了功能性、解決了潛在設計延遲等。 （3）采用快速適配選項縮短編譯時間。Quartus II軟件