1、華北電力大學(保定碩士學位論文基于虛擬儀器的變壓器局部放電在線監測系統的研究姓名:覃華申請學位級別:碩士專業:高電壓與絕緣技術指導教師:律方成20041231華北電力人學碩十學位論文摘要摘要本文在分析國內外變壓器局部放電監測技術發展的基礎上,在電流傳感器、DSP 及CAN通信接口卡等硬件配合下,以圖形化編程語言LabVIEW為核心,開發并完成了一套基于虛擬儀器的變壓器局部放電在線監測系統。該系統采用了一套采樣速率可達20MHz的高速數據采集系統,并采用抗干擾性強、傳輸速率高的CAN總線進行上下位機通信,同時該系統的上位機軟件可實現在線監測數據的軟件濾波處理、數據庫的信息查詢、數據的分析顯示和監

2、測信息的網絡發布功能。經實驗室試驗研究表明,該系統能夠達到設計要求并具有一定的現場應用前景。關鍵詞:變壓器,局部放電,在線監測,虛擬儀器,CAN總線ABSTRACTBased on analyzing the development of on-line monitoring partial discharge technology in power transformers and cooperated with the current sensor,DSP and the communication interface card of CAN,this paper used the gra

3、phical programming language LabVIEW to develop an online monitoring partial discharge system based on the virtual instruments.The system used a highspeed data acquisition unit7hich frequency sampling reach to20MHz,and used a CAN bus with strong anti-interference and high transmission speed rate to c

4、ommunicate up-side machine and down-side machine.At the same time,the software of the up-side machine can realize several functions such as filtering the0n-line monitoring data with anti-interference software, querying database information,analyzing and displaying data and issuing online monitoring

5、information through WEB.The experiment in the laboratory showed that the system can reach the requirement and has a potential applying prospect.Qin Hua(High Voltage and Insulation TechnologyDirected by prof.Lu FangchengKEY WORDS:power transformer,partial discharge,on-line monitoring,virtual instrume

6、nt,CAN bus聲明本人鄭重聲明:此處所提交的碩士學位論文基于虛擬儀器的變壓器局部放電在線監測系統的研究,是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間,在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果。據本人所知,除了文中特別加以標注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得華北電力大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名:塞:堂日期:齜壁!/關于學位論文使用授權的說明本人完全了解華北電力大學有關保留、使用學位論文的規定,即:學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件與

7、復印件;學校可以采用影印、縮印或其它復制手段復制并保存學位論文:學校可允許學位論文被查閱或借閱;學校可以學術交流為目的,復制贈送和交換學位論文;同意學校可以用不同方式在不同媒體上發表、傳播學位論文的全部或部分內容。(涉密的學位論文在解密后遵守此規定作者簽名:蔓堡導師簽名日期:巡.盆。址日期:迎:!:!f 蔓虧一率蘭!生塑查堂堡主竺堡絲莖第一章緒論1.1變壓器局部放電在線監測的目的和意義電力變壓器是電力系統中的重要電力設備之,必須保證其安全可靠地運行,一旦發生故障,給工業生產帶來的直接和間接損失極其嚴重。目前500kV變壓器的單臺容量己達l500MYA,一臺國產500kV、360MVA的三相變壓

8、器的價格為1000萬元左右。另據國外文獻報道,核電機組的日停運損失可超過25萬美元,如果事故大修期間以兩個月計,則損失至少為1500萬美元。因此,保證大型電力變壓器的安全運行具有極其重要的意義。電力變壓器的運行可靠性很大程度上取決于其絕緣的可靠性。根據電科院對全國110kV及以上電壓等級的變壓器事故統計,絕緣事故占絕大多數。變壓器的內絕緣結構目前主要采用油紙絕緣,在工作電壓下的局部放電是使油紙絕緣老化并發展到擊穿的重要因素。絕緣缺陷或是在安裝中潛伏下的,或是在運行中生長和發展起來的,如雷電沖擊或操作沖擊引發內部絕緣弱點產生局部放電,在運行電壓下不斷發展,導致故障121。當然,為了預先發現變壓器

9、內絕緣存在的隱患,長期以來,電力行業采用定期大小修和絕緣預防性試驗制度,的確也發現了許多缺陷,減少了事故的發生,對于保證電力系統的安全運行起到了一定的作用,但同時也存在一些不足:1.不方便,需要停電測試;2.不可靠,兩次預防性試驗之間的間隔時間較長,對于突發性絕緣事故難以發現:3.不等效,在單相試驗電壓下進行的試驗不能與在線情況完全等效; 4,不經濟,需要專用大型高壓試驗設備,測試系統結構復雜,造價高【3】。近年來,國內外的科技工作者和有關部門紛紛致力于變壓器的在線監測和狀態維修,也即通過各種監測手段來正確地判斷變壓器目前的狀況,又根據其本身特點及變化趨勢等來確定變壓器能否繼續運行,因此在線監

10、測能有效地減少維修和試驗的盲目性。通過對局部放電過程中局部放電特征參量的分析和異常征兆的提前發現,能夠較準確地評定絕緣的老化程度,從而有的放矢地在變壓器出現故障前兆時進行維護或更換,不僅有效地提高了供電的可靠性,還降低了電力系統的運行費用。據日本有關資料報道:由于設備在線監測技術的應用,使每年維修費用減少2550%,故障停電時間減少75%【al。因此研制低成本、高穩定性和高可靠性的變壓器局部放電在線監測系統是非常必要的。1.2變壓器局部放電在線監測國內外的研究現狀華北電力人學碩十學位論文在國外,50年代以來就相繼展_丁i:了局部放電的研究,丌發了許多變壓器局部放電在線監測裝置,并取得了一定的成

11、效。日本最早于1983年研制了一套變壓器局部放電在線監測系統,用于監測東京電力公司的一臺變壓器壚J。加拿大魁北克省水電局(IREQ于1986年研制了高壓絕緣自動監測儀(AIM【6j,對735kV單相電力變壓器進行在線診斷。該自動監測儀可同時監測變壓器油中氣體組分和線路過電壓,采用微機控制和數據處理,當絕緣發生劣化時發出警報。1996年德國研制的局放監測系統中【7】,利用外接電容器與高壓套管電容構成電容分壓器,經高通濾波器抑制工頻及其諧波后得到局放的電容性信號,空心羅氏線圈套在套管底座處測量局放的電感性信號,兩路信號進行軟件濾波,消除窄帶干擾、周期型脈沖和隨機型脈沖干擾。在國內,也有多家單位研制

12、出變壓器局部放電在線監測系統。90年代初,清華大學電機系研制出在線監測變壓器局部放電的微機系統【8】。被檢測的局部放電脈沖電流信號和聲發射信號以頻分復用方式通過一根光纖傳送至數據采集電路,并由微機來存儲和處理。該系統可以進行離線和在線的局部放電檢測、放電量在線標定、鑒別電磁干擾、分析放電的統計特性和局部放電源定位等。東北電科院研制的監測系統利用高頻電流互感器分別從外殼接地線和末屏接地線上耦臺信號,通過選頻濾波抑制窄帶干擾,脈沖型干擾利用脈沖極性鑒別裝置消除,能夠在106pc的外部干擾下測出3000pc的變壓器內部放電量19j。武高所研制的監測系統采用帶寬10-1000kHz的帶寬電流傳感器從套

13、管末屏、中性點及鐵心等接地線處耦合脈沖信號,組成“平衡對”消除干擾,同時獲得局放脈沖幅值及脈沖個數。該監測系統還可以利用變壓器繞組在特定頻率范圍內的等值電路的特點得到繞組內部產生局放時首末端電壓(或電流的比值與放電點位置的關系,進行放電點定位【】。2000年左右,西安交通大學和重慶大學也相續研制出自己的變壓器局部放電在線監測系統,并己投入現場運行。雖然國內外對變壓器局部放電在線監測的研究有了很大的發展,但是也存在許多問題還沒有徹底解決,如檢測的局部放電中各種信號參量與變壓器本身絕緣特性降低老化程度的關系問題、外部噪聲和電磁干擾的抑制問題、同時存在多點放電的區分和診斷問題以及局部放電信號從放電源

14、NV,4量端子(或傳感器的傳播過程中的信號失真問題等等。因此,人們需要針對這些問題進一步對變壓器局部放電在線監測進行研究,從而開發出較為適合現場需要的變壓器局部放電在線監測系統,推動電力事業的快速發展。1.3虛擬儀器技術1,31虛擬儀器的產生及概念電測儀表發展至今,大體上經歷了指針式儀表、數字式儀表和微機化儀表三代。隨著計算機技術的發展,使得現代儀器技術與計算機技術相有機地結合起來,從而產生功能強大、多變的虛擬儀器。虛擬儀器是由計算機資源(CPU、存儲器、顯示器等和通用儀器硬件(A/D、D/A變換器、數字輸入輸出、定時和信號處理器等與用于數據分析、過程通訊及用戶圖形界面的軟件有效地結合起來而組

15、成的儀器操作平臺【2J。虛擬儀器結構圖如圖1.1所示。數據采集和控制數據分析數據表達數據采集卡CPIB儀器PXI儀器RS一232儀器網絡硬拷貝輸出文件I/o圖形用戶接口圖1.1虛擬儀器結構圖虛擬儀器與傳統儀器相比,具有如下優點:1.性價比高。虛擬儀器的價格一般是同類功能的傳統儀器的I/5一l/10,而且可以重復利用,技術更新快(一般為12年。2.開放系統a用戶可根據需要組成儀器或系統,甚至不用更改任何硬件,只需應用相應的軟件模塊即可構成新的虛擬儀器。這樣一改傳統儀器的各項功能由廠商定義的局限性,因此用戶具有更大的靈活性。3.智能化高。計算機強大的分析、計算和邏輯判斷能力,可以在其上建立一套智能

16、專家系統,對于數據則可以編輯、存儲、打印,在完善的數據庫基礎上,ktiN以實現數據的檢索與分析。4.界面友好,使用簡便。在基于視窗技術的虛擬儀器面板上,用戶通過鼠標即可完成所有功能,人機界面十分友好。測量結果可通過顯示器直觀地顯示出來。5.具備網絡功能。虛擬儀器是面向應用的系統結構,可方便地與網絡、外設以及其它應用相聯系。6.誤差的減小。在虛擬儀器的測量過程中,減少了硬件的使用,因而減小了誤差。正是因為虛擬儀器具有的以上特點,使其在工程實際中得到越來越廣泛的應用。國際上,虛擬儀器早已步入實用階段,我國虛擬儀器的應用剛剛起步,但發展迅速,具有良好的發展前景。1.3.2采用LabVIEW開發虛擬儀

17、器目前在我國應用的虛擬儀器開發平臺主要有美國NI公司的LabVIEW及其相應組件和Agilent公司的HP.VEE,其中NI的LabVIEW系列產品在我國使用比較廣泛。LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發工具,它適用于多種操作系統,用LabVIEW設計的虛擬儀器程序可以脫離LabVIEW開發環境,最終用戶看見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。LabVIEW為虛擬儀器設計者提供了便捷、輕松的設計環境,設計者可利用它方便快捷的建立自己的虛擬儀器程序而無需復雜的程序代碼的編寫舊”1。采用LabVIEW開發虛擬儀器時,程序包括以下幾個部分21(如圖1.2所示:圖1.2LabVIE

18、W平臺編程結構用戶界面:在利用LabVIEW編程時,編程的面板被稱為虛擬儀器的后面板,當在后面板上用圖標和連線編寫程序時,虛擬儀器的用戶界面同時在另一個面板上生成,這一面板被稱為前面板。通過用戶界面,使用者就可以方便地操作虛擬儀器,而不管這臺虛擬儀器的內部程序是如何實現的。數據采集:虛擬儀器數據的來源可以是外部獨立的儀器或即插即用的數據采集卡。LabVIEW在數據采集方面提供了控制GPIB、RS一232、VIX以及NI公司生產的各種數據采集卡的函數。但是有時LabVIEW不能調用一些數據采集卡或通信卡的函數,這只能使用一些高級語言(如C+Builder、Visual c+等對這些數據采集卡或通

19、信卡的函數進行封裝之后才能調用。硬件驅動:用軟件控制硬件必須有相應的硬件驅動程序。數據分析:完成數據采集后,通常還需要對數據進行分析和處理。常包括數據的信號處理、統計、曲線擬合等。程序控制:程序控制使數據采集、數據分析與用戶界面保持致。程序執行流程的控制邏輯與用戶定義的功能函數。1.4本論文研究的目的和任務數據分析通它包括管理在變壓器局部放電在線監測中,局部放電信號的正確采集以及現場監測時的抗干擾是變壓器局部放電在線監測成功與否的關鍵。本課題組已經完成了電流傳感器和高速數據采集單元的設計和開發,為了在變壓器局部放電在線監測中應用虛擬儀器技術,并進一步提高對變壓器局部放電在線監測的可靠性和穩定性

20、,本論文需要完成以下工作。1.編程實現基于CAN總線的上下位機通信,使上位機能夠控制下位機的運行并能接收到下位機采集的局部放電在線監測數據,為上位機進行軟件濾波、數據存儲和查詢、軟件分析以及監測信息的網絡發布提供前提和基礎。2針對現場的各種不同的干擾,研究采用不同的抗干擾方法進行抑制并開發一套基于虛擬儀器的變壓器局部放電在線監測抗干擾軟件包,該抗干擾軟件包具有較強的抗干擾能力并通過仿真和實驗驗證。3.建立局部放電在線監測實時數據庫,實現基于LabVIEW的數據庫數據存儲、查詢功能并采用LabVIEW開發一套變壓器局部放電分析軟件,最后采用ASP技術實現局部放電在線監測信息的網絡發布.便于進行遠

21、程數據查詢和分析。第二章系統硬件構成及工作原理變壓器局部放電在線監測系統應滿足以下功能:(1監測系統的投入和使用應不改變、不影響變壓器的正常運行;(2能夠連續監測、記錄和處理數據,及時報警和故障診斷;(3具有良好的抗干擾能力和合理的監測靈敏度;(4系統本身可靠性高,易于維護,適于室外長期運行。基于以上考慮并結合現場的實際情況,本課題組已經根據“快采慢讀”和“總線隔離”方式設計出了一套高速局部放電在線監測數據采集系統,該系統可以實現四路信號的同步采集,最高采樣速率可以達到20MHz,每通道的最大的存儲容量為512K 字,同時其采樣速率和存儲深度都可以進行程控調節,上下位機的CAN總線通信網絡的最

22、高傳輸速率可以達到1Mbps。變壓器局部放電在線監測系統的硬件總體結構框圖如圖2.1所示,主要由傳感器、信號調理電路、高速AID、大容量數據存儲器、DSP、地址發生器、CAN通信網絡以及上位機構成。一一圖2.1變壓器局部放電在線監測系統的硬件總體結構框圖在圖21中,變壓器的局放信號經傳感器耦合后送入信號預處理單元進行信號的放大和濾波,經A/D轉換后存入到外部的隨機存儲器中,在采集的過程中DSP 并不直接干預信號的采集,而是由本文所設計的電路產生合適的時序將A/D轉換完畢的信號依次存入到RAM的相應的存儲單元中,采集完畢后,DSP將采集到的信息經CAN通信網絡上傳到上位工控機,上位機對采集到的數

23、據進行一系列的處理,如濾波處理、數據保存和分析等,并利用局域網將監測信息進行網絡發布。2.1電流傳感器變壓器中發生局部放電時,在其接地引線中會有放電脈沖電流流過,利用高頻電流傳感器監測此放電脈沖,具有接線簡單,監測回路與高壓回路隔離的優點,因此安全可靠。本文的高頻電流傳感器由羅哥夫斯基線圈構成,分別安裝在變壓器的三相套管末屏接地線和中性點接地線上,該電流傳感器的原理圖如圖2.2所示。胡卜,畫圖22電流傳感器的原理圖該羅哥夫斯基線圈采用了磁導率高,高頻性能好的鐵氧體作為磁芯材料,磁芯式局部放電脈沖電流傳感器的傳輸特性主要由以下三個方面確定:磁芯的特征參數(包括其磁導率“,截面積S以及磁路的長度L

24、,線圈的匝數N和積分電阻R。通過理論分析和實際測量可知,當鐵芯的相對磁導率為2000,線圈匝數為57匝,積分電阻R為330Q時,該傳感器的下限截止頻率為10kHz,上限截止頻率為10MHz 在通帶內幅頻響應特性曲線平坦,可以滿足本在線檢測系統的要求。2.2模擬信號預處理單元從電流傳感器輸出的局部放電信號往往十分微弱,必須對其進行預處理后才能送入高速數據采集單元進行模數轉換。本文中采用的信號預處理單元主要完成兩方面的工作,一方面完成信號的放大,使信號的幅值滿足A/D的要求;另一方面對信號的頻帶加以限制,其目的是抑制高頻干擾和抗頻域混疊【4】。實際的模擬信號預處理單元共有四路信號預處理電路,在圖2

25、.3中僅給出了其中一路的結構框圖:l l i7變l、傳l ra定l壓F2習感=剖增益爿程控l、放大器廣1l器器I放大,I器:II I f圖2.3模擬預處理單元的結構框圖出于局部放電信號是一種持續時間很短(ns級的脈沖型信號,包含了特別豐富的高頻分量,這就要求放大和濾波電路的帶寬較寬。放大電路中的運算放大器采用了AD844,該芯片屬于寬帶、高速、低噪聲芯片,信號經三級放大,其中第一級的放大倍數固定為10倍,第二級的放大倍數也為10倍,但可以由程序控制是否將垓電路接入電路中,第三級利用了多路模擬-丌關,可實現8檔程控放大,整個放大電路的帶寬可以達到5MHz左右。濾波器采用了貝塞爾型有源帶通濾波器,

26、該濾波器縣有沖激響上升沿陡,幅度大,持續時間短,尾部無振蕩等優點該濾波器有著良好的瞬態響應特性,特別適合于對局部放電這種脈沖型信號的濾波。為了適應現場干擾的不同,以得到最佳的信噪比,本文所采用的濾波器的帶寬也可以進行程控選擇,帶寬分別為:10k.500kHz、10k一1MHz、10k-2.5MHz,由于這些濾波器都屬于寬帶型的濾波器,所以該帶通濾波器采用了低通濾波器和高通濾波器級連的方式來構成。該有源濾波器的硬件電路由運算放大器AD844和外圍的電阻電容等元件構成,高通濾波器的階數為三階,低通濾波器的階數為五階。信號預處理單元中放大電路的放大倍數和濾波器的帶寬選擇通過硬件和DSP 的有關I/O

27、相連,并可以通過上位機在虛擬儀器的采集控制面板中進行設定,以得到合適的放大倍數和帶寬。2.3數據采集與控制電路微處理器是本數據采集系統中的核心部分,數據的采集和控制都要在它的協調下完成,在分析比較了多種型號的微處理器之后,本文采用了TI公司生產的DSP(Digital Signal Processor芯片TMs320LF2407A,該芯片將實時處理能力和控制器的外設集于一身,為控制系統的應用提供了一個理想的解決方案。該芯片具有40MIPS的指令執行速度,40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳(GPIO,通過這些I/O口可以方便的設置采樣速率,采樣深度,地址發生器的清理等操作。同時該芯片還集成

28、了CAN(ControllerAreaNetwork總線控制器模塊,因此簡化了CAN通信的外圍電路的設計。由于A/D的采樣速率很高,受DSP指令執行時間的限制,本系統采用了“快采慢讀”和“總線隔離”的方式來實現局部放電信號的高速連續采集。其基本工作原理如下:系統上電后,TMS320LF2407首先完成自的初始化,如配置RAM塊,中斷以及I/0口的模式等,并完成外圍器件的初始化,如采樣速率,采樣數據深度以及選擇合適帶寬的濾波器,并完成地址發生器的清零,使DSP的地址總線、數據總線等和存儲器隔離,使A/D的數據總線,地址發生器的地址總線和存儲器相連,開始數據采集后,A/D在地址發生器和相應的時序電

29、路的控制下直接將轉換結果存入相應的存儲之中,當數據采集量達到預先指定的存儲深度后,停止A/D轉換并通知DSP將相應的通道的數據經CAN總線傳輸到上位機,以作進一步的分析。2.4CAN總線通信下位機接口電路上下位機之間的通信采用了CAN總線【151,CAN總線屬于現場總線中的種,是一種支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡,通信介質可以是雙絞線、同軸電纜和光纖,通信速率最大可達1Mbps(此時距離最長為40m,通信距離可達10Kin (速率5kb/s以下,節點數可達110個。CAN協議的最大特點是廢除了傳統的地址編碼,代之以對通信數據塊進行編碼,數據塊的標示符可以為ll位(CAN2.0A或29位

30、(CAN2.0B二進制數來表示,因此可以定義2”或229個不同的數據塊,這種按數據塊編碼的方式還可以使不同的節點同時收到相同的數據,這在分布式控制領域很有用。CAN總線還具有較強的糾錯能力,支持差分收發,因而適合高干擾環境,并具有較遠的傳輸距離。基于以上優點,CAN總線備受工業界的重視,并已公認為最有前途的現場總線之一。TMS320LF2407A自帶了一個完全的CAN總線控制器,方便了下位機硬件電路的設計,該控制器是一個16位的外設模塊,具有如下特性:完全支持CAN2.0協議;對象有6個郵箱(2個接收郵箱MBOXI、2,2個發送郵箱MBOX4、5,2個可配制為接收或發送郵箱MBOX2、3,其數

31、據長度為O8個字節:對郵箱0、1和2、3有局域接收屏蔽寄存器(LAMn:可編程的位定時器:中斷配制可編程;可編程的CAN總線喚醒功能:自動回復遠程請求:當發送時出現錯誤仲裁丟失數據,CAN 控制器有自動重發送功能:總線錯誤診斷功能;自測試模式。下位機的CAN控制器和物理總線間的接口選用了PHILIPS公司的82C250芯片,該芯片提供對總線的差動發送和接收能力,其下位機的CAN總線的通信接口的電路原理框圖如圖2.4所示。圖24下位機CAN總線通信接口電路原理框圖在圖中CANRX和CANTX分別為DSP的CAN接口的接收和發送引腳,RXD和TXD為82C250的接收數據輸出和接收數據輸入引腳;C

32、ANL、CANH分別為低電平和高電平CAN電壓輸入/輸出引腳,這兩個引腳經一個小電阻后和CAN總線相連。為了提高通信接口部分的抗干擾和安全性,還采取了如下的一些措施:在CAN 接收器件與TMS320LF2407A之間,對輸入到TMS320LF2407的信號采用了雙非門SN74HCl4串連電路來提高系統的抗干擾能力,也可以在收發器PCA82C250前增加由高速光耦6N137芯片或者HCPL一2630芯片構成的隔離電路:82C250的CANL和CANH引腳分別經一個5n左右的電阻與總線相連D6,該電阻可以起到一定的限流作用,保護82C250免受過電流的沖擊;CANL和CANH與地之間各自并接了30

33、pF 左右的電容,可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的功能;另外在兩根CAN總線的接入端和地之間分別反接了一個二級管,當CAN總線上有較高的負電壓時,二級管的導通可以起到一定的過電壓的保護作用。2.5CAN總線通信上位機接口卡簡介本文CAN總線通信上位機接口卡采用了PCI.7841,用于和下位機之間的通信,使用時需要將其插入到計算機的PCI插槽中,并安裝驅動程序。該卡支持兩個端口獨立操作CAN網絡或橋接。其內置的CAN控制器是SJAl000,它提供總線仲裁和錯誤檢測功能,并且能夠在檢測到錯誤時自動更正并重新發送。它具有如下特征:1.同時操作兩個獨立的CAN網絡;2.支持橋接功能;3

34、.可編程傳輸速率可高達1Mbps;4.16MHz CAN總線控制器主頻;5.2500Vrms隔離保護;6.通過直接內存映射能夠快速訪問CAN總線控制;7.面向DeviceNet、CANopen與SDS的強大的主控接口:8.PCI總線即插即用;9.包括DOS庫與Windows動態鏈接庫(95、NT軟件功能有:1.雙端口配置:2.指令發送;3.狀態/數據讀取;4,總線監控;5.分析/掃描。軟件支持有:DOS、Windows95/98、WindowsNT、Windows2000、Windows XP、DeviceNet驅動,軟件開發語言可用C+、Visual C+、Visual Basic、Delp

35、hi等。2.6本章小節本章介紹了該變壓器局部放電在線監測系統的硬件構成及工作原理。該系統的高頻電流傳感器采用羅哥夫斯基線圈,其下限截止頻率為10kHz,上限截止頻率為l0MHz:放大電路中的運算放大器采用了AD844,濾波器采用了貝塞爾型有源帶通濾波器,放大器的放大倍數和濾波器的帶寬選擇可通過上位機控制;數據采集系統采用了“快采慢讀”和“總線隔離”的方式來實現局部放電信號的高速連續采集,并且可以實現四路信號的同步采集,最高采樣速率可以達到20MHz,其中微處理器采用了TI公司生產的DSP(Digital Signal Processor芯片TMS320LF2407A,該芯片將實時處理能力和控制

36、器的外設集于一身;上下位機通信采用了CAN總線通信網絡,最高傳輸速率可以達到1Mbps,其中CAN總線通信接口卡采用凌華科技的PCI.784I。該監測系統最突出的特點是采用了高速的數據采集系統和CAN通信模塊,系統采樣率高、抗干擾能力強、數據傳輸速率高。第三章基于CAN總線的上下位機通信軟件在變壓器局部放電在線監測系統中,上位機對下位機的控制以及及時的獲得下位機的監測數據是在線監測中的一個重要的環節,因此上下位機的通信在該系統中占據著較重要的地位。上下位機通信的基本流程是:上位機向下位機發送初始話參數和控制信號,如采樣深度、采樣速率、傳輸的波特率、啟動采集等,下位機采集的數據量達到了預定的采樣

37、深度后自動停止采集并將采集的四通道的數據依次上傳給上位機。本章將在上一章所介紹的CAN通信硬件電路的基礎上較詳細地介紹上下位機的編程思想和具體的程序實現。3.1下位機程序的編寫3.I.1TMS320LF2407CAN控制器概述TMS320LF2407A內部集成了CAN總線控制寄存器,完全支持CAN2.0B協議,其內部有六個郵箱,其中郵箱0、l是發送郵箱,郵箱4、5是接收郵箱,而郵箱2、3則既可以設置成發送郵箱也可以設置成接收郵箱,每個郵箱最多可以存儲8個字節的數據。另外2407A內部還有15個16位的CAN控制寄存器,如位定時配置寄存器、發送寄存器、接收寄存器、中斷標志和中斷屏蔽寄存器以及局部

38、接收屏蔽寄存器等II,通過對這些寄存器進行控制可以方便的發送和接收數據,因此利用TMS320LF2407A可方便地實現CAN總線的通信。3.1.2CAN信息包的格式說明一個有效的CAN數據幀由起始、仲裁域、數據域、校驗域、應答域和幀結束組成【17】。TMS320LF2407A的CAN控制器支持兩種不同的幀格式,即標準格式和擴展格式,它們的主要區別在于仲裁域的格式不同,標準幀仲裁域由11位標識符和遠程發送請求位RTR組成。擴展幀仲裁域由29位標志符和替代遠程請求SRR位、標志位和遠程請求位RTR組成,兩種不同的CAN信息幀結構如圖31所示:_R I S |S1l位標識符T D I DLC8字節數

39、據16位RCR OO FR E標準信息幀1_rs 1l18位S I位R IS0F 標R D標T DIDEC8字節數據16位RCR0識R E識R E O F 符符擴展信息幀圖3.1CAN信息幀的結構標示符(IDE的是作為報文的名稱,在仲裁的過程期間,首先被送到總線。在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優先權中都要用到。遠程發送請求位(RTR用來確定發送遠程幀還是數據幀,當RTR位高電平時, CAN控制器發送遠程幀:當為低電平則發送數據幀。數據長度碼(DLC用來確定每幀要發送幾個字節的數據,但最大為8個字節。3.1.3下位機通信程序的實現整個下位機的程序在設計時采用了模塊化的編程思想,也即將不同

40、的功能模塊分由各個子程序來完成,這樣整個程序不僅思路清晰而且維護方便,便于軟件以后的升級,整個程序主要由主程序、系統初始化子程序、CAN初始化子程序、數據接收和發送子程序等模塊構成,整個程序利用匯編語言編寫而成。在上下位機的通信中將郵箱2設置為接收方式,郵箱3設置為了發送方式,都采用了11位的標準信息幀格式,其中接收采用了中斷方式,發送則由DSP控制,、當DSP將數據采集完畢后主動存儲到外部512K容量的數據存儲器中,然后上傳給、上位機。由于DSP中的CAN總線控制器集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層的功能,可以完成幀處理,包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等工作.因此在編寫下

41、位機的程序時不用考慮太多的底層協議,只要j下確的設置控制器中的寄存器,就可以完成CAN的初始化,數據的發送和接收等工作,當然下位機接收到了上位機的數據之后,要對所接收到的信息進行解釋,以進入不同的服務子程序,如初始化采樣參數(采樣頻率、放大倍數、濾波器的帶寬、存儲深度等、啟動聚集系統丌始采集數據、上傳數據等。下位機的通信程序流程可以簡單的表示如下:圖3-2下位機的通信程序流程圖CAN初始化子程序。該子程序將實現CAN引腳的配置、CAN位定時器的配置、寫CAN郵箱內容前寄存器的設置、寫CAN郵箱內容以及寫CAN郵箱內容后寄存器的設置。其中CAN位定時器的配置包括清全部CAN中斷標志、設置接收郵箱

42、和發送郵箱的屏蔽ID寄存器、設置波特率預分頻寄存器等。寫CAN郵箱內容包括設置接收郵箱和發送郵箱的標志符、設置控制域、設置數據長度以及接收郵箱和發送郵箱的信息初始化。設置通信波特率。波特率的默認值在CAN郵箱初始化時設置為1Mbps,但也可以根據自己的需要來設定合適的傳輸速率。波特率是由位配置寄存器1BCRl和位配置寄存器2BCR2以及DSP的內部時鐘來決定的,在知道了DSP的內部時鐘的實際頻率后,可通過設置這兩個寄存器中的BRP(波特率預分頻位、TSEGl(時間段11、TSEG2(日J-間段2來得到我們所需要的波特率。接收子程序。接收程序采用了中斷方式,當上位機有數據上傳給下位機時,下位機的

43、CAN模塊的硬件電路會自動檢測總線上的信號的ID號是否和其郵箱的ID 號相同,如果相同,將引起該節點上的CAN郵箱產生中斷,進入中斷服務子程序,將郵箱中的數據讀出,根據其所接收到的數據以及事先約定好的通信協議而進入不同的子程序。發送子程序。主要完成將采集到的數據依次讀入到發送郵箱中,并將數據發送出去。本文利用兩個輔助寄存器,分別指向外部數據存儲器和CAN郵箱的8個字節的地址,每次從外部的RAM讀取8個字節的數據存儲到郵箱3中,并置TCR寄存器的TRS3位為高電平l,如果上下位機通信正常則CAN控制寄存器自動將數據發送到總線上去。其簡化的程序如下所示:/每次從外部RAM取8個字節的數據到郵箱3中

44、/fill/1/I/I/MAR+,AR2;AR2寄存器指向外部數據存儲器LACL+,AR3;AR3寄存器指向郵箱3SACL+,AR2;將數據存儲器中的數據存入到郵箱3中MAR+,ARISBRK#lH;將ARI中的內容減去1NOPCMPR00;和AR0中的數據作比較,判斷是否取了8;個字節的數據到了郵箱3中BCND FUZHI,NTC;如果沒有8個字節數據,則繼續賦值/將郵箱中的數據發送給上位機IIIII/11111FASONG LOOPlLDPSPLKSPLKLDPSPLKBITBCNDNOPLDPSPLK#0E2H#0480H.MCR#04CH.MDER#0E2H#0020H.TCR;DBO

45、=01,ABO=I,STM=0;ENABLE MEILBOX2AND3;將郵箱3的發送請求位TRS3置1.將數據發送出去TCR,2LOOPl,NTC;判斷數據是否發送出去了#0E2H#2000H.TCR;清除TA3和MIF3標志位3.2上位機程序的編寫前面第一章已經講過,LabVIEw是美國NI公司提出的一種基于G語言(Graphics Language,圖形化編程語言的虛擬儀器開發工具,其對采集到的數據有強大的處理能力和圖形顯示能力,所以它非常適合于編寫數據采集程序。但是ADLink 公司沒有提供CAN通信接口卡PCI.7841的LabVIEW兼容驅動程序,這給LabVIEW 調用PCI.7

46、841的各個函數增加了難度。本章采用C+Builder將PCI7841原驅動轉化為LabVIEW能調用的動態連接庫,在此基礎上為了使LabVIEw調用驅動更加方便,將驅動中的所有函數封裝為LabVIEW的llb文件,最后通過對llb中相應函數的調用實現上位機通信程序的編寫,從而與下位機通信程序一起實現上下位機的網絡通信。3.2.1C+Builder對PCI7841驅動的封裝外部應用程序實現對數據采集卡的操作是通過調用數據采集卡驅動實現的, PCI7841的驅動是一個DLL(動態鏈接庫文件,該文件名為7841.dll,在7841.dll 中封裝了各種調用PCI7841功能的函數。在LabVIEW

47、中對DLL的調用可以通過調用函數節點(Call Library Function Node,簡稱CLF實現,但是CLF方法不允許被調函數的輸入輸出變量中如現結構,而在PCI7841提供的驅動程序中就含有五個這樣的函數,這五個函數的原型聲明如下:intstdcall CanConfigPon(unsigned short handle,PORT_STRUCT+PortStruct;intstdcall CanGetPortStatus(unsigned short handle,PORT_STATUS+PortStatus;intstdcall canGetPortcon69(unsigned

48、short handle,PORLSTRUCT+PortStruct;intstdcall CanSendMsg(int handle,CANPACKET+packet;intstdcall CanRcvMsg(int handle,CANPACKET+packet;為了使LabVIEW能調用這些函數,必須將結構拆開,將結構中每個成員變為一個獨立的輸入輸出變量。這可以通過C+Builder創建個動態連接庫,在該動態連接庫中有五個引出函數,每個函數調用上面五個函數中的相應函數,每個函數的輸入輸出變量是原函數中的簡單的輸入輸出類型變量加上將結構拆分為簡單類型的變量。下面以CanConfigPort

49、為例說明C+Builder將輸入輸出變量含有結構類型的函數轉化為輸入輸出變量為簡單類型函數的步驟:結構PORT STRUCT聲明如下:typedef struct jagPORT STRUCTWORD mode;/0for1I-bit;1for29-bitDWORD aecCode,accMask;WORD baudrate;/0:125KBps,1:250KBps,2:500KBps,3:1MBps,4Self-DefinedBYTE brp,tsegl,tse92;/Used only if baudrate24BYTE sjw,sam;/Used only if baudrate24PO

50、RTSTRUCT;1.在C+Builder基成開發環境中選擇File一New一Other-DLLWizard,創建一個空白的動態連接庫,將工程文件保存為for7841.dll。2.在源文件中添加如下的函數定義:extern”C”declspec(dllexportintstdeall lVCanConfigPort(int handle,WORD mode,DWORD accCode,DWORD accMask,WORD baudrate,BYTE brp,BYTE tsegl,BYTE tse92,BYTE sjw,BYTE samPORTSTRUCT ps;ps.mode=mode;ps

51、accCode=accCode;ps.accMask2accMask;ps baudrate2baudrate;ps brp=brp;ps.tsegltsegl;ps.tse922tse92;ps.sjw2sjw;ps.sam=sam;int iresult=CanConfigPort(handle,&ps;return iresult;該函數實現了對intstdcall CanC。nfi妒ort(unsigned short handle,PORT_STRUCT *PortStruct的封裝。其它四個函數也按照同樣的步驟封裝,形成的動態連接庫文件名為for7841.dll。 華北電力人學碩士

52、學位論文 圖3-3CanConfigPort子VI后面板3.2.3采用LabVIEW編寫上位機程序關于上位機通信程序的編寫有如下說明:(1打開驅動控件CanOpenDriver輸入端需要輸入CAN卡號(如果僅一個可以不輸入且默認為O和端口Port號(端口0、1:端口配置控件CanConfigPort輸入端需要輸入波特率(有0、1、2、3和4四個,其中0代表125kbp/s,1代表250kbp/s, 2代表500kbp/s,3代表1Mbp/s,4表示自定波特率、Handle(與CanOpenDri、el輸出端連接、Mode(采用11-bit標準信息幀,Mode=0;采用29_bit擴展信息幀,

53、Mode=1、控制器接收碼AceCode(默認AccCode=0、控制器接收屏蔽碼AccMask (如果設為可接收所有的CAN控制器,則AccMask=7FF。(2向下位機發送命令有開始采集數據和停止采集數據兩種,其中向下未機發送開始采集數據命令對應的數據是根據選擇的對下位機參數的配置的不同而改變的,這些參數的選擇有:采樣頻率、放大倍數、濾波器的帶寬、采樣長度(存儲深度、采樣時間間隔等;向下未機發送停止采集數據命令對應的數據第一個數據為非零直即可(與開始采集數據的相反,其它的任意。向下位機發送命令控件CanSendMsg 參數輸入端有發送數據Data、CAN總線ID號CAN.ID、CAN發送請

54、求位Rtr、數據長度Len(最長為8bytes,輸出端有保留位Reserved和返回值Retrun(0表示發送成功,.1表示發送失敗。(3點擊開始接收數據命令后上位機就進入接收數據狀態,這個任務是通過CanRcvMsg來完成的,CanRcvMsg參數輸入端除了Data變為輸出參量外其余與】9 本相似,這說明采用該系統能夠采集局部放電信號并接驗證了該系統上下位機通信的正確性與可行性。 圖3-5上位機通信程序虛擬儀器前面板圖3-6采用示波器采集的空氣懸浮放電單次脈沖的波形華北電力人學碩士學位論文3.3本章小節本章實現了基于CAN總線的變壓器局部放電在線監測的上下位機網絡通信。其中下位機通信程序采用

55、匯編語言開發,上位機通信程序采用LabVIEW語言調用封裝的PCI.7841函數實現。該上下位機網絡通信實現的流程為:上位機向下位機發送初始話參數和控制信號,如采樣深度、采樣速率、傳輸的波特率、啟動采集等,下位機采用中斷方式接收命令并開始采集數據.下位機采集的數據量達到了預定的采樣深度后自動停止采集并產生數據發送請求,上位機響應請求并接收下位機采集的數據。在實驗室進行試驗驗證中,上位機能夠接收到下位機采集的局部放電數據并能夠控制下位機的運行,這表明基于CAN總線的上下位機通信正確性和可行性。第四章基于虛擬儀器的局部放電在線監測抗干擾軟件包由于變壓器的運行電磁環境十分惡劣,局部放電信號淹沒在強大

56、的電磁干擾中,致使監測系統性能不能滿足實用化要求。因此,有效地抑制干擾、準確獲取局部放電信息是局部放電在線檢測的關鍵技術之一。本章在對現場干擾信號進行認真分析的基礎上,采用分層次抗干擾模型,針對不同的干擾采用不同的抗干擾處理方法,開發了一種基于虛擬儀器的局部放電在線監測抗干擾軟件包并通過仿真研究和現場檢測數據處理效果驗證其抑制干擾的有效性及其應用于局部放電在線監測抗干擾的可行性。4.1現場干擾及分層次抗干擾處理模型局部放電監測中的干擾主要是經測量點的傳感器隨局部放電信號一起進入監測系統的。按時域信號特征可分為連續的窄帶周期性干擾、脈沖干擾和白噪聲三類。窄帶周期性干擾包括系統高次諧波、高頻保護、

57、載波通信以及無線電通信等。脈沖干擾可分為隨機型脈沖干擾和周期型脈沖干擾。隨機脈沖型干擾包括高壓輸電線上的電暈放電、其它電力設備的局部放電、分接開關動作產生放電以及接觸不良產生的懸浮電位放電等;周期型脈沖干擾主要有標定脈沖、可控硅動作以及地網中的脈沖干擾。白噪聲包括線圈熱噪聲、地網噪聲、配電線路以及變壓器繼電保護信號線中耦合進入的各種噪聲、以及檢測線路中半導體器件的噪聲等。從頻帶特征上可分為窄帶干擾(如周期性干擾和寬帶干擾(如脈沖干擾和白噪聲119A9】。由于現場的干擾形式多種多樣,很難用同一種方法進行抑制,為此本章采用了分層式抗干擾處理模型,該模型可對不同的干擾作分層處理,在每層處理時,都盡量保證抑制干擾后的信號畸變最少,以便于下一層更好地處理。分層次抗干擾處理模型如圖41所示。針對現場主要三種類型的干擾以及分層次抗干擾處理模型的基礎上,本章開發了一種基于虛擬儀器的變壓器局部放電在線監測抗干擾軟件包。該抗干擾軟件包采用_-fee抗干擾處理方法:1.用非線性的數學形態濾波器抑制窄帶周期性干擾;2.用小波分析來抑制白噪聲干擾;3.