基于DSP的高压电气设备绝缘在线监测系统设.docx

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基于DSP的高压电气设备绝缘在线监测系统设

基于DSP的高压电气设备绝缘在线监测系统设计

班级：

08级电气工程及其自动化

学号：

0805440

姓名：

夏

摘要

为知足电网对高压电气设备绝缘监测的要求，设计了基于数字信号处置（DSP）的散布式绝缘在线监测系统。

采纳基于操纵器局域网现场总线的3层散布式系统结构，解决了集中式在线监测系统模拟信号长距离传输带来的问题。

设计了以DSP和高精度AD为核心的现场信号搜集单元，集信号调理、数据搜集、CPU操纵、算法处置、CAN总线通信于一体。

系统采纳“零磁通微电流传感器”搜集信号，使相位测量误差操纵在±°之内。

论述了系统软、硬件的具体实现方式，软件采纳模块化设计，将系统按功能模块化划分。

关键词：

绝缘；在线系统；监测；电气设备；数字信号处置

绪论

DSP（digital singnal processor）是一种微处置器，它接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

DSP最突出的两大特色是壮大数据处置能力和高运行速度，加上具有可编程性，实时运行速度可达每秒数以万万条复杂指令程序，远远超过通用微处置器，有业内人士预言，DSP将是以后集成电路中进展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。

2  特点及优势:

具体而言，与传统的模拟信号处置系统相较，DSP系统具有以下优势：

（1）接口简单方便：

数字信号的电气特性非常简单，不同DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。

而且在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议即可。

（2）精度高、稳定性好：

与模拟信号处理不同的是，数字信号处理仅受到两化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其它噪声，因此具有较高的信噪比。

另外，模拟系统的性能受到元器件参数性能影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调试及批量生产。

（3）编程方便、容易实现复杂的算法：

在DSP系统中，DSP芯片提供了一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。

当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时，可以实现复杂的数字信号处理功能。

（4）集成方便：

现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上。

这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。

1 硬件特点

（1）Modified Harvard架构：

DSP属于Modified Harvard架构，它具有两条内部总线：

数据总线、程序总线。

程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行。

（2）独立的硬件乘法器：

乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

（3）采用流水作业：

每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成。

相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运算速度。

（4）独立的DMA总线和控制器：

有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。

（5）循环寻址（Circular addressing）：

位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。

1024点FFT的时间已小于1μs。

（6）JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE 1149标准接口）：

这便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。

（7）多处理器接口：

多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。

2 软件特点

（1）立即数寻址：

操作数为立即数，可直接从指令中获取。

例：

MOV A，＠0x16；将常数0x16送给寄存器A。

（2）直接寻址：

如TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。

设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9-bit指向一个数据页，再加上一个7-bit的页内偏移地址，形成16-bit的数据地址。

这样有利于加快寻址速度。

（3）间接寻址：

①8个辅助寄存器，由一个辅助寄存器指针指定一个辅助寄存器算术单元作16-bit无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中的一个。

②8个辅助寄存器的内容相当灵活，可以装入、加上、减去立即数；可以从数据存储器装人地址；还可以作一些变址寻址。

③由于采用反向迸位，得以实现位倒序寻址。

（4）独特的乘法指令：

例：

MAC X0，Y0，A X：

（R0）＋，X0 Y：

（R4）＋N4，YO这条指令命令DSP56300：

将寄存器X0和Y0中的数相乘，结果加到Acc A中，将寄存器R0所指的调存储器地址中的值装入寄存器X0，将寄存器R4所指的Y存储器地址中的值装入寄存器Y0 R0的值加1，寄存器N4的值加给R4。

另外，DSP芯片作为可编程超大集成电路（VLSI）器件，通过可下载的软件和固件来实现数字信号处理功能。

它除了具备普通微处理器的运算和控制功能外，还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和指令流程设计上做了很大的改进。

4  应用:

DSP最初应用于专业数据通信和语音处置，如各类专用调制解调器、声码器和数据加密等。

慢慢的，DSP应用扩展到普遍的民用产品，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字答录机、无线通信终端等等。

90年代中期，在数字GSM电话应用和无线基站应用中取得了庞大的成功的同时，DSP开始全面拓展到新兴应用，并在宽带通信、数字操纵、数字音频、数字视频等众多市场上捷报连连。

通过这些年的进展，目前DSP产品的应用已经几乎扩大到人们的学习、工作和生活的方方面面，DSP进入了前所未有的黄金时期。

通信是DSP最重要的应用市场。

在无线通信应用中，手机终端都有DSP核心，而且和3G终端的发展都必须依赖DSP平台。

同时，高性能DSP对无线基础设施来说举足重轻，新一带无线交换机和基站将会通过采用更低功耗的DSP来缩小空间达到易于装备目的；而在宽带网络应用上，从局端到接入端设备，DSP的身影更是无处不在。

众所周知，在计算机中CPU是主角，但是目前在一些嵌入式应用中DSP已经在发挥作用，比如作为影像加速器、实时媒体编解码器、嵌入式调制解调器等。

在某些场合的应用中，集成有RISC处理器的DSP平台甚至已经可以胜任主处理器的工作，从这点就可以体现出通信与计算机应用的融合。

另外，随着数字化进程的加速，更多的数字消费类产品中都采用了DSP。

虽然在激光影音产品中大量采用专用解码芯片，但涉及到音视频的编码，还有多制式的解码应用，DSP仍然是不可替代的。

在传统白色家电中，DSP应用也在逐渐深入，如数字变频应用已由空调延伸到冰箱和洗衣机。

DSP在数字控制中的应用也成效显著。

在工业变频器中，不少项目中DSP所占比例都在增加。

更多的DSP微控制项目不但围绕工业应用缝纫机、锈花机、雕刻机、喷绘机等，而且早已拓展到健身器材等新的市场。

指纹识别类产品在全球掀起了热潮。

基于DSP的多种生物识别应用产品陆续面世，如语音识别、人脸识别、虹膜识别等方面。

对于指纹识别，同时兼有低功耗性能比和高性能价格比的C55x系列是理想选择。

 另外，几年来数字系统已经慢慢取代传统模拟系统，DSP再也不仅处置语音，而是全面完成视频和语音处置工作。

在医疗仪器方面，DSP也被大量采纳。

固然DSP的应用还会有很多，会带给人们愈来愈多的方便与快捷。

高压电气设备绝缘部份缺点或劣化会致使绝缘故障或事故发生。

传统的预防性实验和事后维修已不能知足电网高靠得住性的要求。

最近几年来，传感器技术和信号处置技术的不断完善，使得在线监测技术取得普遍应用。

它可实现持续搜集或有选择地跟踪检测运行高压设备的状态参数，并运用先进的数据分析手腕，科学地分析、预测、诊断高压运行设备的运行状况或寿命，实现提早预警、报警，提高高压设备的运行靠得住性。

同时，它可与调度自动化及供电远动系统接口，实现远程实时监测。

1系统整体设计

1．1系统整体结构

采纳现场总线技术和Internet网络技术构建分层散布式监测系统，整体结构见图1，共分为3层。

传感器和现场信号搜集单元作为第1层，要紧完成各类在线监测信号的传感、搜集和数据处置，并通过现场总线完成对上层的通信任务。

第2层包括前置通信单元、数据服务器，前置通信单元接收并处置来自现场信号搜集单元的在线监测信息，并将信息送给数据服务器；数据服务器进行在线分析计算；Web服务器为上层的监控提供服务。

第3层的IE用户，通过TCP／IP网络可实施远程监控。

图1绝缘在线监测系统整体结构

1．2系统监测信号

系统要紧检测和诊断变电站中高压容性设备的绝缘性。

电容性设备是指绝缘结构采纳电容屏的电气设备，包括变压器电容套管、电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器，其数量约占变电站电气设备的40%~50%，表1中给出其监测信号。

电容性设备

监测信号

变压器套管

末屏对地电流、介损、电容值

变压器铁芯

泄漏电流

变压器绝缘油

油的成分

金属氧化锌避雷器（MOA）

泄漏电流、阻性电流

电流互感器（TA）

介损、电容值

耦合电容器

介损、电容值

表1电容性设备的监测信号

监测信号的特点参数要求能够真实地反映电气设备绝缘的运行工况，以便对绝缘状况做出及时准确的判定。

其中，介质损耗的测量是一项灵敏度很高的监测项目，它是取运行设备电压互感器的标准电压信号与设备泄漏电流信号经高速AD采样转换，通过优化傅里叶变换对信号进行频谱分析，仅抽取50Hz的基波信号进行计算求出介损。

这种方式能排除各类高次谐波的干扰，测试数据稳固，能反映出设备的绝缘转变。

电容量的测量是依照泄漏电流和搜集的母线电压换算取得的，现场监测单元将搜集信号当场进行数字化处置以排除干扰。

容性设备泄漏电流的测量信号是从末屏搜集的，一样为毫安级，由于在现场易受强电磁场的干扰，因此要求传感器具有较高的稳固性和抗干扰性。

1．3系统功能

在线监测要紧具有以下4点功能。

（1）实时监测：

能够实时显示被监测设备的运行状态数据，显示方式有柱形图、趋势图、波形图和报表等；能够打印监测数据图表。

（2）设备报警：

系统提供多级报警，当在线测量值异样时能够及时报警，第一时刻向监管人员报告任何异样情形；能开启持续跟踪监测功能，并能以表格方式显示装置的各项警告记录。

（3）远程监测：

支持TCP／TP协议，实现远程监测功能；能够方便地结合SCADA／EMS、生产治理系统（MIS）等其他系统，形成高级设备状态治理体系。

（4）历史数据查询和趋势分析：

可查看整个监测周期的历史数据，具有历史报表、趋势图及数据统计治理功能，便于对历史数据的横向、纵向比较；可利用专家诊断，用最小二乘法拟合监测数据进行分析趋势。

2系统硬件设计

2．1零磁通微电流传感器

绝缘在线监测装置中，电流传感器起关键作用，其精度、稳固性及靠得住性是系统的关键技术。

为保证高压设备和信号取样安全，系统采纳穿芯式结构的传感器，直接套在设备末屏接地线上测量泄漏电流信号，该方式不改变被监测高压设备的原有接线方式，安全靠得住，且与主设备无直接连接，安装方便。

另一方面，由于高压设备的泄漏电流很小均在毫安级，且传感器工作在电磁干扰严峻的现场，同时又受到温度、湿度等外界环境的阻碍，故传统的无源传感器无法保证相位变换误差的精准度和稳固性，易造成系统测量精度不稳。

本系统将采纳“零磁通微电流传感器”，它选用起始导磁率高、损耗小的坡莫合金做铁芯，采纳独特的深度负反馈技术和独特的屏蔽方法，能够对铁芯全自动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。

如图2所示，其中B为检测线圈的磁通，通过放大后作为补偿线圈n的激磁磁通，使得补偿线圈产生方向相反的磁通-B，如此传感器铁芯的总磁通鄱B=0，电路中磁通计数显示为零，从而实现近似“零磁通”的状态。

该传感器能准确检测100μA～700mA的工频电流，相位测量误差操纵在±°之内，温度特性好，抗电磁场干扰能力强，能知足在复杂的电站现场干扰下设备取样的精准度。

图2零磁通有源穿心式传感器

2．2现场信号搜集单元

设计了基于数字信号处置（DSP）+高精度同步AD为核心的数字式一体化现场信号搜集单元，该单元集信号调理、高速采样、CPU操纵、傅里叶频谱分析、数据存储及操纵器局域网（CAN）总线通信为一体，可当场计算出介质损耗、等值电容、末屏电流等各项参数。

系统中还采纳了复杂可编程逻辑器件（CPLD），负责整个系统的综合逻辑操纵及下一步功能扩展和系统智能升级，其应用增强了模块的数据采样、处置的自动化程度，进一步提高了系统数据搜集的自动化程度。

2.2.1要紧芯片介绍

F2812芯片是最高性能的32位定点DSP器件。

F2812要紧具有以下特性：

高达150MIPS（ns的指令周期）的运算处置速度、片内有高达32KFLASH和KSRAM、丰硕的片上外设。

AD7656是高集成度、6通道16bit逐次逼近（SAR）型ADC，能够知足高分辨率、多通道、高转换速度和低功耗的要求，要紧应用于电力监控系统、仪器操纵系统［13］。

AD7656要紧特性为：

双极性模拟输入；最大吞吐率为250kS／s（千次采样每秒）；可通过管脚或软件方式选择电压输入范围（±10V、±5V）；具有并行、串行和菊花链接口模式；与SPI／QSPI／μWire／DSP兼容的高速串行接口。

CY37064P100A是一款CPLD，内部具有44个逻辑宏单元（Macrocell），外部引脚数量为100个，除通用的I／O引脚外，还有+5V和+V2路电压输入。

兼容V、V电平标准，十分适合用于混合逻辑的系统设计。

2.2.2F2812与AD7656的接口设计

DSP与AD7656的硬件连接框图如图3所示，AD7656转换的操纵信号是由F2812操纵CPLD产生的，DSP负责数据处置和通信操纵。

图3DSP与AD7656的硬件连接框图

AD7656并行接口字模式时的转换时序图如图4所示。

在CONVSTA／B／C信号的上升沿触发AD的采样信号，一旦触发AD采样，Busy信号会同时置1，这表示转换正在进行。

转换时钟是由AD内部产生的，典型时刻大约3μs。

在转换完成后，Busy信号变成低电平，表示转换终止，通过CPLD将产生F2812的外部中断信号，引发DSPXINT1中断。

在中断程序中，持续读取6次AD的地址就可读取6个通道的数据。

实际应用中，可通过设置F2812的外设状态操纵寄放器中读写信号的时刻，尽可能缩短AD数据的读取时刻。

图4AD7656并行接口模式时转换时序图（W／B＝0）

2.2.3跟踪电网频率电路设计

由于电网频率总会有微小的转变，它会给介质损耗测量带来误差，设计硬件锁相倍频电路跟踪电网频率，动态改变采样时刻，使每周期采样次数相同。

A／D搜集的操纵信号由锁相环倍频输出决定，锁相环跟踪电网频率，再利用CPLD将电网信号倍频。

3系统软件设计

3．1现场信号搜集单元软件设计

系统采纳合众达公司提供的SEED-XDUSB仿真器，通过USB接口直接与运算机连接，在集成开发环境下，通过JTAG接口进行调试、烧写程序。

系统软件流程图见图5。

系统第一对整个硬件模块初始化和自检，完成全局变量的初始化后启动按时器，最后进入死循环，进行AD采样和计算。

图5软件流程图

3.1.1AD采样程序

a.启动AD采样。

系统通过F2812EVATimer1的周期中断，来触发AD7656进行采样。

interruptvoidADC_T1PINT_isr（void）

｛if（ADflag＝＝1）

｛ADflag＝0；

*AD_CONVST＝0；

＝1；

｝

；

return；

｝

其中，Timer1的周期寄放器T1PR值，是通过频率测量电路取得信号频率，再依照采样点数分频取得的，实现了系统的同步采样。

b.判定AD转换终止。

系统通过F2812XINT1中断来判定AD转换终止，因为在AD转换完成后，Busy信号变成低电平，通过CPLD将产生F2812外部中断信号。

interruptvoidADC_SampleINT_isr（void）

｛＝0x0000；

；

＝0x0001；

＝1；

return；

｝

c.读取AD采样数据。

AD转换终止后就可持续读取6次AD地址，将6通道的采样数据读掏出。

voidADCSmplePro（ADC_DRV*v）

｛v->ADSampleResult［0］＝*AD_CHIPSEL；

v->ADSampleResult［1］＝*AD_CHIPSEL；

v->ADSampleResult［2］＝*AD_CHIPSEL；

v->ADSampleResult［3］＝*AD_CHIPSEL；

v->ADSampleResult［4］＝*AD_CHIPSEL；

v->ADSampleResult［5］＝*AD_CHIPSEL；

ADflag＝1；

｝

3.1.2数值计算程序

每采样必然周期后，对AD采样数据进行计算分析，如电压／电流有效值、有功、频率等。

计算函数Cale（），包括了FFT，能够进行谐波分析。

for（；；）

｛

if（）

｛

if（>＝Dots_Per_Channel）

｛＝0；

Cale（）；

｝

if（ADflag＝＝0）

ADCSmplePro（&AD）；

++；

；

｝

｝

3．2数据服务器软件设计

软件采纳模块化设计，将系统按功能模块划分，要紧包括用于实时数据搜集的服务器端软件和为用户提供数据阅读、分析、报警、诊断的客户端软件，如此设计独立可变、灵活性强，具有高度的可扩展性、稳固性、安全性。

程序采纳面向对象的VisualC++语言进行设计，操作简便、界面美观友好。

系统还将采纳大型关系数据库治理系统SQLServer作为后端数据处置中心服务器，提供了对可扩展标记语言的核心支持，具有高度的可伸缩性和靠得住性。

3．3系统通信程序设计

为保证系统的可扩展性和靠得住性，第1层的现场信号搜集单元和第2层的前置通信单元之间利用CAN总线进行数据通信，通信接口标准遵循协议。

第2层的Web服务器和第3层的IE用户之间支持TCP／IP协议，实现远程监测功能。

4结束语

基于DSP的容性设备绝缘在线监测系统采纳分层散布式结构，现场将电流电压信号处置后通过CAN总线将数字量传输给上层，有效解决了集中式结构中模拟信号长距离传输问题，实现了监测参数的现场测量和数字化传输。

系统中采纳了“DSP+高精度AD+CPLD”作为现场信号搜集单元，适于模块化设计，能够提高算法效率，易于保护和扩展。

参考文献：

［1］白维，曾成碧，王涛.高压电气设备绝缘在线监测的研究［J］.中国测试技术，2006，32

（1）.

［2］胡文平，尹项根，张哲.电气设备在线监测技术的研究与进展［J］.华北电力技术，2003，14

（2）.

［3］张元林，王文胜，徐大可.变电站电气设备在线监测综述［J］.高压电器，2001，37（5）.

［4］陈维荣，宋永华，孙锦鑫.电力系统设备状态监测的概念及现状［J］.电网技术，2000，24（11）.

［5］JIAYimei，SUFuheng，LIUJun.Anonlineinsulationmonitoringsystembasedonfieldbus［C］∥Proceedingsof2001ISEIM&ACEID.Himeji，Japan：

IEEE，2001.

［6］谈克雄，李福祺，张会平，等.提高电容型设备介损监测装置性能的意见［J］.高电压技术，2002，28（11）.

［7］王楠，陈志业，律方成.电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述［J］.电网技术，2003，27（8）.

［8］方先存，刘云鹏，李军.电容型设备绝缘在线监测系统的开发与应用［J］.高电压技术，2008，34（6）.

［9］龙锋，王富荣，李大进，等.基于DSP的容性设备介质损耗因数在线监测方式［J］.电力系统自动化，2004，28（19）.

［10］章伟聪，戴征武，张文祥.基于DSP的散布式容性设备绝缘在线监测系统设计［J］.电测与仪表，2009，46（4）.

［11］刘君，吴广宁，周利军，等.零磁通传感器的研究［J］.电力自动化设备，2009，29（8）.

［12］华建卫.基于DSP2812平台的数字式测控爱惜综合装置设计［J］.电力自动化设备，2008，28（12）.