基于嵌入式的智能變電站變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

引 言

在科技飛速發(fā)展的今天，電能的重要性日益突顯，對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求也更加嚴(yán)格。隨著傳感器和通信等相關(guān)技術(shù)日漸成熟，作為電力系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的變電站由傳統(tǒng)人工值守向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展已是必然趨勢。因此， 基于數(shù)字化變電站提出了智能變電站的概念，即采用現(xiàn)代先進(jìn)的傳感器、電子、信息、通信、控制及軟件技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的應(yīng)用平臺(tái)。本文提出了基于嵌入式的智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)， 可極大地提高工作效率，減少人工成本的投入。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體概述

在電力系統(tǒng)中，絕大多數(shù)變壓器都是油浸式變壓器。不同的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致不同的氣體溶于油中，故監(jiān)測的主要方式是監(jiān)測絕緣油中的氣體變化，即氣象色譜法。本文系統(tǒng)的工作方式如圖 1 所示。首先通過傳感器采集油中氣體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 利用數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后由嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并上傳至上位機(jī)，使用相關(guān)算法對變壓器工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，最終實(shí)現(xiàn)對變壓器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

                                                                                                                                                           圖1 系統(tǒng)工作方式

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由傳感器采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、ARM 處理器控制模塊、通信模塊組成。通過上述模塊可對變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 傳感器采集模塊

若要對變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測，氣體采集檢測過程至關(guān)重要。對絕緣油中的氣體采集 ：先對其進(jìn)行油氣分離，之后將分離的氣體保存在氣室中。由于該氣體是多種氣體的混合，且各組成部分在色譜柱中的流速不同，故可利用色譜柱進(jìn)行分離。傳感器按順序?qū)Ψ蛛x后的氣體濃度進(jìn)行采集，隨后全部轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析。根據(jù)油色譜法原理， 需要對氣體中的H2，CO，CO2，CH4，C2H2，C2H4，C2H6 濃度進(jìn)行測量。本文系統(tǒng)采用 SnO2 半導(dǎo)體氣體傳感器，該類型傳感器可以很好地檢測上述氣體并且其價(jià)格相對較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.2 信號(hào)預(yù)處理

因?yàn)閭鞲衅鞑杉降男盘?hào)通常十分微弱，并且可能含有噪音信號(hào)的干擾，對數(shù)據(jù)處理影響很大，所以需要對傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。本文系統(tǒng)增加了放大與濾波電路，方便后續(xù)處理。

2.3 ARM處理器模塊

本文系統(tǒng)采用 Atmel 公司的 AT91SAM9261 作為主控芯片，對采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析。該芯片拓展了 Jazelle Java 加速器以及 DSP 指令集，極大地豐富了集成接口，也使其調(diào)試范圍更加寬泛，性能非常優(yōu)越，最高可達(dá) 210 MIPS。芯片功耗較低，是外部總線接口，可同時(shí)支持靜態(tài)存儲(chǔ)器， DRAM，NandFLASH 和CompactFLASH。

在該芯片內(nèi)寫入事先編好的監(jiān)測軟件，經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)送入芯片后，其迅速計(jì)算分析相關(guān)氣體濃度信號(hào)，結(jié)合預(yù)設(shè)好的算法做出相應(yīng)的判斷，結(jié)果通過通信模塊傳至上位機(jī)。工作人員可實(shí)時(shí)得到變壓器運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)生故障也可及時(shí)處理，避免意外發(fā)生，節(jié)約大量的人工成本。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分基于嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)完成，其中最重要的是算法的選擇。監(jiān)測系統(tǒng)有較多的算法可以實(shí)現(xiàn)，但是通過比較分析，本文系統(tǒng)最終選擇了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。由于需要對氣體濃度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理，所以要求相比一般的系統(tǒng)更高，故將 μC/0S-II 作為軟件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)的調(diào)試開發(fā)都可在軟件環(huán)境下進(jìn)行，簡潔方便。軟件程序流程如圖 2 所示。

4 結(jié) 語

本文利用嵌入式系統(tǒng)基于 ARM 處理器對智能變電站變壓器的在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過該系統(tǒng)，智能變電站的工作人員無需到現(xiàn)場就可通過上位機(jī)對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可有效降低變壓器突然故障帶來的損失，同時(shí)節(jié)省了大量的人力、物力，安全智能，對智能變電站的發(fā)展具有重大意義。