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基于DSP的变压器局部放电在线监测系统
张广春，魏晓惠，佟来生，童晓阳，吴广宁
(西南交通大学电气工程学院，成都610031)
摘 要: 作为电网中重要设备之一，电力变压器的正常工作与否直接影响电网的安全稳定运行。变压器的局部放电信号是判断其工作状态的重要参数。本文介绍了一种基于DSP处理器的变压器局部放电在线监测系统，实现对变压器绝缘状态的监测。该系统充分利用其强大而高速的数据处理能力对采集的局部放电数据进行快速、复杂的运算。本文主要介绍了该系统的检测原理、整体结构及硬件构成。
关键词: 变压器; 局部放电; 在线监测; 数字信号处理器
1引言
近年来，随着电网容量、电压等级的提高，以及电力改革的推进，供电部门不仅要确保供电可靠性，还要保证供电质量。变压器作为电力系统中不可或缺的重要设备，它的正常工作与否直接影响电网的安全稳定运行。因此，确保变压器的可靠运行具有重要的现实意义。我国110 kV以上的大型变压器在近年来多次发生的绝缘事故，大都与其局部放电有关。因此，对局部放电进行有效的监测可以有效地判断变压器的运行状态。
我国变压器状态检修工作长期以来一直执行的是基于时间的“定期维修”预防性维修制度［1］。这种制度在当时及以后的几十年对我国电力设备的维修管理起到了积极的作用。但这种预防性试验方法不能监测变压器的实际运行情况，也不可能准确反映变压器的绝缘状况及其发展趋势。所以，传统的预防性试验已不能满足实际需要，而实时、有效的绝缘在线监测技术得到了广泛的研究和应用［2，3］。在此基础上开展电力变压器的状态检修制度，经过不断完善和改进后更能体现“该修必修，修必修好”的指导思想。
变压器局部放电在线监测系统监测运行状态下的变压器的绝缘状态信息，能及时反映出变压器的绝缘状态及其发展趋势。并且该系统可进一步结合设备的历史和现状，考查同类设备的运行情况，应用系统工程的方法进行综合分析判断，从而查明设备内部状况，掌握缺陷性质、预测隐患发展趋势，并提出预防措施和治理对策。
本文介绍了一种基于数字信号处理器（Digital signal processor，DSP）的变压器局部放电在线监测系统的检测原理、整体结构及硬件构成。
2系统的检测原理
电力变压器的局部放电会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光，并引起局部过热。油中放电还将分解出气体，产生能量损耗等。因此，对局部放电的检测相应地出现了脉冲电流测量、超声波测量、光测量、化学测量、超高频测量等方法。
本系统主要采用脉冲电流法。该方法通过检测阻抗、接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，也是国际上唯一有标准（IEC270）的局放监测方法，所测得的信息具有可比性，在变压器绝缘在线监测中发挥了重要的作用。
3系统结构
变压器局部放电在线监测系统在结构上可分为三部分，分别为：宽频带电流传感器系统、基于DSP处理器的数据采集系统以及位于主控室的局放工作站（即故障诊断系统）。该在线监测系统的整体结构如图1所示。
3.1传感器系统
传感器系统负责获取局部放电信号，它的性能将直接影响监测和诊断的效果。由于电力设备处于高电压、强电磁环境下，因此要求传感器要有足够的抗干扰性、灵敏度、线性度，尽可能无失真地转换、传送局部放电信号。
本文采用宽频电流传感器系统［4］，该系统由宽频电流传感器和宽频放大器组成。传感器基于Rogowski线圈原理，采用磁耦合方式工作，因此检测回路与高压回路之间无直接电联系，非常适用于现场监测。传感器安装在变压器高、低压侧的中性点接地线处。
传感器具有如下性能：
(1)在较宽的频带上具有平坦的幅频响应(3 db带宽为10 kHz～20 MHz)；
(2)响应速度快(建立时间为ns数量级)；
(3)灵敏度高(可测量最小局部放电脉冲的幅度为±2 mV)；
(4)线性度好，输出失真小(局部放电脉冲幅度为±2 mV～±4000 mV无失真)；
(5)安全可靠(安装在中性点零电位处，具有良好的固定、屏蔽)。
因此，本文研制的宽频电流传感器系统，不仅可以实现局部放电信号采集，而且具有较强的抗干扰性能，可满足变压器局部放电信号现场测量的实际需要。
3.2基于DSP的底层数据采集系统
该数据采集系统主要负责在线采集变压器的局部放电信号，并提取局部放电的特征参数Φ-q-n。其中Φ为局放相位，q为放电量、n为放电量重复率。DSP实时地以高采样率连续采集一段时间的变压器局部放电信号，并计算出局放信号的Φ、q、n，以获得该段时间的Φ-q-n三维放电指纹特征数据。DSP再将放电数据按照标准的通信协议传到局放工作站，供进一步的诊断。同时，该系统也接收工作站的遥控指令，并执行相应的操作。
系统上电后，DSP首先完成自身的初始化，包括配置RAM块，设置数据页指针、中断和I/O模式，设置中断屏蔽位和等待状态位，设置定时器模式、初值、串行口等；然后对液晶显示模块进行初始化，包括清显示RAM，设置文本区、图形区和显示方式，建立汉字点阵等；然后启动AD等待中断；最后进入循环数据采样、处理、显示和串行通讯，完成实时采样、数据处理、液晶显示和串行通讯等任务。
3.2.1数据采集系统地整体结构
图2为该数据采集系统的结构框图。该系统以DSP处理器TMS 320F206为核心，辅以外围A/D转换、通讯电平转换、液晶显示等电路模块，实现局部放电信号的采集、计算、上传和显示等功能。
3.2.2系统主要模块
(1)TMS 320F206数字信号处理器
由于单片微处理器的处理能力有限以及应用的不断深入，单片微处理器的应用受到越来越大的限制；另一方面，数字信号微处理器的发展取得了长足的进步，器件价格大幅度下降，开发手段越来越丰富、也越来越容易，而数字信号微处理器又具有比普通的单片微处理器强几个数量级的运算处理能力，这些都为数字信号微处理器的普及和应用提供了良好的条件。因而，数字信号微处理器取代普通单片微处理器的主导地位已是必然的趋势。
TMS 320F206是TMS 320C2xx系列中唯一具有片内FLASH存储器的器件，也是其中具有最多资源的器件之一［5］。因此，TMS 320F206是取代普通单片微处理器的最佳选择之一。TMS 320F206为16位定点DSP，片上有4.5×16位的高速SRAM、32 k×16位的高速Flash、一个16位定时器、一个导步串口、一个同步串口及三个外部中断。
(2)信号预处理及A/D转换
传感器检测到的局部放电信号经光电隔离、多路选择后进入信号预处理电路。首先由程控衰减、放大电路判别其幅值范围，并作转换，程控衰减、放大电路的动态范围为40 db；信号经衰减、放大电路后进入程控组合式滤波电路。为了满足现场测量的各种要求，设计了三级滤波频段：10 kHz~500 kHz，10 kHz~2 MHz，10 kHz~10 MHz。模数转换器件采用高速14位A/D转换器，输入范围±5 V的模拟电压。A/D转换模块设有多种量程，采用中断输出方式，节省器件功耗。
(3)高速缓存
CY7C4245是高速、低功耗4 k×18 FIFO存储器，读写周期为10 ns，具有独立的18位输入、输出接口和读、写时钟信号，可以实现同步读写操作。CY7C4245提供五种状态指示：Empty、Almost Empty、Half Full、Almost Full、Full，分别代表当前数据存储的深度。其中Almost Empty和Almost Full为可编程空满状态位，可根据系统的需求对存储进行设定。FIFO的状态信息代表了已采样的点数，当采样点数达到预期的数量时，相应的状态位置位，触发DSP的外部中断，中止测量过程，由DSP读取数据进行处理。
(4)液晶显示及键盘
该液晶显示屏采用北京精电蓬远显示技术有限公司生产的MGLS-12864液晶显示模块。MGLS-12864 LCD内置2片HD 61202液晶显示驱动器、一个HD 61203作为驱动器，可显示64 k的点阵图形，其主要特点为：可以图形、字符及图形和字符混合三种方式进行显示；具有64 k的内部存储器。
(5)通讯模块
系统具有RS 485和RS 232串行通讯接口。
RS 485串口主要用于和上位局放工作站之间的通讯，包括上传检测数据、接收上位机传来的控制指令等等。RS 485驱动电路采用的是具有瞬变电压抑制的RS 485收发器SN 75 LBC 184。SN 75 LBC 184片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，从而显著地提高了器件抗过电压瞬变的可靠性。过电压瞬变是指超过线路工作电压的非正常高压脉冲，其宽度可以从几十毫秒至几毫秒。引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电和交流电故障。普通的RS 485收发器很容易被过压瞬变损坏，如果要有效地加以保护，一般需外接包括隔离变压器在内的保护器件。若使用SN 75 LBC 184，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，是一种可靠、低价和简单的设计方案。
RS 232串口在本系统中主要有两个作用。第一，用户可以采用便携式计算机在现场进行局部放电的测量，下载测量数据。第二，用户也可以通过此串口下载可执行程序到F 206内部FLASH。RS 232驱动电路选用MAX 232A芯片。MAX 232A功耗低、集成度高、片内集成电荷泵，只需外接+5 V电源，具有两个发送接收通道，接口电路简单、可靠性好。
3.3局部放电工作站
局部放电工作站主要功能是通过在其上运行的故障诊断专家系统对变压器绝缘状态进行诊断，并以多种方式显示Φ-q-n三维放电指纹特征数据，在其上存储的局部放电历史测量数据可供工作人员及远程管理系统查询。正常运行时，系统可随时在线监测、记录电力变压器的状态，并利用诊断系统对设备的运行状态进行分析判断。当变压器出现异常时，该系统快速采集、处理故障数据，同时完成在线计算、存储、统计、报警、分析报表、数据远传等功能。
4结论
本文讲述了基于DSP处理器的变压器局部放电在线监测系统的原理及其构成。局部放电信号的获取采用宽频带电流传感器，它具有足够的抗干扰性、灵敏度和线性度。该系统以高性能的TMS 320F206十六位定点DSP为核心，充分利用其强大且高速的数据处理能力对采集的局部放电数据进行复杂的运算，并快速得出结果。该系统并具有多种通讯接口，可与上层管理系统实现方便、快捷的通讯。
5参考文献
1许婧,王晶,等.电力设备状态检修技术研究综述.电网技术,2000,24(8):48~52
2严璋.电气绝缘在线检测技术.北京：水利电力出版社，1995
3郭碧红，杨晓洪.国内电力设备在线监测技术的开发应用状况分析.电网技术，1999，23(8):65~68
4吴广宁，谢恒方方土,等.大型电机局部放电监测用宽频电流传感器及应用的研究.西安交通大学学报，1996，30(6):8~13
5李刚,林凌,叶文宇.TMS 320F206 DSP结构、原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社,2002
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