基于頻譜分析方法的高壓開關在線監測系統的設計

劉展威,崔維新

(1.石家莊鐵道大學信息科學與技術學院,石家莊 050043;2.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京 102206)

隨著經濟的迅速發展,對電力的依賴越來越嚴重,因此對于電力的調度和合理使用的要求越來越高。高壓開關是電力系統安全運行重要的開關設備,高壓開關狀態監測以及隔離開關位置的在線監測越來越受到人們的重視。

目前,高壓開關位置狀態在線監測系統采用的方法主要以單片機(或DSP)[1,2]作為前置采集終端,將采集到的開關狀態信息通過GPRS(通用無線分組業務)無線通信方式或其它通信方式傳送到控制處理中心。這種類型的高壓開關狀態在線監測系統在設計思想上有以下弊端:

1)前置采集終端數量多而且分散,不利于系統供電,供電成本很高。

2)前置采集終端多采用單片機控制,電路相對復雜,電路成本高,同時由于現場干擾嚴重,增加了系統的不穩定性。

3)判斷故障周期較長,實時性差,無論采用問答式,還是采用循環式,系統對故障的判斷都不能并行處理,大大增加了故障判定時間。

4)選擇的通信方式成本過高,現有的高壓開關狀態在線監測系統多數采用GPRS無線通信方式,需要在前置采集終端配置一個GPRS通信模塊,無疑會大大增加系統的成本。

基于頻譜分析方法的高壓開關在線監測系統(以下簡稱監測系統)是一種集電路簡單、成本低廉以及可靠性高于一體的實時在線監測系統。系統設計思想是:

1)最大程度地簡化前置采集終端電路,以簡單的數字邏輯電路代替復雜的單片機電路,從而提高系統的可靠性,并降低系統的成本。

2)提高電纜的利用率,所有的測試信號集中在一根多芯電纜上同時傳輸,同時本電纜還為前置采集終端供電,大大降低供電成本。

3)采用快速傅立葉變換(FFT)集中頻譜分析,快速并行識別各個代表不同高壓開關的頻率信號,大大提高系統的實時性。

4)采用高性能ARM系列微處理器(32位)作為前端信息處理控制器,在不增加系統成本的前提下,大大提高系統處理能力和處理速度,同時降低系統成本。這些設計思想上從根本上突破了以往設計思路,為電力系統高壓開關的高效、安全運行提供了有力保障。

1 監測系統整體設計

監測系統整體設計框圖如圖1所示。系統主要包括以下幾個部分:前置采集終端;控制與供電電纜;前端信息處理與控制器;信息處理中心。

圖1 智能監測系統整體設計框圖

1)前置采集終端的主要功能:從高壓開關輔助接點采集開關位置信息;產生特定頻率信號,該信號與高壓開關位置信息對應,在同一個變電站內,一個頻率信號只能表示一個高壓開關輔助接點(一個高壓開關可以有多個輔助接點,只需要選擇一個輔助接點,常開的或常閉的均可)。

2)控制與供電電纜的主要功能:為前置采集終端提供電源;控制各個特定頻率信號的產生與停止;耦合各個前置采集終端發射的測量信號。

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3)前端信息處理與控制器的主要功能:集中處理前置采集終端傳輸的信息,運用快速傅立葉變換(FFT)進行頻譜分析,判定高壓開關的位置信息;將分析處理結果,通過電力IP網絡或遠動設備發送到信息處理中心。

4)信息處理中心的主要功能:集中處理多個前端信息處理與控制器發送的處理結果,及時反映高壓開關故障位置信息,通過GIS方式顯示出來。

2 智能監測系統硬件設計

2.1 前置采集終端

前置采集終端的電路框圖見圖2。該終端核心電路由一個14級計數器和由兩個十進制器構成的可編程分頻器組成。14級計數器可以產生一個頻率小于4000 Hz的方波信號,該信號再經過可編程分頻器可以產生多個頻率信號,這樣同一個電路就可以通過編程的方法得到多個所需要的頻率信號。例如一個頻率為3600 Hz的信號,通過分頻,可以得到:3600,1800,900以及450 Hz四個頻率信號,這4個信號可以代表4個高壓開關位置信息,可應用到4個開關量的測量上。其它頻率信號只要改變14級計數器的晶振,可以依照相同的方法獲得。

輔助接點接通可以控制可編程分頻器的工作,此時產生一個特定的頻率信息,該頻率就表示該開關的狀態信息;一旦輔助接點不能接通,則可編程分頻器不能工作,則表示該開關沒有正常工作,一旦被前端信息處理與控制器檢測到該信號不存在,就會通知信息處理中心。信號調理電路只需要一個簡單的RC并聯電路就可以了。實驗表明,系統對頻率信號的幅度、相位均沒有嚴格要求,只要幅度大于100 MV,波形類似于正弦波,使用一個普通晶振作為基頻就可以滿足設計要求。

圖2 前置采集終端電路框圖

2.2 控制與供電電纜

控制與供電電纜為四芯電纜,可以是帶屏蔽的,也可以不帶屏蔽。四個纜芯分別用作9 V供電、地線、信號傳輸線和控制線。其中供電纜芯根據終端數量的多少選擇電纜直徑。代表開關位置的頻率信號通過電容耦合到信號傳輸線上,實驗證明也可以通過電阻匯接到信號傳輸線上,由于信號傳輸線上直流分量比較大,該電阻在選擇時需要考慮承受一定的功率。考慮到測量的準確性,在設計時使用了控制線,控制線的作用是禁止所有頻率信號的產生,以便了解信號傳輸線上的噪聲干擾。

2.3 前端信息處理與控制器

前端信息處理與控制器的電路框圖如圖3所示。該部分的核心器件是ARM處理器,設計時選擇的是LPC2131。選擇ARM處理器的一個很大優勢是運行速度快,程序移植方便,處理能力強大。LPC2131是一個基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,并帶有32 kB嵌入的高速Flash存儲器。在進行頻譜分析時,通過接口與控制電路,向控制與供電電纜提供電源,前置采集終端具備電源以后開始工作,高壓開關輔助接點如果采集到開關位置信息,則該終端產生代表該開關的頻率信號;如果沒有采集到開關位置信息,則不產生代表該開關的頻率信號。所有的頻率信號通過控制與供電電纜傳送到前端信息處理與控制器。前端信息處理與控制器通過LPC2131的10位A/D轉換器采集到所有頻率信息。將這些信息通過快速傅立葉變換,再和數據庫中的頻率對比,從而判斷哪些頻率信號存在,哪些頻率信號不存在,從而獲得高壓開關位置狀態信息。

圖3 前端信息處理與控制器電路框圖

3 監測系統軟件設計

3.1 快速傅立葉變換算法

監測系統的最大特點就是引入了頻譜分析的方法,其核心的算法就是快速傅立葉變換[3](FFT:Fast Fourier Transform)。一維信號序列 f(x)={f(0),f(1),…,f(M-1)}離散傅立葉變換(DFT:Discrete Fourier Transform)可表示成公式(1):

將公式(3)中偶數和奇數部分分別設為

則可表示成公式(4):

3.2 頻譜分析軟件流程

頻譜分析軟件流程如圖4所示。

圖4 頻譜分析軟件流程

4 監測系統實驗數據分析

監測系統構建的測試環境為:

1)配置50個前置采集終端;

2)控制與供電電纜為四芯,長度大于200 m,纜芯導體截面0.75 mm2,不帶屏蔽。

3)測量結果打印輸出。由于數據較多,特提取10個典型測試數據,對比結果如表1所示。

表1 設計數據和測試數據對比結果

實驗結果分析如下:

1)滿足防衛度要求。為了測試頻率的準確性,防止因為溫度變化引起的頻率漂移,在編寫軟件時,一定要滿足一定的頻率偏移要求。系統設計時,防衛度為±3 Hz,測量結果完全滿足要求。當然防衛度也不是越大越好,容易引起不必要的干擾。

2)滿足測量精度要求。50個前置采集終端共進行了上百次實驗,每次監測的結果都達到100%。當采用帶屏蔽的電纜時,測量結果沒有任何變化。

3)滿足測量實時性要求。50個前置采集終端所監測的開關位置信息均能在1 s之內一次性判斷出來,這種并行處理數據的高效性是任何其它方法都難以比擬的,具有很強的實時性。

測量時應注意以下三點:

1)控制與供電電纜傳送到前端信息處理與控制器的信號直流成份較大,一定要采用電容隔離,并且將信號幅度限制在3.3 V以內,以滿足A/D轉換器的輸入要求。

2)快速傅立葉變換時,要選擇合適的歸一化幅值。由于多種信號在同一電纜中傳輸,傳輸的信號之間會產生多種交調信號,交調信號會對測試產生干擾,選擇合適的歸一化幅值是對交調信號進行篩選的一種措施。在設計頻率信號時,不要選擇出現在交調頻點上的信號。

5 結論

監測系統在遼寧電力公司試運行一年多時間,取得了令人滿意的監測效果。這種通過頻譜分析獲得高壓開關狀態信息的方法,在高壓開關監測領域為首次采用。該設計方法思路巧妙、速度快并且成本低,很容易推廣到電力系統其它的開關狀態信息檢測場所,從而帶來很好的經濟效益。同時,對其它行業開關量的實時監測,也是一種很好的借鑒和提示。

[1]劉國輝,馮啟明.采用單片機的高壓開關特性測試儀[J].電工技術,2001(5):45-46.

[2]肖文明,孔力.高壓開關機械特性在線監測系統的研制[J].高電壓技術,2004,30(1):52-53.

[3]張文.快速傅立葉變換實現方法的改進[J].懷化學院學報,2008,27(2):60-63.