基于光聲光譜原理的變壓器油中氣體在線監測系統研究

曾毅+嚴新榮+李志軍+宗起振+曹玲燕

摘 要：當前，嵌入式軟件應用越來越廣泛，根據變壓器油中氣體在線監測系統特點，利用VxWorks操作系統、嵌入式Sqlite數據庫、Webs GoAhead等相關技術，采用B/S架構、IEC61850通信規范，以C語言、Javascript語言和矢量圖形庫插件為工具，結合隨機森林算法和三比值相結合的診斷方法，提出了基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監測系統軟件設計，并實現了單臺監測裝置對多臺變壓器的數據采集、Web服務、故障診斷功能。經現場應用驗證，系統運行穩定、性價比高，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：VxWorks；GoAhead；隨機森林算法；光聲光譜；IEC61850

DOIDOI：10.11907/rjdk.171212

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0100-03

0 引言

基于氣相色譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監測是近年來應用較為廣泛的輸變電設備狀態監測技術，由于變壓器油中產生的各種故障氣體的組成和含量與變壓器故障類型及其嚴重程度有密切關系，因而通過對變壓器油中溶解氣體進行實時而連續的在線監測，可及時發現變壓器內部存在的潛伏性故障并實現狀態檢修，結合診斷技術可預測及跟蹤其故障發展趨勢[1-3]，由此基于氣相色譜原理變壓器油中溶解氣體在線監測產品在電網系統得到了廣泛應用和推廣。但也存在某些不足：如存在需定期更新載氣和色譜柱，維護成本高；測量精度也有待提高等缺點。

本文提出的基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監測系統可以很好地解決上述問題，同時依托硬件和軟件的支持，實現了單臺監測智能單元（簡稱IED）同時監測兩臺變壓器油中溶解氣體的功能，大大降低了監測設備的生產、采購以及運維成本。

1 光聲光譜檢測原理

光聲光譜檢測原理PAS（Photo Acoustic Spectroscopy），是利用一束強度可調制的單色光源照射到密閉光聲池的待測氣體（以氣體為例），氣體吸收光能，并立即以釋放熱能的方式退激。釋放的熱能使氣體按光的調制頻率產生周期性加熱，從而導致介質產生周期性壓力波動，這種壓力波動可用微音拾音器和壓電陶瓷傳聲器檢測，并通過放大得到光聲信號。由于每種氣體都有其特有的紅外光譜（通常指吸收光譜），根據這種氣體的特性，采用特定的單色光波長進行照射，則可檢測到隨波長變化的光聲信號圖譜，從而得到待測氣體分子濃度[4-6]

2 系統技術特點

Vxworks（RTOS）依靠其良好的實時性和高可靠性在通信、國防、醫藥等技術尖端和新興領域中被廣泛應用[7]，與其它嵌入式操作系統如Linux相比，Vxworks系統具有高可靠、可裁剪和高實時性等特點。它采用多任務機制，對任務的控制采取優先級搶占和時間片輪轉調度機制，從而保證了重要任務優先響應。

Embedthis GoAhead Webserver3.6[8]是一款開放源代碼，采用C語言的嵌入式WebServer程序，因此移植性比較強，支持如 Linux、VxWorks、WinCE、pSOS等多種操作系統，其重要特性有：支持虛擬服務器，支持ASP、JavaScript、CGI、DHTML，占用內存少等特點。與風河公司提供在Vxworks操作系統下的有償WebServer開發包相比，更具有經濟上的優勢。因此，采用Embedthis GoAhead Webserver是在Vxworks開發WebServer的首選[9-10]。

SQLite3是一款開放源代碼的超輕量級嵌入式關系型的數據庫引擎，非常適合在嵌入式應用開發中。其特點：支持大多數的SQL語言、多表、索引、視圖、事務、觸發和一系列的API接口函數及驅動，具有小、快、簡單、穩定、可靠、安全、免費以及零配置的SQL數據庫引擎等特點[11-12]。

3 系統設計與實現

本系統采用實時性高的Vxworks6.8操作系統、Embedthis GoAhead3.6的Web服務器、嵌入式Sqilte3數據庫、IEC61850通信協議等技術。Vxworks開發工具為workbench3.2，硬件平臺采用PowerPC處理器。由于本系統不僅要對兩臺變壓器進行數據采集，同時也采集微水、溫度、鐵心接地電流等數據，具有對多種設備或傳感器數據同時采集、處理，支持Web瀏覽、數據查詢、參數修改、IEC61850服務器、數據遠傳等多種功能，因此，在系統軟件設計時根據了VxWorks自身的優勢，采用了多任務、動態優先級的設計理念。其系統總體架構如圖1所示。

3.1 數據采集模塊

光聲光譜單元完成油中溶解7種特征氣體（H2、CH4、C2H2等）的數據采集，傳送給監測智能單元。監測智能單元除采集這7種氣體數據外，還集成了多種傳感器，通過RS485/RS323串口采集溫度、微水以及變壓器鐵心電流等數據。在本系統中，依靠對油氣分離單元硬件的專門設計與軟件設計的緊密配合，采用兩路送/回油路，通過軟件轉換油閥方向，在國內首次實現單臺監測智能單元同時對兩臺變壓器油中溶解氣體數據的采集功能。理論上，采集兩臺變壓器油中溶解氣體數據所用時間是單臺變壓器所用時間的2倍。相對于采用氣相色譜原理，采用光聲光譜原理具有數據采集量少、采集時間短、測量精度高、重復性好等優點。

3.2 Web服務器模塊

Web服務器模塊主要通過采用B/S架構，可以實現對多臺變壓器設備進行遠程化管理，用戶只需在客戶端瀏覽器輸入監測智能單元事先設置好IP地址就可以進行遠程訪問，IED具有IP、串口參數配置、歷史數據瀏覽、趨勢圖分析、故障診斷、實時監測設備運行狀況等功能，實現對IED遠程化管控。為了方便創建具有高度交互性的動態圖形網頁，在本系統中用到的GoAhead WebServer開發包中提供一種嵌入式的EJscript腳本語言，它可實現靈活方便的人機交互。它由Web服務器端提供，由客戶端瀏覽器裝載，運行在客戶端，Web服務器只需提供給客戶端所需的基礎數據，再利用嵌入式JavaSeript具有與平臺的無關性，最后在客戶端瀏覽器上完成對數據的計算、顯示功能，這樣極大減輕了Web服務器的負擔。同時為了在頁面上呈現出滿足用戶所需要的的矢量圖形以及數據趨勢圖，本系統采用了高性能的wz_jsgraphics.js[13]和dygraph.js[14]矢量圖形插件。實時監測頁面如圖2所示。endprint

3.3 通信功能模塊

通信功能模塊主要是通用采用標準的MODBUS、IEC61850、I2等通信規范以及私有通信規約完成與后臺服務器的數據傳送功能，同時采用SNTP（Simple Network Time Protocol）技術使IED和后臺服務器時鐘同步，使IED數據采集、分析、處理和實時監測所采用的時標與服務器時間保持一致性。隨著智能變電站對狀態信息的數字化采集，通信規約和傳輸網絡的標準化，以實現可靠快速實時監測與故障分析[15]。為此，本系統采用基于IEC61850通信規范作為最主要的通信方式之一。

3.4 DGA故障診斷模塊

DGA故障診斷模塊采用立方體圖示法、TD圖、大衛三角形等方式顯示診斷結果，本系統通過采用隨機森林算法與改良三比值相結合的方式，使故障分類更加有效，從而提高了對故障診斷的準確性。同時具有對歷史數據趨勢進行分析，以及具有放大、還原、選擇要顯示的曲線條數等功能，如圖3所示。

4 系統性能

本系統測試環境如下：

嵌入式操作系統：Vxworks6.9；關鍵技術：數據庫采用SQlite3.8，WebServer采用GoAhead3.6，IEC61850通信接口采用開源的libiec61850庫。為測試本系統運行時的整體性能，采用CPU：MPC8313E、PowerPC32-Bit，主頻為400MHz。在數據采集負載均衡，5個瀏覽器客戶端和5個IEC61850客戶端下： IEC61850通信服務響應時間一般在0.1～0.3s，WebServer在傳輸30K個字節左右，響應時間在1.0～1.2s。采用光聲光譜比采用氣相色普柱技術的采集時間縮短了50%左右。在滿負荷下測試表明，系統整體性能運行穩定、響應及時，滿足實際工程需求。

5 結語

本文詳細介紹了光聲光譜原理，Vxworks、SQlite和Goahead Webserver等開發中采用的一些關鍵技術，以PowerPC 處理器作為硬件平臺， 采用VxWorks6.8為嵌入式軟件平臺， 實現了基于光聲光譜原理的變壓器油中溶解氣體在線監測系統開發，同時國內外創新提出單臺設備對多臺變壓器的在線監測功能，已在電網、電廠、鋼鐵、石化等行業有應用經驗。結果表明，該系統較好地解決了單臺設備對多臺變壓器的遠程監控，以及通信標準化、信息圖形化、Web界面簡潔友好、故障診斷多樣性等技術難題，可有效地降低產品的生產、運行和維護費用。對于高壓電氣設備在線監測產品的嵌入式開發具有重要的參考價值。

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