基于DSP的大型電氣設備在線狀態自動監測系統設計

彭 亮

（遼寧鐵道職業技術學院，遼寧 錦州 121000）

0 引 言

DSP是一種性能較高的微處理器，適用于數字信號的處理[1]。數字信號處理器的出現，實現了數字信號處理技術與實際應用的結合，進一步推動了這項技術的發展，同時也拓寬了這項技術的應用領域。目前，國內的DSP產品已經非常豐富，開發系統的品種也很多，因此在設計大型電氣設備在線狀態自動監測系統時，利用DSP技術的應用會有更大的優勢。

1 系統硬件設計

1.1 硬件結構

利用微處理器進行控制，以數據處理作為其核心，再利用計算機、數字諧波及傳感等方面的技術進行更多的參數在線監測[2]。這種在線監測系統能夠存儲大量的信息數據，并節省數據處理的時間，在監測數據的同時能夠快速地顯示、保存及傳輸，并實時做出警報，整個過程不需要人工進行操作，實現了系統自動化的監測。這種技術也可以應用于電力系統設備缺陷檢測。

將DSP作為技術核心，用于大型電氣設備的在線監測上，能夠大大突出其優點[3]。DSP有多個轉換器、增加獲取能力的單元以及能承載超大容量的存儲器。這些設備為電路的設計、采樣交流以及控制通道的轉換提供了更方便的服務。DSP具備的高速串并端口為在線監測裝置與上位機間的交流提供了保障，從而實現了網絡與網絡間的互聯，滿足了設備自動化的需求。目前的市場上，DSP的性能普遍提高，但價格總體呈下降趨勢，因此價格優勢大大超過了傳統的監測系統，節約了大量的成本。基于DSP的在線狀態自動監測系統使用的資源及編程更加靈活，能夠使測量參數的改變更便捷，因此可以滿足不同電壓等級在測量時的需求。

1.2 信號獲取

傳統的監測系統采用的是單片機的計算機技術。這種技術能夠基本保證計算的精確度，但信號取樣的模式存在不同的設計，其設計要求能夠準確反映其電流運動的波形，并且做到電氣分離。信號的獲取主要分為如下兩種。

第一種是利用鉗形的電流互感器固定接地線，在其系統的輸出段能夠獲取到電流的信號。這種方法存在的弊端是難以保障傳出的電流信號不失真，誤差較大。第二種方式是在計算器外獲得監測的信號。這種方法相較于第一種安裝簡單，但取樣受到限制，計算器兩端電壓必須和流過計算機的電流成線性關系來保證電壓的信號能夠真實反映電流的波形。但大多數的計算器滿足不了這種線性關系。

基于這兩種方法存在的問題設計一種將信號由一匝穿芯式無緣交流傳感器套在末屏接地線上，在傳感器左右兩側的副邊上接入精密電阻的方法。這種方法的信號獲取接線方式較前兩種簡單，并且精準度更高，能夠滿足測量時所需的條件。

1.3 信號預處理

在線自動監測系統中，信號的預處理是指將電路信號轉換為用于之后系統處理的數據采集、控制過程或其他作用的數字信號。信號的調節要連接著傳感器，通過傳感器的電路信號要經過過濾、放大及保護等環節，被處理成為適用于采集的信號，再進行下一步的數據采集。信號在轉換過程中的精度及穩定度關系著整個系統的精度及穩定度，在轉換電路的設計出現不當時，系統后面的環節不管怎樣計算都無法達到預期，因此轉換信號的電路設計是非常重要的環節。

2 系統軟件設計

2.1 軟件結構

在大型電氣設備在線狀態自動監測系統的軟件設計中，以模塊化的設計思路結合硬件的結構特點，將各裝置需要完成的不同任務進行如下的軟件劃分，在程序上分為主程序和中斷服務程序兩種。其中主程序又可分為起始模塊、數據提取模塊、輸入輸出模塊及通信模塊。在通過這些模塊和中斷服務程序共同作用下，完成對大型電氣設備的自動化監測。這些軟件模塊在主程序的指令下能夠協作調配。在系統中，主程序要先進行初始化操作，需要初始化的有系統時鐘、片內外時鐘、管理器模塊、向量表及存儲器等，在初始化任務完成后才能開始執行后續的程序命令。

2.2 芯片選擇

軟件中的核心要素是芯片，由于芯片的種類有很多，所以在線監測系統中對于軟件的選擇是非常重要的，只有正確的選擇才能降低成本，增加系統精準度。

在功率的損耗上，監測系統中大部分需要芯片的地方都是便攜式的產品，其電量都是儲存在產品本身，因此儲存電量少，需要功率消耗盡可能小的芯片。在線自動監測系統在編程上對于技術和經驗的要求較高，因此需要足夠大的內存及容量，傳統的系統編碼會降低數據傳輸的效率，而芯片的應用使編程變得簡單、方便，效率也有所提高。在數量上，芯片的數量直接決定著產品的成本，要在適當的范圍內，盡可能減少芯片的數量。

2.3 通信模塊

由于大型電氣設備在線自動監測是一個漫長的過程，因此采集信息時會儲存大量的數據，但系統監測過程中不需要全部的被采集數據，只需要能夠顯示故障時的信息即可。根據這一問題，設計的通信模塊會將正常工作室的數據儲存在上位軟件中，將故障信息進行存儲。具體方法如下，在監測一段時間內，如果數值沒有超出設定的范圍，則每隔5 min覆蓋上一階段的數據；若在檢測過程中出現故障，則中斷現有數據，將錯誤的數據進行上報。軟件在這一過程中能夠做到對錯誤數據的識別、處理及上報。

3 系統監測實驗

為了對比基于DSP的大型電氣設備在線狀態自動監測系統比傳統監測系統有更大的優勢，設計出一個對比試驗。在其他外界條件相同時，分別用兩種方法進行監測。在設備出現故障時，分析并記錄兩種方法的檢測精度及存儲數據的數量，并進行記錄，表1為兩種方法的監測結果記錄。

表1 兩種方法的檢測結果記錄表

通過實驗及表格中記錄的數據可知，在線監測系統的存儲數據能力較強，一般在10～13個，而傳統方法只能存儲4～6個數據，并且在線監測系統的精度更高，基本維持在90%以上，而傳統方法精度只在70%上下浮動。

基于DSP的自動監測系統提高了監測的精確度，避免了計算產生的誤差，同時在采集時通過DSP進行采集也提高了轉換的精度。在存儲方式上，采用掉電保護技術增加了數據的可靠性，利用DSP對數據進行存儲擴大了存儲的空間。同時，基于DSP的在線檢測系統大大減少了計算量，提高系統處理數據的速度，保證系統能在異常運行時自動啟動，提高了系統的可靠性優勢。

4 結 論

目前，電氣設備的在線監測系統涉及電子技術、計算機技術及信息處理技術等。本文對于基于DSP的在線監測系統的設計還沒有做到充分地研究，對于未來的研究還應該從理論、數據采集以及系統的結構方面進行更加深入的研究。此外，還要結合我國電氣設備運行的實際，探尋新的方法和技術，做到更快捷、方便地實施在線監測及診斷。