嵌入式系统在电力变压器监测中的应用

电力设备的状态监测与故障诊断是近10年来备受关注的研究和实施领域，是保障电力系统稳定可靠运行的前提，也是智能电网[1]重点研究和发展的领域之一。在电力系统中，诸如发电机、水轮机、励磁和调速系统、继电保护等，均已全部或部分实现了状态监测和故障诊断。然而，电力变压器（尤其是配电系统中）却是无人问津的荒地，完全未纳入监测、故障诊断和预警服务的范围。
    电力设备在线运行状态监测指对设备的运行状态进行记录、分类和评估，它为设备维护、维修提供决策依据，为设备积累完整和真实的运行记录资料，为故障分析和诊断提供真实依据，为故障预防和处理提供科学依据，它包括以下任务：
    (1)积累设备运行情况资料和数据,建立设备运行的历史档案；
    (2)对设备运行状态处于正常或异常做出初步判断，根据历史档案、运行状态等级和已出现的故障特征及征兆初步判断故障的性质和程度；
    (3)对设备的运行状态进行评估，并对评估进行分类，为设备检修的实施提供依据。
    电力设备在线监测与诊断技术发展趋势是：
    (1)电力系统监测与前沿性技术成果紧密结合：将计算机技术、通信技术、人工智能技术、电力电子技术与设备诊断技术结合起来,使诊断技术不断提高；
    (2)单一化向群体监测发展：由以单台设备为目标的在线监测向整体在线设备的监测延伸；
    (3)设备状态的远程监测和网络化跟踪：将设备监测技术与计算机网络技术相结合，在设备状态参数采集后，采用移动通信技术远程传送数据，集中进行故障分析和故障预警；
    (4)状态监测系统与其他系统联网、集成：随着传感技术和信息技术的日益成熟，将状态监测系统与继电保护等系统有机结合，在智能化理论(如神经网络和专家系统)的基础上结合信号采集、数据分析为主的计算机辅助监测和诊断技术，电力设备状态监测与故障分析诊断必将进入智能化的新时代。
    根据上述电力设备在线运行状态监测技术和发展趋势，结合监测技术未涉足电力变压器的现状，本文针对电力变压器，提出了在线运行状态监测系统，利用嵌入式系统实现了在线运行参数的采集处理[2-3]，通过移动通信网络实现数据远程传输，并结合“电力设备在线监测预警服务平台[4]”，实现电力变压器的故障分析和预警服务。
1 电力变压器监测系统结构
1.1 系统结构
    利用嵌入式系统实现的电力变压器在线监测系统结构如图1所示，系统由传感器、变送器、ARM9 CPU、RF发射模块（USB GPRS 模块）等组成。

1.2 工作流程
    图2给出了电力变压器在线监测系统的部分电路。

    (1)前端数据采集：电力变压器的监测参数包括温度、电压/电流和开关状态三类参数，其中温度和电压/电流为模拟量，温度信号通过温度传感器获取，电流/电压信号通过电流/电压变送器获取；模拟量获取后的取值均为0~5 V的电压信号，均经过信号隔离电路LM339后输入到多路转换电路CD4051，之后经由采样保持电路LF398，输入到A/D转换器，将获取的模拟信号转换为数字信号，然后由CPU进行数字处理；开关状态为开关量信号，通过去抖和整形信号处理后，交由开关量信号接收电路送至CPU，然后由CPU进行统一地信号处理。
    (2)数据处理：CPU对采集的模拟量和开关量进行排序和归一化处理，形成标准的数据格式，并按窗口方式进行移动保存，同时对采集数据进行异常判断，加注异常标识，以便优先上传和处理。
    (3)数据上传：CPU根据数据处理的结果，通过标准USB接口电路和带USB接口的射频电路(USB GPRS模块)，优先上传带有异常标识的数据，在没有异常标识的情况下，定时轮流上传模拟量和开关量信号。
    (4)数据显示：通过LED构成的显示电路，在LED上轮流显示采集的温度值、电压/电流值。
    (5)配置管理：通过RS485接口电路接受远程配置管理，包括采集数据整定值、数据保存窗口大小、异常数据阀值、上传数据格式、上传信号通道配置、上传信号时间配置等。
2 电力变压器监测系统实施参数
2.1 系统实施参数
    (1)CPU：(ARM9)AT91RM900，主频266 MHz；
    (2)A/D转换：12 bit；
    (3)操作系统：嵌入式Linux；
    (4)多路转换开关：CD4051，8路；
    (5)模拟量：支持8路；
    (6)开关量：支持8路；
    (7)RF模块：采用移动网络(GSM)的USB GPRS接口模块；
    (8)远程通信接口：RS485，用于系统配置；
    (9)显示：2×6 bit LED。
2.2 软件参数配置
    (1)采集点数配置：根据实际采集点配置采集点数；
    (2)采集参数值整定：归一化参数映射值；
    (3)异常整定：采集参数连续3次超过整定值，即为异常；
    (4)远程通信整定：包括传输通道配置、传输时间配置、传输优先级别配置。
2.3 采集参数
    (1)温度采集点数：3路；
    (2)电压采集点数：3路；
    (3)电流采集点数：2路；
    (4)开关量采集点数：4路。
    本文给出的针对电力变压器的监测系统，可以扩展应用于其他的电力设备，例如箱式变电站、高压开关柜等尚未进行监测的电力设备。其中的模拟量采集信号可以进行扩充，达到32路，开关量采集信号可以达到16路。为了保证系统的抗干扰性，本文设计的监测系统采用高抗干扰性能的USB GPRS模块，并采用信号监测及返回校验和看门狗，保证远程传输的可靠性。并采用相应的电磁屏蔽方式，对系统中的核心部件进行屏蔽处理。
参考文献
[1] 许振山，刘峥嵘，张智超，等.嵌入式Linux开发应用详解[M].北京：北京机械工业出版社，2004.
[2] 程玲.电力系统设备状态监测与故障诊断[J].水电厂自动化，2008，29(3)：67-68，75.
[3] 刘伟明，陈建元.嵌入式电能质量监测装置的设计与实 现[J].电子测量技术，2008，31(11)：164-167.
[4] 刘娅琴，聂为清.电力设备在线监测预警服务平台[D].2009年中国嵌入式系统年会会议论文，2009.