基于频谱分析方法的高压开关在线监测系统的设计

刘展威,崔维新

(1.石家庄铁道大学信息科学与技术学院,石家庄 050043;2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)

随着经济的迅速发展,对电力的依赖越来越严重,因此对于电力的调度和合理使用的要求越来越高。高压开关是电力系统安全运行重要的开关设备,高压开关状态监测以及隔离开关位置的在线监测越来越受到人们的重视。

目前,高压开关位置状态在线监测系统采用的方法主要以单片机(或DSP)[1,2]作为前置采集终端,将采集到的开关状态信息通过GPRS(通用无线分组业务)无线通信方式或其它通信方式传送到控制处理中心。这种类型的高压开关状态在线监测系统在设计思想上有以下弊端:

1)前置采集终端数量多而且分散,不利于系统供电,供电成本很高。

2)前置采集终端多采用单片机控制,电路相对复杂,电路成本高,同时由于现场干扰严重,增加了系统的不稳定性。

3)判断故障周期较长,实时性差,无论采用问答式,还是采用循环式,系统对故障的判断都不能并行处理,大大增加了故障判定时间。

4)选择的通信方式成本过高,现有的高压开关状态在线监测系统多数采用GPRS无线通信方式,需要在前置采集终端配置一个GPRS通信模块,无疑会大大增加系统的成本。

基于频谱分析方法的高压开关在线监测系统(以下简称监测系统)是一种集电路简单、成本低廉以及可靠性高于一体的实时在线监测系统。系统设计思想是:

1)最大程度地简化前置采集终端电路,以简单的数字逻辑电路代替复杂的单片机电路,从而提高系统的可靠性,并降低系统的成本。

2)提高电缆的利用率,所有的测试信号集中在一根多芯电缆上同时传输,同时本电缆还为前置采集终端供电,大大降低供电成本。

3)采用快速傅立叶变换(FFT)集中频谱分析,快速并行识别各个代表不同高压开关的频率信号,大大提高系统的实时性。

4)采用高性能ARM系列微处理器(32位)作为前端信息处理控制器,在不增加系统成本的前提下,大大提高系统处理能力和处理速度,同时降低系统成本。这些设计思想上从根本上突破了以往设计思路,为电力系统高压开关的高效、安全运行提供了有力保障。

1 监测系统整体设计

监测系统整体设计框图如图1所示。系统主要包括以下几个部分:前置采集终端;控制与供电电缆;前端信息处理与控制器;信息处理中心。

图1 智能监测系统整体设计框图

1)前置采集终端的主要功能:从高压开关辅助接点采集开关位置信息;产生特定频率信号,该信号与高压开关位置信息对应,在同一个变电站内,一个频率信号只能表示一个高压开关辅助接点(一个高压开关可以有多个辅助接点,只需要选择一个辅助接点,常开的或常闭的均可)。

2)控制与供电电缆的主要功能:为前置采集终端提供电源;控制各个特定频率信号的产生与停止;耦合各个前置采集终端发射的测量信号。

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3)前端信息处理与控制器的主要功能:集中处理前置采集终端传输的信息,运用快速傅立叶变换(FFT)进行频谱分析,判定高压开关的位置信息;将分析处理结果,通过电力IP网络或远动设备发送到信息处理中心。

4)信息处理中心的主要功能:集中处理多个前端信息处理与控制器发送的处理结果,及时反映高压开关故障位置信息,通过GIS方式显示出来。

2 智能监测系统硬件设计

2.1 前置采集终端

前置采集终端的电路框图见图2。该终端核心电路由一个14级计数器和由两个十进制器构成的可编程分频器组成。14级计数器可以产生一个频率小于4000 Hz的方波信号,该信号再经过可编程分频器可以产生多个频率信号,这样同一个电路就可以通过编程的方法得到多个所需要的频率信号。例如一个频率为3600 Hz的信号,通过分频,可以得到:3600,1800,900以及450 Hz四个频率信号,这4个信号可以代表4个高压开关位置信息,可应用到4个开关量的测量上。其它频率信号只要改变14级计数器的晶振,可以依照相同的方法获得。

辅助接点接通可以控制可编程分频器的工作,此时产生一个特定的频率信息,该频率就表示该开关的状态信息;一旦辅助接点不能接通,则可编程分频器不能工作,则表示该开关没有正常工作,一旦被前端信息处理与控制器检测到该信号不存在,就会通知信息处理中心。信号调理电路只需要一个简单的RC并联电路就可以了。实验表明,系统对频率信号的幅度、相位均没有严格要求,只要幅度大于100 MV,波形类似于正弦波,使用一个普通晶振作为基频就可以满足设计要求。

图2 前置采集终端电路框图

2.2 控制与供电电缆

控制与供电电缆为四芯电缆,可以是带屏蔽的,也可以不带屏蔽。四个缆芯分别用作9 V供电、地线、信号传输线和控制线。其中供电缆芯根据终端数量的多少选择电缆直径。代表开关位置的频率信号通过电容耦合到信号传输线上,实验证明也可以通过电阻汇接到信号传输线上,由于信号传输线上直流分量比较大,该电阻在选择时需要考虑承受一定的功率。考虑到测量的准确性,在设计时使用了控制线,控制线的作用是禁止所有频率信号的产生,以便了解信号传输线上的噪声干扰。

2.3 前端信息处理与控制器

前端信息处理与控制器的电路框图如图3所示。该部分的核心器件是ARM处理器,设计时选择的是LPC2131。选择ARM处理器的一个很大优势是运行速度快,程序移植方便,处理能力强大。LPC2131是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,并带有32 kB嵌入的高速Flash存储器。在进行频谱分析时,通过接口与控制电路,向控制与供电电缆提供电源,前置采集终端具备电源以后开始工作,高压开关辅助接点如果采集到开关位置信息,则该终端产生代表该开关的频率信号;如果没有采集到开关位置信息,则不产生代表该开关的频率信号。所有的频率信号通过控制与供电电缆传送到前端信息处理与控制器。前端信息处理与控制器通过LPC2131的10位A/D转换器采集到所有频率信息。将这些信息通过快速傅立叶变换,再和数据库中的频率对比,从而判断哪些频率信号存在,哪些频率信号不存在,从而获得高压开关位置状态信息。

图3 前端信息处理与控制器电路框图

3 监测系统软件设计

3.1 快速傅立叶变换算法

监测系统的最大特点就是引入了频谱分析的方法,其核心的算法就是快速傅立叶变换[3](FFT:Fast Fourier Transform)。一维信号序列 f(x)={f(0),f(1),…,f(M-1)}离散傅立叶变换(DFT:Discrete Fourier Transform)可表示成公式(1):

将公式(3)中偶数和奇数部分分别设为

则可表示成公式(4):

3.2 频谱分析软件流程

频谱分析软件流程如图4所示。

图4 频谱分析软件流程

4 监测系统实验数据分析

监测系统构建的测试环境为:

1)配置50个前置采集终端;

2)控制与供电电缆为四芯,长度大于200 m,缆芯导体截面0.75 mm2,不带屏蔽。

3)测量结果打印输出。由于数据较多,特提取10个典型测试数据,对比结果如表1所示。

表1 设计数据和测试数据对比结果

实验结果分析如下:

1)满足防卫度要求。为了测试频率的准确性,防止因为温度变化引起的频率漂移,在编写软件时,一定要满足一定的频率偏移要求。系统设计时,防卫度为±3 Hz,测量结果完全满足要求。当然防卫度也不是越大越好,容易引起不必要的干扰。

2)满足测量精度要求。50个前置采集终端共进行了上百次实验,每次监测的结果都达到100%。当采用带屏蔽的电缆时,测量结果没有任何变化。

3)满足测量实时性要求。50个前置采集终端所监测的开关位置信息均能在1 s之内一次性判断出来,这种并行处理数据的高效性是任何其它方法都难以比拟的,具有很强的实时性。

测量时应注意以下三点:

1)控制与供电电缆传送到前端信息处理与控制器的信号直流成份较大,一定要采用电容隔离,并且将信号幅度限制在3.3 V以内,以满足A/D转换器的输入要求。

2)快速傅立叶变换时,要选择合适的归一化幅值。由于多种信号在同一电缆中传输,传输的信号之间会产生多种交调信号,交调信号会对测试产生干扰,选择合适的归一化幅值是对交调信号进行筛选的一种措施。在设计频率信号时,不要选择出现在交调频点上的信号。

5 结论

监测系统在辽宁电力公司试运行一年多时间,取得了令人满意的监测效果。这种通过频谱分析获得高压开关状态信息的方法,在高压开关监测领域为首次采用。该设计方法思路巧妙、速度快并且成本低,很容易推广到电力系统其它的开关状态信息检测场所,从而带来很好的经济效益。同时,对其它行业开关量的实时监测,也是一种很好的借鉴和提示。

[1]刘国辉,冯启明.采用单片机的高压开关特性测试仪[J].电工技术,2001(5):45-46.

[2]肖文明,孔力.高压开关机械特性在线监测系统的研制[J].高电压技术,2004,30(1):52-53.

[3]张文.快速傅立叶变换实现方法的改进[J].怀化学院学报,2008,27(2):60-63.