基于VxWorks的变压器油中溶解气体在线监测系统

2014-08-23李志军宗起振谢奇峰张建学任济双

计算机与现代化 2014年4期

李志军，宗起振，杜林，谢奇峰，张建学，任济双

(1.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210032;2.重庆大学电气工程学院，重庆 400030)

0 引言

近年来，智能电网进入快速发展阶段，智能电网是促进可再生能源发展、实现低碳经济的核心。智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的，是建设智能电网的重要基础和支撑［1］。而智能变压器又是智能变电站的重要组成部分，它的正常运行与否直接关系到电网的安全，对变压器增加有效、及时的监测手段是十分必要的［2］，随着智能变电站建设的日益规范化和成熟化，对变压器油中溶解气体在线监测系统所具备的功能、性能以及通信规范提出了更高的要求，便于为变压器提供故障原因、故障位置、何时检修等提供依据，从而达到真正意义上的状态检修，最大程度地减少无谓检修及故障检修，提高了管理运营效率，降低维护成本，同时也有效保障了变压器运行的安全可靠性，对保证电网安全运行提供了重要基础。

随着嵌入式技术、通信技术的发展和广泛应用、Internet的普及以及国际上颁布了IEC61850通讯规范第2版等，都为变压器油中溶解气体在线监测系统开发和应用提供了有力的技术支撑［3-4］。

油浸的电力变压器无论在正常老化还是故障运行时都会产生低分子烃类、微水、CO、CO2等气体，这些气体将会溶解于油中，根据油中溶解的气体种类和浓度就可以判断变压器是否有故障以及故障的种类等信息［5］。因此如何提高变压器油中溶解气体在线监测的准确性和软件功能集成化是目前迫切需要解决的问题。目前油中溶解气体分析技术(DGA)是应用较早，也是较为成功的一种变压器故障诊断方法［6］。

传统变电站变压器油中溶解气体在线监测系统后台配置基本都采用工控机上运行Windows系列操作系统。为了适应智能变电站IEC61850通讯规约的要求，增加2种配置方式:

(1)加装运行Linux操作系统的IEC61850规约转换器，通过IEC61850规约转换器把采集的数据上传到站控层后台。

(2)加装运行Linux操作系统的IED(Intelligent Electronic Device，智能电力监测装置)，通过在IED开发IEC61850规约再上传到站控层后台［7］。

本装置采用了基于高实时性和高可靠性Vx-Works操作系统的嵌入式一体化平台，无需加装规约转换器或IED，直接与站控层后台通讯，是集成信号采集、算法分析、数据采集多元化、故障诊断、流程控制及IEC61850通讯等功能于一体的智能部件。

1 系统构成及工作原理

1.1 系统构成

本系统主要由载气单元、色谱单元、脱气单元、电气控制单元、IED、辅助设备组成。如图1所示，载气单元为压缩空气;脱气单元包括:油样采集和油气分离;色谱单元包括:气体进样控制、混合气体分离、气体检测;IED包括:信号采集和分析、通讯控制、故障诊断等;电气控制单元包括开关电源、固态继电器等;辅助设备包括变压器取油阀、油管及通讯电缆等。

图1 系统构成图

1.2 工作原理

如图2所示，装置自动获取油样，流过微水传感器室完成微水含量及油温检测，经油气分离单元得到混合特征气体进入六通阀的定量管，在载气作用下流过色谱柱实现各组分逐个分离，气体检测单元按H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H2、C2H6出峰顺序分别将 7 种特征气体变换成电压信号。IED完成电压信号采集、检测流程控制、谱图算法分析和色谱标定、数据存储、故障诊断评估、通信管理等功能;其中色谱标定根据离线色谱仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分、总烃的含量及各自的增长率，再由故障诊断模块进行诊断，从而实现变压器故障的在线监测。也可将监测结果通过IEC61850通信上传，经多参量、多诊断融合的变压器故障诊断专家系统实现变压器的综合故障诊断。

图2 系统工作原理图

2 硬件设计

2.1 现场自制载气

目前同类产品基本采用购买高纯度氮气或氧气等作为载气，一般一年左右需更换，不仅成本高，也给运行和维护带来不便。本装置在运行现场利用自然空气经过滤尘、压缩、稳压稳流等措施后获得干净、流速稳定的载气。

图3 气体净化部分原理框图

工作原理如图3所示，首先现场空气经过滤尘装置后完成除尘处理，通过无油空气压缩机完成制气。压缩空气中的水分通过排水阀对外排水;使用分子筛、变色硅胶、活性炭等对压缩气体进行净化并通过稳压阀、稳流阀对气源的压力、流量进行控制，从而得到载气。

2.2 油气分离

油气分离装置的脱气率对监测装置有着决定性的影响，油气平衡时间和脱气率决定了监测的周期和检测下限;油气分离的重现性决定了监测结果的可靠性。目前国内外的在线监测系统所用的油气分离方法的原理主要有:平板高分子透气膜法、真空脱气法、动态顶空脱气法和中空纤维脱气法几种。平板高分子透气膜法存在脱气效率较低、油气平衡时间较长，动态顶空脱气法存在油样脱气完后不能回收，中空纤维脱气法存在油泵循环油样时间长等不足。真空脱气法具有油气平衡时间短(一般为十几分钟)，脱气率达95%以上，且脱气完成的油样不受污染，能直接返回变压器本体等特点。

真空脱气法原理:利用亨利定律在一定温度下(气体在液体中的饱和浓度与液面上该气体的平衡分压成正比)，一定体积溶解有气体的样品油被注入到脱气室，借助真空搅拌作用，使油中溶解气体迅速析出，利用缸体活塞将析出的气体转移到集气室内。

监测装置采用真空全脱气法，主要部件包括油缸、气缸、行程限位开关、液位开关、缓冲室、脱气室、压力传感器、电磁阀、气源等。流程设计近十次脱气-集气过程，提高了脱气率，保证每次脱气-集气过程真空度不变，提高了重复性。采用进口气缸和油缸，寿命超十万次以上。设计完备的回油安全保护功能，确保杜绝任何情况下气体被带入变压器的可能。

2.3 温控系统设计

考虑到温度直接影响色谱柱的选择分离效果及检测器的灵敏度和稳定性，监测装置采用两级温度控制，第一级采用机柜专用工业空调，双层保温结构(柜体内外壁之间填充阻燃保温棉)，确保柜内温度恒定在5℃～35℃工作范围内。第二级控制色谱单元，色谱单元组成主要包括色谱柱、气体检测器、定量管等。色谱柱的传统加热方式主要采用烘箱、加热板、涂层、套管加热等方式，存在体积大、升温速度慢、温度不均匀和升温快但降温慢等不足;本装置色谱单元温控系统包括柱箱、铸炉、阻燃的保温棉、加热棒、循环风扇、温度传感器、高精度温控器。铸炉安装于柱箱内，铸炉和柱箱之间填充阻燃的保温棉;多支加热棒内嵌于铸炉壁内的不同方位，对铸炉加热，达到加热均匀且防止因个别加热棒损坏而导致无法加热。铸炉腔体内部安装循环风扇和温度传感器探头、加快热量平衡，温度传感器探头检测内部温度后将信号提供给高精度温控器，温控器依据设定温度采用PID温控调节控制加热棒。色谱单元温控精度达到±0.1℃，稳定性好，提高了色谱柱和检测器的性能。

3 软件设计与实现

3.1 VxWorks操作系统

为实现功能集成化设计，系统采用基于实时性、高可靠性、支持多任务的VxWorks操作系统和Power-PC处理器的嵌入式一体化平台。首先VxWorks操作系统本身占用资源少;在满足系统要求的情况下，对BSP进行最大可能的裁剪，编译后镜像文件不足2M;为了保证高实时性，对系统多任务的控制采用优先级抢占调度和时间片轮转调度机制。其次VxWorks有完善的技术支持，特别是与之相适应的开发工具Workbench3.0的出现，从而使开发人员能快速、高效、可靠地完成嵌入式应用系统的开发;最后，Vx-Works所采用的网络机制遵循标准的Internet协议，而且提供对其它网络的“透明”访问［8-9］。因此监测装置采用VxWorks操作系统，不仅满足了客户要求智能变电站主要设备采用实时高可靠性的嵌入式操作系统，更重要的是客户对装置的信任度立即凸显，从而提高了装置本身的商业价值。

3.2 SQLite数据库

SQLite是一种开放源码、超轻量级的嵌入式关系型的数据库引擎，可在多个嵌入式操作系统下进行移植。相对于数据存储采用文本文件方式比，SQLite数据库有很多优势:提供了对ANSI SQL92的大多数支持:支持多表、索引、事务、触发等和一系列的程序接口、API函数及驱动。SQLite动态链接库占用资源比较少，但支持的数据库最大达到2TB，提供B-Tree存储数据的模式，支持数据以ASCII码或二进制形式进行存储。SQLite 3支持大多数的SQL语言，具有轻小、快、简单、可靠、稳定、安全、属于关系型数据库、免费等特点［10-11］，而且实现了完备的、可嵌入的、零配置的SQL数据库引擎，因此非常适用于嵌入式应用开发中。由于本系统中有多个线程并发使用同一个数据库连接或 prepared statement，为了降低并发冲突，在SQLite编译时，对SQLITE_THREADSAFE=2进行宏定义，启用多线程模式。对sqlite3_open()打开数据库失败，ppDb指针参数返回一个无效的数据库句柄时，仍当需要调用sqlite3_close()，以及使用完数据库要及时关闭数据库等措施，有效地缓解了对数据库资源占用的负荷。

3.3 嵌入式Embedthis Goahead

随着嵌入式技术的发展以及Internet的普及，嵌入式Web服务器的应用越来越广泛。用户只需在客户端通过Web浏览器就可以实现对设备进行远程访问，这为管理、监测远程运行设备的状态提供了一种有效的方法和途径［12］。

Embedthis Goahead WebServer是一款开放源代码的嵌入式Web服务器程序。目前最新的版本是3.1，相比2.5版本，3.1 版本在可靠性和性能方面有不少的提高，Web服务器通过HTTP协议与浏览器进行通信，由于Embedthis Goahead支持ASP，可以实现动态页面。为提高图形可视化程度，本系统采用Dygraphs和wz_jsgraphics.js两种矢量图插件结合使用的方式，WebServer在收到客户端的请求后，与嵌入式应用模块交互，实现对变压器油中溶解气体监测装置参数的读取与设置，实现对装置状态、参数、历史数据以及曲线图在客户端浏览器中显示。

系统的软件设计采用动态优先级和多任务的思想，把整个系统划分为数据存储模块、故障诊断模块、历史查询模块、在线监测模块和IEC61850通信功能模块。系统软件框架如图4所示。

图4 系统软件框架

为了方便创建具有高度交互性的动态图形网页，Goahead开发了一种嵌入式的脚本语言 Ejscript。Ejscript是JavaScript的一个严格子集，实现了其基本语言要素。本系统采用高性能的矢量图形wz_jsgraphics.js［13］，wz_jsgraphics.js 是用来表示二维矢量图形的JavaScript语言，它简单易用。历史数据在网页中的显示如图5所示。

图5 历史数据网页

根据用户选中的谱图文件采用Dygraphs矢量图形库插件［14］画出曲线图，Dygraphs矢量图形库可以实现对曲线的放大、还原，多条曲线显示等功能，曲线图在浏览器显示如图6所示。

图6 曲线图网页

采用Goahead Web服务器技术较好地解决了对装置远程控制和监测能力，而且使信息图形化、界面简洁化、提高设备可维护性和可扩展性，有效地降低装置维护费用，提高对装置的管理水平。

3.4 IEC 61850 通信

IEC 61850通信是智能变电站的重要组成部分，IEC61850是一个完全以实现变电站自动化系统中智能电子设备互操作性为主要目的的通信标准体系，同时它也是建立数字化变电站的国际标准［15］，其次，IEC61850具有完整的数据对象建模方法和一致的服务接口，使得不同厂家设备之间的数据交互、功能联合及互操作成为可能，再加上其点对多点的交互通信模式非常适用于基于IP网络技术的系统［16］。因此在本监测装置中采用基于B/S架构的IEC 61850通信模式，并且系统具备日志、支持文件服务功能。客户端提出服务请求，从执行该服务的服务器收到确认或响应。客户端也可以接收来自服务器的服务指示，很好地满足了智能变电站的通信要求。在本装置中，SIML的部分数据对象如表1所示。

表1 SIML数据对象

4 结束语

本文通过研究智能变电站规范和发展要求，通过对在线监测系统硬件采用关键技术和优化设计，利用VxWorks操作系统的动态优先级、高实时性和可靠性特点，对嵌入式关键技术进行集成应用，开发出基于VxWorks的变压器油中溶解气体在线监测系统，本监测装置已在国家电网、南方电网多个智能变电站(变压器型号如 ODFPS-334000/500kV、ODFPS-250000/500kV、SFSZ-150MVA/220kV等)应用，实际运行表明:本装置具有运行稳定、测量较准确、支持远程管理和远程升级、维护方便等功能，较好地解决了现场应用各项技术要求，提高了对装置远程监控能力和管理水平，有效地降低了装置的运行维护费用，满足了对智能变压器在线状态检修的要求。这对于今后智能变压器在线监测系统的研发和应用具有重要的参考意义以及广阔的推广使用价值。

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