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變壓器是電力系統(tǒng)的重要器件，其運(yùn)行是否可靠，直接決定著供電系統(tǒng)的可靠性。油中溶解氣體分析（dissolved gas analysis,DGA）是診斷變壓器潛伏性故障zui有效的方法之一。通過對變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測，可以實(shí)時或定時監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀況，判斷運(yùn)行是否正常，診斷變壓器內(nèi)部存在的故障性質(zhì)、類型、嚴(yán)重程度并預(yù)測故障發(fā)展的趨勢，實(shí)現(xiàn)變壓器的狀態(tài)檢修。
1. 監(jiān)測系統(tǒng)原理
對于大型電力變壓器，目前幾乎都是用油來絕緣和散熱。變壓器油與油中的固體有機(jī)絕緣材料（紙和紙板等），在運(yùn)行電壓下隨運(yùn)行時間的增加，因放電和熱的作用會逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及CO、CO2氣體 ，變壓器的內(nèi)部絕緣故障常常伴隨著局部過熱和局部放電現(xiàn)象，會使油或紙分解產(chǎn)生H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2等氣體。當(dāng)故障不太嚴(yán)重、產(chǎn)氣量較少時，所產(chǎn)生的氣體形成的氣泡會在油里經(jīng)對流、擴(kuò)散 、不斷地溶解于絕緣油中; 當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在潛伏性過熱或放電故障時，就會加快這些氣體的產(chǎn)生速度，產(chǎn)生速率大于溶解速率時，在變壓器里會有一部分氣體進(jìn)入氣體繼電器。此外，發(fā)熱和放電的產(chǎn)生程度不同，所產(chǎn)生的氣體種類、 油中溶解氣體的濃度、 各種氣體的比例關(guān)系也不相同，而與絕緣油的種類與牌號無關(guān)。因此，油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度，通過對油中溶解氣體進(jìn)行在線監(jiān)測，便可發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的發(fā)熱和放電性故障。
2. 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
圖1為在線監(jiān)測系統(tǒng)的框圖，其主要是采用光聲光譜技術(shù)對油中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 這7種氣體的濃度進(jìn)行測量，利用電容型駐極體微音器作傳感器，傳感器輸出的信號經(jīng)過放大、濾波后，由AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并通過串行通信把數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)，PC機(jī)完成對數(shù)據(jù)的處理和分析，形成各種氣體濃度的趨勢圖，組建數(shù)據(jù)庫分析變壓器內(nèi)部潛伏性故障。
圖1 在線系統(tǒng)監(jiān)測框圖
2.1 傳感器系統(tǒng)
采用光聲光譜技術(shù)（PAS）能夠準(zhǔn)確計量氣室中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 這7種氣體的濃度，該法（見圖2）基于氣體的光聲效應(yīng)，即利用光吸收和聲激發(fā)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過對聲信號的探測從而了解光吸收的過程，由于光吸收激發(fā)的聲波頻率由調(diào)制頻率確定，而其強(qiáng)度則只與吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此可通過檢測氣體分子吸收電磁輻射（如紅外線）后所產(chǎn)生的壓力波來檢測氣體濃度（該壓力波強(qiáng)度與氣體濃度呈一定比例關(guān)系）。與其它光譜技術(shù)相比，該法測量的是樣品吸收光能的大小，因而反射、散射光等對測量干擾很小，尤其在對弱吸收樣品以及低體積分?jǐn)?shù)的測量中，盡管其吸收很弱，但不需要與入射光強(qiáng)度進(jìn)行對較，從而提高了測量的準(zhǔn)確度。另外，其光聲室容積較小（2～3 ml），利于提高油氣分離效率。
傳感器是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部件，本系統(tǒng)采用電容型駐極體微音器作為檢測元件，在常溫條件下其靈敏度漂移可保證在200年內(nèi)小于1%，它可以把各種氣體的壓力波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。
2.2 數(shù)據(jù)采集和控制模塊
由于傳感器輸出的信號非常微弱，一方面需要將其放大到足夠大，以便后續(xù)電路的處理;另一方面小信號在傳輸時容易受到干擾，所以在對信號進(jìn)行預(yù)處理之前要安裝信號調(diào)理電路，把信號放大并濾波后，利用AVR單片機(jī)（ATmega128）的高速處理能力及豐富的端口資源，完成
數(shù)據(jù)的采集和控制如圖3所示。AVR（Adanced RISC）單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的8位精簡指令集（RISC）單片機(jī)。與同類單片機(jī)相比，在運(yùn)算速度、外設(shè)資源、靈活性等方面性能均衡、性價比較高。系統(tǒng)使用一路AVR自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行數(shù)模變換，為了抑制噪聲干擾，在程序中加入數(shù)字濾波算法進(jìn)行濾波以進(jìn)一步提高抗干擾能力。EEPROM采用ATMEL公司生產(chǎn)的8位16K容量的AT24C164芯片,具有兩線串行接口，用來存儲歷史數(shù)據(jù)。報警輸出通常指的是氣體濃度、氣體濃度的時變化率、日變化率報警和儀器自身故障報警（如掉電或傳感器測試失敗等）。通過鍵盤可以很容易地進(jìn)入內(nèi)部程序，獲得有關(guān)的報警信息，也可以通過鍵盤修改有關(guān)的報警設(shè)置和其它參數(shù), 各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)和狀態(tài)均通過LCD顯示器顯示，還可以通過打印機(jī)和通信接口把數(shù)據(jù)打印出來或傳給上位機(jī)。LCD顯示器件選用北京青云創(chuàng)新公司的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊LCM12864ZK，該顯示模塊和單片機(jī)接口支持串、并行兩種方式，擴(kuò)展方便;同時帶有兩級漢字庫，使得漢字的顯示更加方便。為了操作簡便，鍵盤設(shè)置了上翻、下翻、確定、取消等4個按鍵，與液晶模塊菜單顯示配合，完成被測參量選擇、參量上下限設(shè)定、參量測量、測量數(shù)據(jù)的保存與發(fā)送等工作。由于現(xiàn)場條件比較惡劣，程序有跑飛的可能，所以需要啟用ATmega128自帶的看門狗電路，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了實(shí)時記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中還包含一個實(shí)時時鐘芯片DS1302，為系統(tǒng)提供年、月、日、星期、時、分、秒時間數(shù)據(jù),與單片機(jī)采用3-wire接口，它還包含31個字節(jié)的靜態(tài)RAM，可以反復(fù)讀寫，而且消耗的功率非常低，與時鐘共用備用電源，可用它來存儲一些重要的系統(tǒng)設(shè)置值或默認(rèn)值信息。
圖3 數(shù)據(jù)采集和控制總體圖
2.3 串行通信模塊
在本系統(tǒng)中單片機(jī)需要和上位機(jī)分享資源，因此通信模塊是本系統(tǒng)*的重要部分，可以通過RS232接口或USB接口直接與本地計算機(jī)通信，也可以通過RS485接口與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信。由于變壓器運(yùn)行時可能產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，所以在通信端口處要采用光耦隔離。
RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。通常PC 機(jī)與單片機(jī)用二線方式進(jìn)行全雙工異步通信。由于AVR 單片機(jī)輸入輸出電平為TTL 電平, PC 機(jī)配置的是RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口, 二者電氣規(guī)范不一致;因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用MAXIM公司的MAX232E 芯片可方便的進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換器。但RS232接口標(biāo)準(zhǔn)是單端收發(fā)，抗共模干擾能力差，接口處各信號容易產(chǎn)生干擾，所以數(shù)據(jù)傳輸率低，傳輸距離短。
隨著計算機(jī)軟硬件的發(fā)展，USB接口成為了新一代通用串行口，不僅在傳輸速度上得到了極大的提高，同時還具有接口簡單、真正的即插即用、傳輸線供電、多設(shè)備級聯(lián)等的特性。利用CYGNAL公司生產(chǎn)的CP2101芯片（UART—USB橋接器），如圖4所示可實(shí)現(xiàn)AVR單片機(jī)與PC機(jī)的USB總線之間的通信，圖中CP2101的VBUS和REGIN 引腳被連接到USB 的VBUS信號上，并且在REGIN的輸入端加去耦并聯(lián)電容0.1uF與1.0uF。
圖4 基于USB總線的AVR單片機(jī)與PC機(jī)之間的連接
CP2101芯片包含一個USB 2.0 全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），無需其他的外部USB元件，并且它可由USB總線驅(qū)動，電源由USB 的VBUS引腳提供。由于芯片內(nèi)置有與計算機(jī)通信的USB協(xié)議，可通過CYGNAL公司或銷售商提供的免費(fèi)驅(qū)動程序把連接在USB總線上的CP2101作為一個虛擬COM口，用戶可以按照傳統(tǒng)的串行口控制方式來使用這個帶有5V和3.3V供電的“COM 口”。
RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。利用美國TI公司生產(chǎn)的RS-485接口芯片SN75LBC184，可以完成UART與RS485之間的轉(zhuǎn)換。該芯片與普通的RS485收發(fā)器相比有一個顯著的特點(diǎn)，其片內(nèi)A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置， 可以承受峰值為400W（典型值）的過壓瞬變。由于引起過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關(guān)干擾等，因而它能有效的防止雷電損壞器件，對于一些環(huán)境比較惡劣的場合，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個*的設(shè)計，即當(dāng)輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣，即使在接收器輸入端電纜有開路故障時，也不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS-485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24KΩ），故可在總線上連接64個收發(fā)器。圖5是基于RS485總線的AVR單片機(jī)和PC機(jī)之間的硬件接口電路的框圖：
從圖中可看出，單片機(jī)的通信信號首先通過光隔，然后經(jīng)過RS485接口芯片，將電平信號轉(zhuǎn)換成電流環(huán)信號。經(jīng)過長距離傳輸后，再通過另一個RS485接口芯片，將電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換成電平信號，該電平信號再經(jīng)過光電隔離，zui后由PC機(jī)接收，故無論是PC機(jī)還是單片機(jī)都不會因數(shù)據(jù)傳輸線上可能遭受到的高壓靜電等的干擾而出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。
2.4 上位機(jī)系統(tǒng)
上位機(jī)系統(tǒng)即監(jiān)控站，包括對數(shù)據(jù)的分析、處理、監(jiān)控和記錄。操作人員可以通過上位機(jī)監(jiān)控變壓器的運(yùn)行狀況。一般上位機(jī)采用普通PC機(jī)即可，其主要功能均由軟件完成。該系統(tǒng)軟件從功能上可以分為故障診斷和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控兩大部分。其中故障診斷部分使用專家系統(tǒng)進(jìn)行推理。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的核心是計算機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它將現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行各種操作，并在上位機(jī)的監(jiān)控界面上進(jìn)行動態(tài)顯示的同時對其進(jìn)行報警處理。串口通信軟件設(shè)計中，使用VB6.0中的MSComm控件（Mircrosoft Communications Control）非常方便,僅需通過簡單的修改控件的屬性和使用控件提供的方法，就可以實(shí)現(xiàn)對串口的配置，完成串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等任務(wù)。
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