CN108459295A - 基于分布式数据采集处理的cvt在线监测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能电网设备实时数据采集与处理、在线监测技术领域，具体是一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***和方法及监测方法。监测***依次包括标准信号变换单元、高频次数据采集处理单元和终端工业计算机，所述终端工业计算机上安装有用于进行CVT运行状态评估和故障诊断的分析软件；监测方法采用了带遗忘因子的最小二乘递推参数估计法。本发明主要用于对变电站的CVT的运行状况进行实时在线监测。

Description

基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***和方法

技术领域

本发明涉及智能电网设备实时数据采集与处理、在线监测技术领域，具体是一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***和方法及监测方法。

背景技术

CVT，全称电容式电压互感器，是智能变电站的关键设备，主要用于将一次高电压按一定比率转变为低电压。CVT保障了电力***的稳定运行，其运行状态的优劣直接关系到电气量测量的准确性。目前，CVT在设计与运行上经验还有待积累，大量运行数据表明，其运行和测量的稳定性和可靠性还有待验证，如果运行中CVT出现击穿故障，将给电力***的安全运行带来隐患，因此有必要对其运行状况进行实时在线监测，实现其在线故障诊断，才能及时排除故障，保障正常运行。现有CVT实时监测设备并不成熟，监测效果不可靠。此外，在智能变电站中，一般来说CVT数量较多，若引入独立的CVT监测装置来监测单个CVT，则需要耗费大量的成本，且实现起来非常复杂。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中CVT在线监测不可靠、且监测多个CVT时成本过高、通信数据计算量过大的技术问题。为此，本发明提出一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***及方法，将CVT运行状态的数据采集与处理分散到多个分布式数据采集处理卡中，从而减少了数据的传输与处理量，能够对智能变电站中多个CVT的运行数据与运行状态综合进行高速、实时、准确的监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，依次包括标准信号变换单元、高频次数据采集处理单元和终端工业计算机，所述终端工业计算机上安装有用于进行CVT运行状态评估和故障诊断的分析软件；标准信号变换单元，包括多个PT，多个所述PT分别与多个CVT的输出端对应连接，PT用于将CVT的模拟输出信号变换为适用于所述高频次数据采集处理单元输入量程的模拟信号；高频次数据采集处理单元，包括分别与多个PT的输出端对应连接的多个分布式数据采集处理卡，每个分布式数据采集处理卡用于采集一个CVT的三相电压信号，所述分布式数据采集处理卡包括依次电连接的信号调理模块、A/D转换模块和数据处理模块；所述信号调理模块用于放大采集的有效信号，滤除高频噪声，隔离高压浪涌和共模干扰；所述A/D转换模块用于将经调理过的模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块用于对所述A/D转换模块发送的数字信号进行处理，从而大大压缩了数据量，处理完成的结果发送给总线组包通信模块；所述高频次数据采集处理单元还包括同步触发模块和总线组包通信模块，所述同步触发模块用于向所述A/D转换模块发送同步信号、以保证多个分布式数据采集处理卡同步采样，所述总线组包通信模块用于将从每个分布式数据采集处理卡接收到的信号组包发送；终端计算机，与所述总线组包通信模块电连接，用以接收、分析收到的信号并显示CTV的运行状态结果，完成CVT运行故障的监测，并将数据实时保存入数据库便于查看和复现运行状况。这里所谓的秒脉冲，即PPS。

本发明还提供一种应用于上述分析软件上的监测方法，其特征在于采用了带遗忘因子的最小二乘递推参数估计法，具体包括以下步骤：

步骤一：建立单个分布式数据采集处理卡采集到的CVT二次侧A、B、C三相信号的递推最小二乘模型，设定估计参数，

对于单个间隔CVT，所述CVT二次侧信号的递推最小二乘模型为：

，

其中，、、分别为CVT 的A、B、C三相二次电压，为待估计的参数；

步骤二：初始化。给观测序列长度N和遗忘因子 赋值，介于0和1之间；

步骤三：给待估计参数和赋初值。初始时刻取值，；获取N组实时采集的CVT输出电压；

步骤四：获取一组新的实时采集的CVT输出三相电压，产生电压观测矩阵 ；其中是CVT三相输出在当前时刻的观测值，是CVT三相输出在N时刻前的观测值；

步骤五：计算当前时刻增益矩阵和观测矩阵的协方差矩阵 ：

；

步骤六：更新CVT二次侧A相输出的估计参数

步骤七：计算当前时刻评价函数，并判断其是否接近0；

若其评价函数小于设定阈值而接近于0，则认为评估参数有效，顺序执行步骤八；否则转向步骤四；

步骤八：得到估计的参数，将其作为测得的估计值，计算该估计值三相输出与人为设定的基准电压的差值，若该差值超过预设的阈值，则该相CVT电容有被击穿的可能性，发出故障报警。

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，设置有多个PT，每个PT依次与信号调理模块、A/D转换模块、同步触发模块、数据处理模块电连接形成单个CVT信号的传播通道，能够实现单个CVT的三相信号的分析运算，然后将所有传播通道的运算结果汇总后发给终端工业计算机，大大减小了终端工业机的运算量，能够实现对智能化变电站中多个CVT的运行数据与运行状态同时综合进行高速、实时、准确的监测，方便可靠；本发明还提供一种CVT的监测方法，利用含有遗忘因子的递推最小二乘法，能够有效降低CVT内部结构及***误差对测量精度的影响，算法简单，能够减小计算量，减少数据在计算机中占用的内存，且运算速度快、精度高。

附图说明

图1是本发明的CVT在线监测***的工作原理结构示意图；

图2是本发明的单个间隔的信号监测***结构示意图；

图3是本发明的信号调理模块的电路原理图；

图4是本发明的高频次数据采集处理单元接线面板示意图；

图5是本发明的分析软件的结构示意图；

图6是本发明提供的CTV的监测方法流程图。

具体实施方式

参照图1-图2，本发明的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，依次包括标准信号变换单元Ⅰ、高频次数据采集处理单元Ⅱ和终端工业计算机，所述终端工业计算机上安装有用于进行CVT运行状态评估和故障诊断的分析软件；标准信号变换单元Ⅰ，包括多个PT，多个所述PT分别与多个CVT的输出端对应连接，PT用于将CVT的模拟输出信号变换为适用于所述高频次数据采集处理单元Ⅱ输入量程的模拟信号；高频次数据采集处理单元Ⅱ，包括分别与多个PT的输出端对应连接的多个分布式数据采集处理卡Ⅲ，每个分布式数据采集处理卡Ⅲ用于采集一个CVT的三相电压信号，所述分布式数据采集处理卡Ⅲ包括依次电连接的信号调理模块、A/D转换模块和数据处理模块；所述信号调理模块用于放大采集的有效信号，滤除高频噪声，隔离高压浪涌和共模干扰；所述A/D转换模块用于将经调理过的模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块用于对所述A/D转换模块发送的数字信号进行处理，处理完成的信号发送给总线组包通信模块；所述高频次数据采集处理单元Ⅱ还包括同步触发模块和总线组包通信模块，所述同步触发模块用于向所述A/D转换模块发送同步信号、以保证多个分布式数据采集处理卡Ⅲ同步采样，所述总线组包通信模块用于将从每个分布式数据采集处理卡Ⅲ接收到的信号组包发送；终端计算机，与所述总线组包通信模块电连接，用以接收、分析收到的信号并显示CTV的运行状态结果，完成CVT运行故障的监测，并将数据实时保存入数据库便于查看和复现运行状况。

作为上述技术方案的进一步改进，所述分布式数据采集处理卡基于DSP和FPGA协同开发，所述A/D转换模块基于FPGA开发，所述数据处理模块基于DSP开发，即：数据处理模块采用DSP数据处理模块。进一步的，所述高频次数据采集处理单元Ⅱ还包括FPGA芯片，所述同步触发模块发送秒脉冲至同步信号总线，所述FPGA芯片接受并响应所述秒脉冲、且控制不同分布式数据采集处理卡Ⅲ的A/D转换模块跟随秒脉冲同步采样。具体的，同步触发模块可工作于自同步或外同步两种同步模式下；当不接入外部时钟时，模块工作于自同步模式，根据内部晶振生成秒脉冲信号，输出至同步信号总线；当外部时钟接入时，模块工作于外同步模式，跟随于外部时钟输出同步信号至同步信号总线。所述总线组包通信模块设置有FPGA控制器，所述FPGA控制器用于将多个输入信号分析处理并组包发送。所述FPGA芯片采用SPI总线协议将信号输出至数据处理模块，所述数据处理模块采用SPI总线协议将信号输出至FPGA控制器，所述FPGA控制器通过以太网将信号发送给终端工业计算机。

优选的，所述PT为精密微型PT。

优选的，所述的A/D转换模块采用24位Σ—Δ型模数转换器ADS1274芯片开发，该芯片有4组模拟量输入引脚，将其前三组模拟量输入引脚连接于前端调理模块输出端，其采样率设置为10kHz，用于采集一个间隔互感器的三相电压信号。FPGA芯片接收并响应来自于同步信号总线的秒脉冲信号，控制ADS1274芯片跟随同步信号开始采样，同时将每秒内1024个采样点数据进行收集、存取和发送，采用SPI总线协议输出数据至后续数据处理模块；总线组包通信模块用于将来自于多个采集通道的数据处理和组包发送，其主要包括多路SPI通信作为输入、使用FPGA控制器对输入信息进行分析处理并打包、使用有线以太网接口对打包处理后的信息进行发送。

优选的，所述FPGA芯片为EP4CE6E22C8，性能满足本***的要求，主要有A/D控制功能和数据转发功能。通过锁相环对FPGA的50M时钟进行分频，产生2.56MHz时钟信号，作为A/D芯片的采样时钟，控制A/D芯片的采样率为10KHz，FPGA接收外部同步输入信号，然后产生同步脉冲给A/D芯片，同时通过改变与A/D芯片相连的I/O口电平来控制A/D芯片的工作状态。A/D芯片的采样数据通过SPI接口发送到FPGA芯片，FPGA芯片对其进行修正并消除直流偏置，再通过SPI接口发送给。

优选的，所述数据处理模块采用了高速数字信号处理芯片，通过的片上资源简化硬件装置，借助优秀的数据计算和处理能力，实现高速、高精度的数据计算；其采用基于三插值Nuttall窗的高精度FFT算法，计算三相信号的基波、谐波频率、幅值、相位，并求取零序电压不平衡度和负序电压不平衡度；最后将这些计算结果进行组包，通过串口RS232进行发送至后续总线组包通信模块。具体的，技术采用TI公司的TMS320C6748高性能。该种处理速度快，运算精度达32位，支持SPI接口和UART接口。通过SPI接口接收FPGA发送的数据。由于FPGA发送的数据是8位2进制数，需要先将4个8位的整型数转换成1个32位的浮点数，再对数据进行频谱分析。采用傅里叶快速变换算法FFT对接收的数字信号进行谐波分析，由于FFT这种经典方法会使得信号产生频谱泄露和栅栏效应，严重影响谐波参数的检测精度，因此需要在经典FFT上应用高性能窗和插值算法。最终本实例选择效果较好的Nuttall窗函数，在上进行FFT加窗插值。

总线组包通信模块接收各个间隔内多个信号采集单元输出的数据信息，并对其进行解码和数据的重组发送，为数据采集等需要同时检测处理多路信息的设备提供各个间隔的输出采样值。该部分基于FPGA进行开发实现，可同步解析多路信号采集单元数据协议，信号输出可兼容RS232协议与网口协议。

参照图3，由于输入信号有一定的共模干扰，***采用差分信号输入方式。采用电阻分压电路对被测信号进行分压，然后采用两级差分电路来调理信号。第一级采用运算放大器OPA227构成差分电路，增大输入阻抗，减小信号损耗；第二级采用差动放大器THS4521构成差分电路，减小输入信号的共模干扰。参考电压VREF的稳定性对模数转换模块的正常运行至关重要。本实例中选用基准电压源ADR421作为参考源，该电压源具有较低的电压噪声，可满足模数转换模块的要求。

参照图4，所述高频次信号采集运算单元设置于一接线面板上，所述接线面板上设置有用以安装总线组包通信模块和同步触发模块的接线区域1，多个分布式数据采集处理卡Ⅲ插拔安装于所述接线面板的表面，所述分布式数据采集处理卡Ⅲ上设置有分别连接CVT三相输出信号的输入端子6，所述接线面板上还设置有用以接受秒脉冲的光口2、连接电源的电源接入口4、保险开关5和以太网输出网口3。使用时，220V交流供电电源与电源接入口4连通，打开装置保险开关5，将需要监测的多组CVT二次侧三相信号接到输入端子6，使用以太网网线将以太网输出网口3连接至终端工业计算机既可开始监测。若光口2未接输入则工作于自同步模式，若光口2外接秒脉冲PPS则***自动工作于外部同步触发模式。

参照图5，优选的，所述分析软件使用LabView编写，程序采用多层生产者/消费者结构，包括事件产生部分、数据接收部分、数据分析部分、数据库储存与复现部分。其中事件产生部分通过事件结构来对程序前面板人机交互界面的指令做出响应，并向其他三个循环发出相应控制指令；数据接收部分使用了基于WinPcap函数库的函数编写的动态链接库，实现对计算机网卡的动态数据监听，并解析出有效数据；数据分析部分对现场采集的监测数据进行实时分析处理，获得现场电压互感器的实际运行状态，实时将分析结果以图表和波形图的方式直观的在工业计算机屏幕上显示，若分析得出互感器运行状态异常则发出异常警告，同时分析出异常状况的可能原因，及时提醒现场值班人员进行维护和处理；数据库储存与复现部分使用SQL应用程序接口，将数据即时储存入SQL数据库，储存在计算机的ROM中，即使遇到计算机断电故障也不会丢失数据，同时该模块提供了数据查询复现部分，可以使用SQL查询语句从数据库中调用出相关数据进行查看和处理。四个并行循环各自运行，互不依赖，仅在内存缓冲区中通信数据，保障了数据链路的完整和稳定。

参照图6，本发明还提供一种应用于上述分析软件上的监测方法，以长期在线监测CVT二次电压输出值并对其进行带遗忘因子的最小二乘参数估计来诊断出CVT故障。考虑到CVT二次电压输出值不仅会因为CVT本身电容击穿而变化，还可能是由监测点***电压变化的导致的变化，所以故障诊断中需要排除***电压导致的CVT二次侧电压变化。通常***电压异常波动有以下特点：a.电压变化很快，一般故障在几百毫秒到数秒内就能被***保护动作隔离；b.电压变化幅值比较大，并且大部分***故障都导致电压呈下降变化，而CVT电容故障则会导致二次电压上升。鉴于此，本方法能够排除监测点***电压变化的导致的变化，防止***电压波动导致误判CVT故障，并且减少了数据计算量和储存量 。具体步骤如下：

步骤一：建立单个分布式数据采集处理卡Ⅲ采集到的CVT二次侧A、B、C三相信号的递推最小二乘模型，设定估计参数 ，

对于单个间隔CVT，所述CVT二次侧信号的递推最小二乘模型为：

，

其中，、、分别为CVT 的A、B、C三相二次电压，为待估计的参数。

步骤二：初始化。给观测序列长度N和遗忘因子 赋值，介于0和1之间。

步骤三：给待估计参数和赋初值。初始时刻取值，；获取N组实时采集的CVT输出电压。

步骤四：获取一组新的实时采集的CVT输出三相电压，产生电压观测矩阵 ；其中是CVT三相输出在当前时刻的观测值，是CVT三相输出在N时刻前的观测值。

步骤五：计算当前时刻增益矩阵和观测矩阵的协方差矩阵 ：

。

步骤六：更新CVT二次侧A相输出的估计参数。

步骤七：计算当前时刻评价函数，并判断其是否接近0；

若其评价函数小于设定阈值而接近于0，则认为评估参数有效，顺序执行步骤八；否则转向步骤四。

步骤八：得到估计的参数，将其作为测得的估计值，计算该估计值三相输出与人为设定的基准电压的差值，若该差值超过预设的阈值，则该相CVT电容有被击穿的可能性，发出故障报警。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：

依次包括标准信号变换单元（Ⅰ）、高频次数据采集处理单元（Ⅱ）和终端工业计算机，所述终端工业计算机上安装有用于进行CVT运行状态评估和故障诊断的分析软件；

标准信号变换单元（Ⅰ），包括多个PT，多个所述PT分别与多个CVT的输出端对应连接；

高频次数据采集处理单元（Ⅱ），包括分别与多个PT的输出端对应连接的多个分布式数据采集处理卡（Ⅲ），每个分布式数据采集处理卡（Ⅲ）用于采集一个CVT的三相电压信号,所述分布式数据采集处理卡（Ⅲ）包括依次电连接的信号调理模块、A/D转换模块和数据处理模块；所述高频次数据采集处理单元（Ⅱ）还包括同步触发模块和总线组包通信模块，所述同步触发模块用于向所述A/D转换模块发送同步信号、以保证多个分布式数据采集处理卡（Ⅲ）同步采样，所述总线组包通信模块用于将从每个分布式数据采集处理卡（Ⅲ）接收到的信号组包发送；

终端计算机，与所述总线组包通信模块电连接，用以接收、分析收到的信号并显示CTV的运行状态结果。

2.根据权利要求1所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述分布式数据采集处理卡（Ⅲ）基于DSP和FPGA协同开发，所述A/D转换模块基于FPGA开发，所述数据处理模块基于DSP开发。

3.根据权利要求2所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述高频次数据采集处理单元（Ⅱ）还包括FPGA芯片，所述同步触发模块发送秒脉冲至同步信号总线，所述FPGA芯片接受并响应所述秒脉冲、且控制不同分布式数据采集处理卡（Ⅲ）的A/D转换模块跟随秒脉冲同步采样。

4.根据权利要求3所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述总线组包通信模块设置有FPGA控制器，所述FPGA控制器用于将多个输入信号分析处理并组包发送。

5.根据权利要求4所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述FPGA芯片采用SPI总线协议将信号输出至数据处理模块，所述数据处理模块采用SPI总线协议将信号输出至FPGA控制器，所述FPGA控制器通过以太网将信号发送给终端工业计算机。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述高频次信号采集运算单元设置于一接线面板上，所述接线面板上设置有用以安装总线组包通信模块和同步触发模块的接线区域（1），多个分布式数据采集处理卡（Ⅲ）插拔安装于所述接线面板的表面，所述分布式数据采集处理卡（Ⅲ）上设置有分别连接CVT三相输出信号的输入端子（6），所述接线面板上还设置有用以接受秒脉冲的光口（2）、连接电源的电源接入口（4）、保险开关（5）和以太网输出网口（3）。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于分布式数据采集处理的CVT在线监测***，其特征在于：所述分析软件包括事件产生部分、数据接收部分、数据分析部分、数据库储存部分和数据复现部分；所述事件产生部分通过事件结构来对人机交互界面的指令做出响应，并向其他四个部分发出相应控制指令；所述数据接收部分对计算机网卡进行动态数据监听，并解析出有效数据发送给数据分析部分; 所述数据分析部分对现场采集的监测数据进行实时分析处理并显示，同时将数据发送到数据库储存部分；所述数据库储存部分将数据即时储存入数据库，储存在计算机的ROM中；所述数据复现部分用于查询出数据库中的原始数据。

8.一种应用于如权利要求7所述的CVT在线监测***的分析软件上的监测方法，其特征在于采用了带遗忘因子的最小二乘递推参数估计法，具体包括以下步骤：

步骤一：建立单个分布式数据采集处理卡（Ⅲ）采集到的CVT二次侧A、B、C三相信号的递推最小二乘模型，设定估计参数，

对于单个间隔CVT，所述CVT二次侧信号的递推最小二乘模型为：

，

其中，、、分别为CVT 的A、B、C三相二次电压，为待估计的参数；

步骤二：初始化，给观测序列长度N和遗忘因子 赋值，介于0和1之间；

步骤三：给待估计参数和赋初值，

初始时刻取值，；获取N组实时采集的CVT输出电压；

步骤四：获取一组新的实时采集的CVT输出三相电压，产生电压观测矩阵 ；其中是CVT三相输出在当前时刻的观测值，是CVT三相输出在N时刻前的观测值；

步骤五：计算当前时刻增益矩阵和观测矩阵的协方差矩阵 ：

；

步骤六：更新CVT二次侧A相输出的估计参数；

步骤七：计算当前时刻评价函数，并判断其是否接近0；

若其评价函数小于设定阈值而接近于0，则认为评估参数有效，顺序执行步骤八；否则转向步骤四；

步骤八：得到估计的参数，将其作为测得的估计值，计算该估计值三相输出与人为设定的基准电压的差值，若该差值超过预设的阈值，则该相CVT电容有被击穿的可能性，发出故障报警。