多信道数据采集和光纤传输系统的实现

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1、第八届中国光电通信论坛会议论文集多信道数据采集和光纤传输系统的实现蒋风仙王晖王晨毅(复旦大学通信科学与工程系J摘要：本文介绍一种新的适用于监测高压变电站容性设备绝缘状态的分布式在线监测系统，提出了动态采样频率的谐波分析法，基于高速DSP处理器和16位AD，对12信道同步整周期采样并就地计算容性设备的介质损耗等参数。系统采．M485tt,线和双纤双向的光纤通信系统相结合传送数字信号，实现了强电侧和弱电侧的隔离。关键字：分布式数据采集；介质损耗因数；在线监测；诣波分析法；光纤通信1、引言随着传感器、光纤、计算机和信息处

2、理等技术的发展，数据采集系统在各个领域迅速地得到了应用。本文研究了数据采集系统在高压设备绝缘状态监测领域的应用。高压设备绝缘在线监测可以随时掌握设备绝缘性能的变化，及时发现早期设备缺陷，防止事故发生。同时实施绝缘在线监测，可以使计划维修转变为状态维修，减少不必要的停运检测，节省大量经费，并使设备发挥更大的经济效益。电气设备绝缘状态可以通过多个特征量来表征，其中测量介质损耗正切(t96)是一种使用较多而且对判断绝缘较为有效的方法。近年来，出现了许多实际投产应用并解决了实际问题的系统⋯川13””，已报导的这些系统，无一

3、例外地采用电信号传输，尤其连接现场监控设备和监控室的较长的电缆很容易成为连接强电侧和弱电侧的安全隐患。本文提出并实现了一种用于高电压设备绝缘状态的在线监测和分析系统。系统采用分布式结构，综合运用了总线通信和光纤通信技术、数字信号处理技术、计算机技术等，实现了对变电站多路高压设备信号采集的就地数字化，并由现场总线和光纤实现了现场多个数据采集单元与控制室之间的网络通信，可把多台设备的实时监测数据汇集到上层的数据管理软件和专家诊断系统，实现对多个电气设备绝缘状态的在线监测和诊断。2、介质损耗正切(t95)的计算．1．1谐

4、波分析法谐波分析法的主要思想是通过离散傅立叶变换从离散采样信号中检出信号的基波成分，包括幅值和相角，同时利用三角函数的正交性，可以排除高次谐波和噪声的千．91—第八届中国光电通信论坛会议论文集扰，从而达到更高的准确度。考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，可将时间连续信号x(t)表示为幅1：x(f)=∑X。sin(mot+q)。)+Jv(f)(2．1)k一0其中n=O对应于信号的直流分量，n=1对应于信号的基波，n--k则对应于k次谐波。在分别计算电流和电压信号的相角(p，和【p。后，再计算出介损角62争‘P=争盹

5、一吼)。由三角函数的正交性，得：由4和鼠计算信号第k次谐波的幅度X．和(p。相角和：XI-瓣”⋯唼‘2。’对于采样后的离散信号，可以将(2．2)式表示成离散和的形式：其中N是一个周期中的采样点数，奈奎斯特定律要求采样频率，=专>2厂懈，L为信号中最高的频率成分，在此即为最高次谐波的频率。由式(2．3)分别得到电压信号和电流信号的基波相角之后，5=7c／2一((P，一‘p。)可以求出介质损耗角和介质损耗因数f96。同时可以求得电容量C=i．cos8／27cfu，，其中厂是信号频率，fl和“。分别是基波电流和电压。谐波

6、分析法不受谐波影响，能够很好消除谐波干扰。但是要求采样频率是信号频率的整数倍，即做到整周期采样，否则就会带来频谱泄漏，影响计算精度。2．2动态采样频率的谐波分析法要精确测量介质损耗因数等参数，减少频率波动导致的测量误差，就需要在采样的同时测量信号的频率，动态改变采样频率来保证同步。硬件同步大多利用锁相环原理，设计一个频率自动跟踪电路，实时跟踪频率变．92．Sn啷．口以flm胁“憎酬∞．云吣Ⅳr2一r4眈D玎砌嘞玛Ⅳm—W叫吲SC¨∑脚川∑脚第八届中国光电通信论坛会议论文集化，这样可以有效地保证整周期采样，但它是一种

7、预防式方法，对于低频信号，锁相环电路复杂，一旦当信号有较大的突变或者有强噪声时，会发生锁相环失锁现象，导致较大的误差。所以本文采用软件同步的方法，首先在第一个信号周期测量参考信号的频率，根据测到的参考频率调整采样频率，并按照这个采样频率在第二个信号周期采样，此为一个完整采样周期，依此类推。这样采样频率的调整需要一个周期的时间，当频率变化较大时，会造成一定的误差。但在实际电网中，频率变化缓慢，一般在49。5到50．5Hz之间，若被测信号频率变化率为每秒0．125Hz，即每秒0．25％，则每周期的变化只有0．00005

8、Hz。为了能够定量地研究这种频率偏差对测量结果的影响，采用谐波分析法计算出基波幅度、介质损耗因数的误差和频率偏差的关系，仿真结果如图1和图2所示。图1研究了信号频率在49．5Hz到50．5Hz时，采用谐波分析法按照6．4KHz的固定采样频率，采样128点计算得到的介质损耗因数的误差。可见，整个误差范围在0．15％内。如果采用动态调整的采样频率，按照频率变化每