电力干式变压器模型及数据采集集成系统

1引言为了将电力干式变压器的故障率降到较低，作者设计了一种具有故障预警功能的测试系统(图1)，这也是预警维修的基础，因其具有此功能而被称为预警维修测试系统。根据一些可能的故障原因(湿度、振动、过热、气体和老化)的当前和历史状态，一些专家(Lamela等人，1999；Rivera等人，2000)设计了几种模型来预测干式变压器的工作条件。为了获得模型中算法所需的数据，他们在每个干式变压器中安装了传感器。预警应用配备了虚拟数据卡，它实际上是传感器采集处理并提供给模型的数据体，因此预警应用可以从数据管理事务中分离出来(Jackson和Zave，1998)。该系统主要包括三个子系统：数据采集系统(DAS)、数据存储(DS)、预警应用(PA)和虚拟数据卡。这样就形成了一个可升级、易重构的系统，大大缩短了整个项目的开发时间。复制方案实施后，系统完全开发成功。

2系统结构由于建立模型需要传感器收集的历史数据，因此需要决定传感器放置在哪里以及如何放置。较明显的方法是让应用程序管理自己的历史数据记录，但这样会增加程序不必要的复杂性，因为这意味着它必须同时处理实时采样数据和历史数据。另一种方法是依靠传感器或数据采集设备来处理自己采集的历史数据。但是这种方案的缺点是数据采集系统一般要求实时性高，对历史数据处理等不可预测的要求会降低系统的实时性(Kopetz，1997)。此外，如果每个传感器配备有先立的存储单元，则处理每个字节的成本与集中式方法的成本相比没有优势。市场上有大量低字节处理成本的标准数据库接口，这使得它们成为数据存储的良好选择。在数据采集设备和用户应用程序之间插入数据库(图2和图3)将减少它们的数据管理任务，从而降低它们的复杂性(Devjin，1997；英蒙，1993年).系统组件之间的这种功能划分使管理变得容易，因为任何一方的变化都不会影响另一方。相应地，其他子系统必须经过精心设计和匹配才能运行。当将单个电路系统升级为可重新配置和可升级的模块化系统时，有必要考虑从经济性和工作量方面来看是否值得。

在系统设计阶段，除了考虑引入数据库的经济性外，还必须考虑系统的可升级性和灵活性。所以相应的系统要考虑到未来会使用新的传感器，会有不同的应用，有不同的需求，使系统具有实现快、简单、错误少的特点。实际工作系统中涉及的网络如图1所示。图中有三个变电站，共监控四个干式变压器并进行数据分析。两个干式变压器安装在变电站a，另外两个分别安装在变电站b和c。干式变压器不同传感器的数据由带PXI处理板的工控机进行处理和存储。图2中描述的所有子系统(数据采集系统、数据库和预警应用程序)都安装并运行在每台工业计算机上。在避免与数据采集系统发生功能冲突的情况下，为了简化模型的调整，将所有变电站数据库复制到位于维果大学的中央数据库服务器。预警模型应用程序在卡洛斯三世大学运行，所有模型都相对于中央数据库进行调整。现在可以远程管理和监控工业的计算机(来自电力公司、卡洛西和维戈大学)。它描述了预警系统中涉及的所有协议层。如图所示，数据采集系统将数据传输到数据存储器，它们通过开关连接。为了达到较佳性能，数据采集系统使用一个客户端数据库(C-DLL)，客户端数据库使用自己的协议。预警程序使用开放数据库连接(ODBC)协议通过局域网(LAN)或广域网(WAM)访问数据存储，因此不需要直接处理传感器。事实上，对于测试系统来说，它的接入点是一个名为虚拟采集卡的传感器处理的信号。数据存储中出现的复制级别是指使用数据库工具实现的复制机制。 #p#分页标题#e#

3数据采集系统数据采集系统是干式变压器中负责信号采集和处理的子系统。它由一组传感器、预处理和阈值处理设备以及数据采集卡组成。系统中使用了16个模拟传感器、和3个PT100温度传感器。4应力干式变压器，用于改变电力干式变压器高压侧和低压侧的电流试验值；4台电压干式变压器，用于测试高压侧和低压侧的电压；测试干式变压器振动的四个压电加速度计；测量干式变压器油湿度的电容式湿度计和气体传感器。该系统还采用九个数字传感器，利用无电压继电器触点监测干式变压器高压开关、油泵和风扇的状态。信号阈值处理后，数据采集系统对传感器发送的原始信号进行处理，然后发送给下一个处理单元(数据库系统)。根据模型的要求，其信号处理内容包括一些数据信号的快速傅里叶变换、有效值和平均值的计算等。

4数据库数据库可以分为以下几个部分：缓冲区和数据表、过滤处理、采样、批处理和虚拟采集卡(见图3)。数据表存储来自传感器的所有数据，而缓冲区仅接受来自传感器的较后一个值。每个模型都有一个特殊的过滤器来处理来自传感器的较后一个值，这样缓冲区中的数据就可以准确地反映模型的特性。

如果会有更多

路处理功能放在数据采集系统部分，则应该意识到一但多路处理电路改变后，模型也必须进行相应的更改，这并不是一个好方法，因为耦合进一些不相关的任务如数据获取和预警等会降低系统的可升级性以及可重复性（Mario et al., 1999; Mario et al., 2000a;Mario et al., 2000b)。这种方案唯一的优势就是速度快，从而使得它必不可少（Johnson,1995）。 (1)数据采集系统/数据库(DAS/DS)接口 DS提供两个存取点或接口。考虑到实时条件的约束，较左的接口提供了到DAS的存储功能。当前接口利用了新的数据库(如图3所示的动态连接数据库(DLL))，而该数据库又使用了Oracle调用接口(OCI)，OCI是由API提供的Oracle与其数据库通信的接口。通过这种方式，数据采集系统总是使用更高一级的API，而不会去考虑在这一级API背后数据是如何进行处理的。使用这样一种技术，在开放数据库连接(ODBC)、对象链接和嵌入式数据库(OLEDB)中也会带来同样的优点，但是较大的差别在于开发工程师必须编制协议层。因为数据采集系统有性能要求，这种方案能达到速度方面的要求，因此也是值得的。  较右面的接口是给预警应用程序使用的，它根据需要提供了多种方式去存取传感器的历史数据和当前数据，在此处就选择了ODBC来进行通信，因为DS是一个先立的应用程序，所以较好使用广泛兼容的数据存取方法，较关键的是在这里速度并不是一个重要问题。(2)可重新配置的滤波器  数据转换是所有数据库的关键功能，因为它通常会决定系统的整个性能(Vranes and Stanojevic, 1995; Keck and Kuehn, 1998)。在设计阶段也必须时刻考虑系统将来的可升级性和可扩展性，因为当应用程序处理需求增加时数据库很可能要求具有额外的功能和更大的处理能力。  每一个滤波器都从缓冲区挑选它所需要的传感器信息，并按模型所要求的方式处理这些信息值。数据转换就带来了模型所需的放于缓冲区的采样值。  滤波器的特性是先立的，通过数据库里的几个步骤很容易重新设置它们，这些步骤通过ODBC可以从预警程序里直接调用。预警算法设计师也可以产生一个文本文件，列出每一个模型所需要的传感器并将该文件送给数据库，在数据库里进行批处理将这种新配置调入到数据库中。(3)虚拟采集卡  每一采样点都会进行周期性的采样，采样频率根据预警算法的要求来进行合适的配置。随后，数据还会被增加一些辩识信息如时间戳，序列号等，然后数据被插入到模型表去。这些表格以及他们的标准查询语言(SQL)接口就形成了虚拟采集卡的核心部分。  通过虚拟采集卡模型就可以获得传感器的全部数据，包括当前数据和历史数据。而且源于虚拟采集卡的数据流的几个特性如采样速率和传感器组等都可以动态重新设置(如图3所示)而不会降低预警程序性能(Cowan and Lucena, 1995)。  模型还可以间接地从数据采集系统调用历史数据到传感器表中去。为此，老的采样系统的配置经过批处理(见图3)后送入模型表，然后进行频率和时间间隔的配置。  由于使用了元数据和存贮程序，虚拟采集卡维护(安装，删除和修正)功能强大且容易操作。#p#分页标题#e#

5  复制和升级  某些预警模型需要的虚拟采集卡会消耗掉数据库的大量的计算资源，在这一负荷下可能会拒绝数据采集系统插入新的采样数据到传感器表中，从而造成数据的丢失。较明显的办法就是升级计算机系统，但是这既消耗金钱又浪费时间，因为系统是安装在好几个变电站的。此外我们还需要通过集中监控的方式远程监控这些分布式系统。  为了解决这些问题，我们设计和构建了一个通过中央服务器(CS)连接所有分布式变电站的网络，该网络能够支持集中式的和双向的复制方案。和数据备份要求相比，数据复制能提供更多的服务，特别是在如我们所讨论的在不同地方运行的克隆系统的某些关键环节特别有用。  一方面，使用复制功能后中央服务器和数据采集系统不再有关联度，上面所提到的虚拟采集卡的一些问题也得到完全解决。因此在复制的环境中运行的复制模型不会对远处的变电站造成影响(Babin and Hsu, 1996; Kulkarni and Ramirez,1997)。另一方面，通过这种方法变电站能够在远处被轻易监视(向上复制)和控制(向下复制)。复制工作流程如下:  l 每一个DAS都将数据插入到当地的DS中。  l 中央服务器根据程序的规定周期性地连接到远处变电站的数据库上去并提取出自上一次刷新后在复制表中出现的变化。通过这种方式，就实现了数据的实时化，并使得所需带宽较小(只发送变化的数据)和时间同步。  l 对每一个分布式变电站，中央服务器单向复制传感器表，因此在原始表处发生的变化被送到中央服务器，而其他变化(系数和估计表格)则作为可更新的映射被重新配置，这就维持了原始数据和映射表格相互同步，从而允许预警应用程序远程管理和监视变电站表格。因此，变电站能够被远程管理，因为表格决定了维护系统的运行行为。  如果需要更为强大的计算处理能力，则只有中央服务器需要升级，而其他的分布式变电站系统可以保持不变。因此变电站分布式系统和中央服务器就构成了一个可升级的系统。

6  结论  当安装好四个克隆的预警维护测试系统后，作者断定虚拟采集卡的使用可以大大减小系统的复杂性和预警应用程序的开发时间，因为它们从获取全页部数据的预处理工作中完全解脱出来而将重点放在预警算法的处理上。更为重要的是，虚拟数据采集卡能够给模型提供所有的传感器信息，而且系统能够对它们进行重新配置以获取额外的信息。同样的原因，因为预警算法不考虑传感器组和采样特性，所以开发进程也加快了。系统被分成三个先立的子系统(数据采集系统，数据库和预警应用程序)，可由三个小组来并行开发，而且简化了并行开发的关联度。系统模块化设计允许系统部件分布式分布。实际上本文提到的可复制的底层网络结构允许对CPU要求很高的预警模型，因为它不会和分布式变电站的数据采集任务相冲突。因此，系统是可升级的，它能够处理预警算法的日益增加的复杂度。#p#分页标题#e#