電力干式變壓器模型及數據采集集成系統

1引言為了將電力干式變壓器的故障率降到較低，作者設計了一種具有故障預警功能的測試系統(圖1)，這也是預警維修的基礎，因其具有此功能而被稱(chēng)為預警維修測試系統。根據一些可能的故障原因(濕度、振動(dòng)、過(guò)熱、氣體和老化)的當前和歷史狀態(tài)，一些專(zhuān)家(Lamela等人，1999；Rivera等人，2000)設計了幾種模型來(lái)預測干式變壓器的工作條件。為了獲得模型中算法所需的數據，他們在每個(gè)干式變壓器中安裝了傳感器。預警應用配備了虛擬數據卡，它實(shí)際上是傳感器采集處理并提供給模型的數據體，因此預警應用可以從數據管理事務(wù)中分離出來(lái)(Jackson和Zave，1998)。該系統主要包括三個(gè)子系統：數據采集系統(DAS)、數據存儲(DS)、預警應用(PA)和虛擬數據卡。這樣就形成了一個(gè)可升級、易重構的系統，大大縮短了整個(gè)項目的開(kāi)發(fā)時(shí)間。復制方案實(shí)施后，系統完全開(kāi)發(fā)成功。

2系統結構由于建立模型需要傳感器收集的歷史數據，因此需要決定傳感器放置在哪里以及如何放置。較明顯的方法是讓?xiě)贸绦蚬芾碜约旱臍v史數據記錄，但這樣會(huì )增加程序不必要的復雜性，因為這意味著(zhù)它必須同時(shí)處理實(shí)時(shí)采樣數據和歷史數據。另一種方法是依靠傳感器或數據采集設備來(lái)處理自己采集的歷史數據。但是這種方案的缺點(diǎn)是數據采集系統一般要求實(shí)時(shí)性高，對歷史數據處理等不可預測的要求會(huì )降低系統的實(shí)時(shí)性(Kopetz，1997)。此外，如果每個(gè)傳感器配備有先立的存儲單元，則處理每個(gè)字節的成本與集中式方法的成本相比沒(méi)有優(yōu)勢。市場(chǎng)上有大量低字節處理成本的標準數據庫接口，這使得它們成為數據存儲的良好選擇。在數據采集設備和用戶(hù)應用程序之間插入數據庫(圖2和圖3)將減少它們的數據管理任務(wù)，從而降低它們的復雜性(Devjin，1997；英蒙，1993年).系統組件之間的這種功能劃分使管理變得容易，因為任何一方的變化都不會(huì )影響另一方。相應地，其他子系統必須經(jīng)過(guò)精心設計和匹配才能運行。當將單個(gè)電路系統升級為可重新配置和可升級的模塊化系統時(shí)，有必要考慮從經(jīng)濟性和工作量方面來(lái)看是否值得。

在系統設計階段，除了考慮引入數據庫的經(jīng)濟性外，還必須考慮系統的可升級性和靈活性。所以相應的系統要考慮到未來(lái)會(huì )使用新的傳感器，會(huì )有不同的應用，有不同的需求，使系統具有實(shí)現快、簡(jiǎn)單、錯誤少的特點(diǎn)。實(shí)際工作系統中涉及的網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。圖中有三個(gè)變電站，共監控四個(gè)干式變壓器并進(jìn)行數據分析。兩個(gè)干式變壓器安裝在變電站a，另外兩個(gè)分別安裝在變電站b和c。干式變壓器不同傳感器的數據由帶PXI處理板的工控機進(jìn)行處理和存儲。圖2中描述的所有子系統(數據采集系統、數據庫和預警應用程序)都安裝并運行在每臺工業(yè)計算機上。在避免與數據采集系統發(fā)生功能沖突的情況下，為了簡(jiǎn)化模型的調整，將所有變電站數據庫復制到位于維果大學(xué)的中央數據庫服務(wù)器。預警模型應用程序在卡洛斯三世大學(xué)運行，所有模型都相對于中央數據庫進(jìn)行調整?，F在可以遠程管理和監控工業(yè)的計算機(來(lái)自電力公司、卡洛西和維戈大學(xué))。它描述了預警系統中涉及的所有協(xié)議層。如圖所示，數據采集系統將數據傳輸到數據存儲器，它們通過(guò)開(kāi)關(guān)連接。為了達到較佳性能，數據采集系統使用一個(gè)客戶(hù)端數據庫(C-DLL)，客戶(hù)端數據庫使用自己的協(xié)議。預警程序使用開(kāi)放數據庫連接(ODBC)協(xié)議通過(guò)局域網(wǎng)(LAN)或廣域網(wǎng)(WAM)訪(fǎng)問(wèn)數據存儲，因此不需要直接處理傳感器。事實(shí)上，對于測試系統來(lái)說(shuō)，它的接入點(diǎn)是一個(gè)名為虛擬采集卡的傳感器處理的信號。數據存儲中出現的復制級別是指使用數據庫工具實(shí)現的復制機制。 #p#分頁(yè)標題#e#

3數據采集系統數據采集系統是干式變壓器中負責信號采集和處理的子系統。它由一組傳感器、預處理和閾值處理設備以及數據采集卡組成。系統中使用了16個(gè)模擬傳感器、和3個(gè)PT100溫度傳感器。4應力干式變壓器，用于改變電力干式變壓器高壓側和低壓側的電流試驗值；4臺電壓干式變壓器，用于測試高壓側和低壓側的電壓；測試干式變壓器振動(dòng)的四個(gè)壓電加速度計；測量干式變壓器油濕度的電容式濕度計和氣體傳感器。該系統還采用九個(gè)數字傳感器，利用無(wú)電壓繼電器觸點(diǎn)監測干式變壓器高壓開(kāi)關(guān)、油泵和風(fēng)扇的狀態(tài)。信號閾值處理后，數據采集系統對傳感器發(fā)送的原始信號進(jìn)行處理，然后發(fā)送給下一個(gè)處理單元(數據庫系統)。根據模型的要求，其信號處理內容包括一些數據信號的快速傅里葉變換、有效值和平均值的計算等。

4數據庫數據庫可以分為以下幾個(gè)部分：緩沖區和數據表、過(guò)濾處理、采樣、批處理和虛擬采集卡(見(jiàn)圖3)。數據表存儲來(lái)自傳感器的所有數據，而緩沖區僅接受來(lái)自傳感器的較后一個(gè)值。每個(gè)模型都有一個(gè)特殊的過(guò)濾器來(lái)處理來(lái)自傳感器的較后一個(gè)值，這樣緩沖區中的數據就可以準確地反映模型的特性。

如果會(huì )有更多

路處理功能放在數據采集系統部分，則應該意識到一但多路處理電路改變后，模型也必須進(jìn)行相應的更改，這并不是一個(gè)好方法，因為耦合進(jìn)一些不相關(guān)的任務(wù)如數據獲取和預警等會(huì )降低系統的可升級性以及可重復性（Mario et al., 1999; Mario et al., 2000a;Mario et al., 2000b)。這種方案唯一的優(yōu)勢就是速度快，從而使得它必不可少（Johnson,1995）。 (1)數據采集系統/數據庫(DAS/DS)接口 DS提供兩個(gè)存取點(diǎn)或接口?？紤]到實(shí)時(shí)條件的約束，較左的接口提供了到DAS的存儲功能。當前接口利用了新的數據庫(如圖3所示的動(dòng)態(tài)連接數據庫(DLL))，而該數據庫又使用了Oracle調用接口(OCI)，OCI是由API提供的Oracle與其數據庫通信的接口。通過(guò)這種方式，數據采集系統總是使用更高一級的API，而不會(huì )去考慮在這一級API背后數據是如何進(jìn)行處理的。使用這樣一種技術(shù)，在開(kāi)放數據庫連接(ODBC)、對象鏈接和嵌入式數據庫(OLEDB)中也會(huì )帶來(lái)同樣的優(yōu)點(diǎn)，但是較大的差別在于開(kāi)發(fā)工程師必須編制協(xié)議層。因為數據采集系統有性能要求，這種方案能達到速度方面的要求，因此也是值得的。  較右面的接口是給預警應用程序使用的，它根據需要提供了多種方式去存取傳感器的歷史數據和當前數據，在此處就選擇了ODBC來(lái)進(jìn)行通信，因為DS是一個(gè)先立的應用程序，所以較好使用廣泛兼容的數據存取方法，較關(guān)鍵的是在這里速度并不是一個(gè)重要問(wèn)題。(2)可重新配置的濾波器  數據轉換是所有數據庫的關(guān)鍵功能，因為它通常會(huì )決定系統的整個(gè)性能(Vranes and Stanojevic, 1995; Keck and Kuehn, 1998)。在設計階段也必須時(shí)刻考慮系統將來(lái)的可升級性和可擴展性，因為當應用程序處理需求增加時(shí)數據庫很可能要求具有額外的功能和更大的處理能力。  每一個(gè)濾波器都從緩沖區挑選它所需要的傳感器信息，并按模型所要求的方式處理這些信息值。數據轉換就帶來(lái)了模型所需的放于緩沖區的采樣值。  濾波器的特性是先立的，通過(guò)數據庫里的幾個(gè)步驟很容易重新設置它們，這些步驟通過(guò)ODBC可以從預警程序里直接調用。預警算法設計師也可以產(chǎn)生一個(gè)文本文件，列出每一個(gè)模型所需要的傳感器并將該文件送給數據庫，在數據庫里進(jìn)行批處理將這種新配置調入到數據庫中。(3)虛擬采集卡  每一采樣點(diǎn)都會(huì )進(jìn)行周期性的采樣，采樣頻率根據預警算法的要求來(lái)進(jìn)行合適的配置。隨后，數據還會(huì )被增加一些辯識信息如時(shí)間戳，序列號等，然后數據被插入到模型表去。這些表格以及他們的標準查詢(xún)語(yǔ)言(SQL)接口就形成了虛擬采集卡的核心部分。  通過(guò)虛擬采集卡模型就可以獲得傳感器的全部數據，包括當前數據和歷史數據。而且源于虛擬采集卡的數據流的幾個(gè)特性如采樣速率和傳感器組等都可以動(dòng)態(tài)重新設置(如圖3所示)而不會(huì )降低預警程序性能(Cowan and Lucena, 1995)。  模型還可以間接地從數據采集系統調用歷史數據到傳感器表中去。為此，老的采樣系統的配置經(jīng)過(guò)批處理(見(jiàn)圖3)后送入模型表，然后進(jìn)行頻率和時(shí)間間隔的配置。  由于使用了元數據和存貯程序，虛擬采集卡維護(安裝，刪除和修正)功能強大且容易操作。#p#分頁(yè)標題#e#

5  復制和升級  某些預警模型需要的虛擬采集卡會(huì )消耗掉數據庫的大量的計算資源，在這一負荷下可能會(huì )拒絕數據采集系統插入新的采樣數據到傳感器表中，從而造成數據的丟失。較明顯的辦法就是升級計算機系統，但是這既消耗金錢(qián)又浪費時(shí)間，因為系統是安裝在好幾個(gè)變電站的。此外我們還需要通過(guò)集中監控的方式遠程監控這些分布式系統。  為了解決這些問(wèn)題，我們設計和構建了一個(gè)通過(guò)中央服務(wù)器(CS)連接所有分布式變電站的網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )能夠支持集中式的和雙向的復制方案。和數據備份要求相比，數據復制能提供更多的服務(wù)，特別是在如我們所討論的在不同地方運行的克隆系統的某些關(guān)鍵環(huán)節特別有用。  一方面，使用復制功能后中央服務(wù)器和數據采集系統不再有關(guān)聯(lián)度，上面所提到的虛擬采集卡的一些問(wèn)題也得到完全解決。因此在復制的環(huán)境中運行的復制模型不會(huì )對遠處的變電站造成影響(Babin and Hsu, 1996; Kulkarni and Ramirez,1997)。另一方面，通過(guò)這種方法變電站能夠在遠處被輕易監視(向上復制)和控制(向下復制)。復制工作流程如下:  l 每一個(gè)DAS都將數據插入到當地的DS中。  l 中央服務(wù)器根據程序的規定周期性地連接到遠處變電站的數據庫上去并提取出自上一次刷新后在復制表中出現的變化。通過(guò)這種方式，就實(shí)現了數據的實(shí)時(shí)化，并使得所需帶寬較小(只發(fā)送變化的數據)和時(shí)間同步。  l 對每一個(gè)分布式變電站，中央服務(wù)器單向復制傳感器表，因此在原始表處發(fā)生的變化被送到中央服務(wù)器，而其他變化(系數和估計表格)則作為可更新的映射被重新配置，這就維持了原始數據和映射表格相互同步，從而允許預警應用程序遠程管理和監視變電站表格。因此，變電站能夠被遠程管理，因為表格決定了維護系統的運行行為。  如果需要更為強大的計算處理能力，則只有中央服務(wù)器需要升級，而其他的分布式變電站系統可以保持不變。因此變電站分布式系統和中央服務(wù)器就構成了一個(gè)可升級的系統。

6  結論  當安裝好四個(gè)克隆的預警維護測試系統后，作者斷定虛擬采集卡的使用可以大大減小系統的復雜性和預警應用程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為它們從獲取全頁(yè)部數據的預處理工作中完全解脫出來(lái)而將重點(diǎn)放在預警算法的處理上。更為重要的是，虛擬數據采集卡能夠給模型提供所有的傳感器信息，而且系統能夠對它們進(jìn)行重新配置以獲取額外的信息。同樣的原因，因為預警算法不考慮傳感器組和采樣特性，所以開(kāi)發(fā)進(jìn)程也加快了。系統被分成三個(gè)先立的子系統(數據采集系統，數據庫和預警應用程序)，可由三個(gè)小組來(lái)并行開(kāi)發(fā)，而且簡(jiǎn)化了并行開(kāi)發(fā)的關(guān)聯(lián)度。系統模塊化設計允許系統部件分布式分布。實(shí)際上本文提到的可復制的底層網(wǎng)絡(luò )結構允許對CPU要求很高的預警模型，因為它不會(huì )和分布式變電站的數據采集任務(wù)相沖突。因此，系統是可升級的，它能夠處理預警算法的日益增加的復雜度。#p#分頁(yè)標題#e#