仲 楠，崔凤新
（福州大学至诚学院，福建 福州 350002）
电力企业规模庞大，电力系统智能化管理成为电力公司面临的主要问题。现代电力系统智能化管理需对设备控制、配电间信息进行监测[1]，尤其是在电气设备异常运行情况下，更需要及时获取现场运行状态信息，此外，还应实时记录装置变位指令，例如电动机启动、容许启动、停止等操作，方便日后管理及查询。远程监控系统能够实现对任意长距离场景实时监测，解决远程场景中影像采集与回放问题；
可通过计算机获取远程场景图像，并利用因特网进行图像信息检索。然而，在远程监控中需要2 台计算机，即监控方和被监控方，无形之中增加了监控成本，且在无人值班情况下，远程场景中计算机系统维护以及计算机切换过程都十分繁琐。此外，在当前的条件下，并不能完全满足远程环境中的计算机与因特网专线连接。因此，研究电气设备运行状态远程监控系统具有重要意义。
国内学者对此展开了深入研究。文献[2]设计了基于WSNs 的远程监控系统，该系统设计包括传感器控制和远程控制两部分，将动态调整窗口数据和报文周期相结合改善网络延迟和整体丢包率，实现大型机械设备运行状态远程监控。然而，该系统需考虑传感器控制和远程控制两部分，设计方案较繁琐。文献[3]设计了基于SDK 的远程监控系统，该系统通过搭建远程观测站可直接在.NET 平台下编写程序，通过设置访问权限实现对工业机器人运行状态的远程监控，但所需控制器较多，监控过程较复杂。
为此，本文设计一种基于DSP 的电气设备运行状态远程监控系统。通过DSP 嵌入式控制器提高系统的抗干扰性，利用远程监控系统控制电路控制监控面积，采用S1MD 技术提高数据处理效率。此外，通过快速傅里叶变换算法和蝶形运算获取电压、电流交流量，利用相对温差确定电气设备的故障类型，实现电气设备运行状态的远程监控。
本文远程监控系统以DSP 为核心，应用于电力系统在线监控。DSP 具有多个转换器，可增加单元处理能力和存储能力。DSP 远程监控系统包括远程无人值班监控和监控中心两大部分，两者之间通过无线连接，如图1所示。
图1 基于DSP 的远程监控系统
DSP 具有高速串行接口，保证了实时监控设备与上位机之间进行通信，并能实现网络与网络间的互联，满足设备自动化要求[4]。基于DSP 的在线状态自动监控系统具有资源量大和编程灵活性强的优势，可以方便调整监控参数，从而能适应各种电压等级要求[5]。
2.1 DSP 嵌入式控制器
将所有程序都导入BOOT RAM 中，使系统上电复位后，无需外部地址输入就可随时访问周围扩展器件，使DSP 运算速度和抗干扰性得到极大改善。DSP 嵌入式控制器结构图如图2所示。
图2 DSP 嵌入式控制器结构图
DSP 嵌入式控制器通过以伺服器模式对以太网开关连接RS 485 通信管理计算机进行监控，从STC⁃101 模块采集线路状态，从电动机集成保护装置获得电力装置运行状态以及电压、电流等信息，将其通过RS 485 或以太网传送至PC 机进行存储、显示，并通过U 盘输出数据[6⁃7]。利用触摸屏实现了对监测线路状态实时显示，实现了对上位机位置实时查询，并能够根据所获取数据设定具体监控内容[8]。
2.2 远程监控系统控制电路
远程无人值守监控系统的核心是对摄像机进行控制，并对其进行数字图像压缩。远程监控系统控制电路如图3所示。
图3 远程监控系统控制电路
由图3可知，该控制电路通过对摄像机下达控制命令，能够实现云台和镜头对焦（远/近）控制[9]。其中云台是24 V 直流（AC）控制，透镜是9～12 V 直流控制，通过驱动命令开关实现对面积大小的远程监控。
2.3 嵌入式监控终端
嵌入式监控终端采用DM642 为核心处理单元，实现了H.264 图像压缩、本地数据存储以及系统处理[10]。专用运行指令使用了S1MD（多数据流）技术，方便了多媒体数据处理。该系统能实现4 个8 位乘法、加减法、比较、移位等运算，便于多媒体并行处理。在系统启动后，对视频采集与网络传输进行初始化，并在等待采集模块捕捉到一帧画面后，再由该编码器对H.264 进行编码，编码后的数据通过网络模块传送到本地硬盘[11⁃12]。在系统中经常要进行多个任务转换，所以对于TMS320 系列DSP 的实时操作系统可以提供多线程优先级。利用系统所提供的信号，可以实现任务线程同步。
3.1 计算电压、电流交流量
系统采用DSP 芯片能够实现汇编与C 语言的有机结合，将其与DSP 芯片并行操作功能结合起来，使计算结果与实际值更接近。交流采样是整个系统软件的重要组成部分，本文系统使用频率变化追踪取样技术采集异常变化点信息[13]。交流量计算部分使用基于时间抽取的快速傅里叶变换算法，计算公式为：
式中：δnt表示远程监控序列系数；
t表示监控时间[14]。通过式（1）对n点存在的n2 个蝶形模块进行计算，具体过程如下所示：
首先输入x1和x2，则对应的输出为：
根据式（2）和式（3）执行蝶形运算、一次乘法运算、两次加减操作，利用FFT 算法的逆向特性将逆向序列的输入转换成自然序列。用FFT 方法求出各个次谐波实部和虚部，并利用矢量计算[15]得到一系列的电压、电流等数据，可在一次周期内，对各个取样信道的谐波成分进行计算，并通过矢量运算得到电压、电流等物理量，保证了数据同步。
3.2 监控电气设备运行状态
通过对非电信号温度监控，可以对电气设备的故障进行早期预警。根据特定温度值，利用相对温差可以初步判定电气设备的故障类型，还可以针对不同故障情况制定相应维护计划[16]。相对温差指的是电气设备在相同条件下，对应测量点温度和较热温度的一个温升比值，计算公式为：
式中：T0表示环境参照温度；
T1表示发热点温度；
T2表示正常点温度。根据计算结果，将致热原因分为电流致热、电压致热、综合致热三类。对于这三种类型，详细分析内容如下。
对于电流致热型的电气设备损耗功率，计算公式可表示为：
式中：I1表示输出电流；
R1表示回路电阻。
对于电压致热型的电气设备损耗功率，计算公式可表示为：
式中：U1表示电压差值；
I2表示泄漏电流。
对于综合致热型的电气设备损耗功率，计算公式可表示为：
式中：α表示设备发热系数；
β表示导热系数；
λ表示换热系数；
γ表示傅里叶传热常数；
S1表示设备发热面积；
S2表示导热面积；
S3表示对流换热面积；
d表示导热面上温度梯度。在一定的温度范围内，电气设备温度上升与导电电流有效值有关，而在相同线路上，两个对应温度上升的公式如下：
式中：η1，R3，I3分别表示测量点散热系数、电阻值、电流值；
η2，R4，I4分别表示散热点的散热系数、电阻值、电流值；
m表示次方幂。基于此，相对温差计算公式为：
根据相对温度的变化判断电气设备运行状态，可以确定设备失效形式。
为了保证电力系统安全稳定运行，对系统电流、电压数据进行监测，可及时发现电气设备劣化过程，在电气设备出现故障之前及时维修，避免发生安全事故。
4.1 测试平台
测试过程中采用了BMS100 测试平台，该平台可以测量电压以及电流，通过RS 485 串口可用于级联，实现多组电压、电流的监测。BMS100 测试平台结构如图4所示。
由图4可知，将所设计系统接入测试平台后，一旦出现任何问题，系统会及时预警，避免人为因素造成的判断误差。
图4 BMS100 测试平台结构
4.2 测试过程
在测试过程中，通过电气设备图元状态设定测试内容，扫描电气设备各个节点，以此作为测试管理授予节点。在安全测试过程中，设置监控节点，该节点为授权点，以此为中心进行现场安全监控。系统测试过程如图5所示。
图5 系统测试过程
由图5可知，通过测试过程获取详细记录并自动保存测试结果，一旦出现异常信息，可随时精准锁定监控对象，通过任务预设分析异常记录，有助于管理者实时监控。
4.3 测试指标
对于监控系统设计合理性进行研究分析，公式为：
式中：ST表示实际监控区域；
Sc表示真实监控区域。电压、电流异常指标计算公式为：
式中：U表示电压有效值；
I表示电流有效值；
ω表示瞬时方向；
t表示监控时间。本文将此作为依据，进行详细测试分析。
4.4 测试结果与分析
以发电机、变压器、电力线路、断路器、电抗器、避雷器电气设备为研究对象，这些设备均出现电压、电流信息异常，分别使用基于WSNs 的远程监控系统、基于SDK 通信接口的远程监控系统和基于DSP 远程监控系统，对比分析监控区域是否与实际监控区域一致，结果如图6所示。
图6 三种监控系统的监控区域对比分析
由图6可知，使用基于WSNs 的远程监控系统、基于SDK 通信接口的远程监控系统的监控区域均超出了实际监控区域范围，而使用基于DSP 远程监控系统的监控区域在实际监控区域范围内。
为了进一步验证所设计系统具有良好监控效果，分别使用这三种系统对比分析电压、电流数值监测结果，如图7所示。
图7 三种监控系统的电压、电流数值监测结果对比分析
由图7a）可知，使用基于WSNs 的远程监控系统、基于SDK 通信接口的远程监控系统电压监控值与实际异常值之间存在误差，且最大误差均为10 V；
使用基于DSP 远程监控系统电压监控值与异常值基本一致，最大误差为0.3 V。由图7b）可知，使用基于WSNs 的远程监控系统、基于SDK 通信接口的远程监控系统电流监控值实际异常值的误差分别为3.5 A，1.9 A；
而使用基于DSP 远程监控系统电流监控值与实际异常值基本一致，最大误差为0.2 A。通过上述分析结果可知，使用基于DSP 远程监控系统的电压、电流监控结果与实际异常值最接近。
本文设计的基于DSP 的电气设备运行状态远程监控系统以DSP 为核心访问周边扩展器件，设计远程监控系统控制电路，使系统装置同步操作，并结合蝶形运算获取电压、电流值。通过测试证实了所设计系统的合理性，且验证了电压、电流监控值与异常值基本一致观点的正确性。该设计系统有效解决了远程监控效率低的问题，通过无线连接，增强了系统实时监控的灵活性。
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