摘要：介紹了一種基于快速數(shù)字信號處理DSP芯片TMS320VC5410A和壓力、溫度及相對濕度傳感器的SF6氣體密度和微水含量在線監(jiān)測方法。詳細(xì)討論了SF6氣體密度、微水含量與溫度、壓力的關(guān)系,并給出了相應(yīng)的硬件框圖和部分軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊采用DSP芯片，充分發(fā)揮了其強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，速度快，精度高。另外，豐富的片內(nèi)資源有效地簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的電磁兼容性，降低了設(shè)計(jì)成本，從而使得該方法具有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：SF6氣體；在線監(jiān)測；數(shù)字信號處理器（DSP）；USB2.0
1 概 述
SF6斷路器具有開斷能力強(qiáng)、電氣壽命長、斷口電壓高、結(jié)構(gòu)簡單及少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),故近年來在高電壓領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而SF6電器設(shè)備在運(yùn)行時(shí),不可避免地會(huì)發(fā)生電器設(shè)備內(nèi)SF6氣體向外泄漏而導(dǎo)致密度下降的現(xiàn)象。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明,在SF6斷路器的故障中,SF6氣體泄露占38%[1]。而在SF6氣體泄漏的同時(shí)，電器設(shè)備外部潮氣也會(huì)滲透進(jìn)電器設(shè)備內(nèi)部,引起設(shè)備內(nèi)SF6氣體中微水含量的增加。當(dāng)SF6氣體中微水含量過高時(shí), 會(huì)使高壓電器設(shè)備運(yùn)行存在安全隱患,這主要表現(xiàn)在：SF6氣體在電弧作用下的分解物遇水時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成具有強(qiáng)腐蝕性的HF和H2SO3等,會(huì)腐蝕損壞絕緣件，并隨SF6氣體一同向外泄漏，危害人體健康，還增加了環(huán)境中的溫室效應(yīng)；在溫度降低時(shí)SF6中的水蒸汽可能形成凝露,使絕緣件表面絕緣強(qiáng)度顯著降低甚至出現(xiàn)閃絡(luò)。按照GB/T8905-1996《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》規(guī)定,在電氣設(shè)備充氣前和運(yùn)行中必須對SF6氣體進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督和管理,保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。
2 SF6氣體密度和微水含量傳統(tǒng)監(jiān)測方法
目前,SF6氣體密度的檢測方法多是采用機(jī)械式密度繼電器實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械式密度繼電器無法對變化過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，只能發(fā)出接點(diǎn)信號，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算及遠(yuǎn)傳。隨著電力企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,110kV、 220kV變電站大量實(shí)現(xiàn)無人值班,采用技術(shù)手段讓中心監(jiān)控站的值班人員對變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測,已越發(fā)重要，而現(xiàn)有的機(jī)械式密度繼電器根本無法實(shí)現(xiàn)這一要求[2]。
現(xiàn)有微水含量檢測的方法也有類似缺點(diǎn)，如重量法、電解法、露點(diǎn)法等均屬于離線預(yù)防性檢測,無法隨時(shí)掌握氣體含水量的變化并適時(shí)報(bào)警[3]。
3 SF6氣體密度在線監(jiān)測方法
工程實(shí)際中，密度的直接監(jiān)測是不易實(shí)現(xiàn)的，通常是轉(zhuǎn)化為對壓力的監(jiān)測。但即便是密度恒定時(shí)，SF6氣體的壓力也要隨溫度發(fā)生變化。因此，為了準(zhǔn)確反映壓力變化是由于漏氣而非溫度改變引起的，就必須通過溫度補(bǔ)償或修正的方法，使壓力指示儀表無論外界溫度如何改變，示數(shù)始終為對應(yīng)20℃的標(biāo)準(zhǔn)壓力，并將該值等效為氣室內(nèi)SF6氣體的密度值以便與參考值比較。由上分析可知，SF6氣體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集溫度和壓力2個(gè)特征量,并對這2個(gè)特征量信號進(jìn)行處理來完成整個(gè)在線監(jiān)測過程,因此該子系統(tǒng)主要由溫度、壓力傳感器、數(shù)字信號處理器（DSP）、PC機(jī)等組成。修正運(yùn)算由DSP完成，利用的是最常用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)方程，即Beattie—Bridgman方程：
4 SF6氣體微水含量在線監(jiān)測方法
SF6氣體微水含量在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集濕度、溫度和壓力3個(gè)特征量,并對這3個(gè)特征量信號進(jìn)行預(yù)處理、傳送、存儲、計(jì)算、判斷和顯示來完成整個(gè)在線監(jiān)測過程。因此，在SF6氣體密度在線監(jiān)測子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)濕度傳感器即可。SF6氣體微水含量的檢測屬于低濕度測量范疇,因此必須用低濕度傳感器來測量SF6氣體微水含量。利用高分子聚合物或硅半導(dǎo)體親水材料的濕度傳感器（如法國Humirel公司的HM1520濕敏傳感器）,可以直接測量SF6氣體的相對濕度RH。通常工業(yè)現(xiàn)場是采用溫度為20℃時(shí)的SF6氣體的濕度值作為參照標(biāo)準(zhǔn)，因此為了使測量結(jié)果具有可比較性，需要采用修正公式對所測量的相對濕度值進(jìn)行修正,以便與參考值進(jìn)行比較。修正計(jì)算過程包括：
（1）、利用最精確的飽和水汽壓計(jì)算公式，即Goff－Grattch公式計(jì)算實(shí)時(shí)水蒸汽飽和壓力
[5]：
① 對于純水平面：
5 硬件框圖
圖一 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖
Figure.1 Block diagram of the on-line monitoring system
系統(tǒng)硬件框圖如圖一所示，主要由溫度、濕度、壓力傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊及PC機(jī)等組成。由于斷路器狀態(tài)監(jiān)測要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)，這就對數(shù)據(jù)處理模塊提出了較高要求。而較之單片機(jī)，數(shù)字信號處理器（DSP）在這方面的性能是尤為突出的，因此本文在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊時(shí)采用DSP來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。一臺PC機(jī)同時(shí)與多臺DSP通信。在本設(shè)計(jì)中將PC機(jī)視為DSP的外圍設(shè)備。工作時(shí)，由CPLD控制多路選擇開關(guān)使A/D轉(zhuǎn)換模塊順序完成對各傳感器采集到的模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換及存儲（系統(tǒng)中選用的ADC芯片內(nèi)置可調(diào)節(jié)的先進(jìn)、先出緩沖存儲器FIFO），DSP則讀取存儲在FIFO中的數(shù)據(jù)，完成相關(guān)的計(jì)算和修正處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、放大電路（這部分電路在系統(tǒng)硬件框圖中沒有給出）等驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行元件完成系統(tǒng)閉環(huán)控制。與此同時(shí)在CPLD的控制下，DSP將處理完的數(shù)據(jù)結(jié)果以數(shù)據(jù)包形式通過USB2.0接口傳輸?shù)絇C機(jī)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含有標(biāo)志碼，用以識別是哪個(gè)DSP傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包按標(biāo)志碼存放于PC機(jī)內(nèi)存的不同存儲單元。PC 機(jī)按程序設(shè)定，定時(shí)顯示并刷新數(shù)據(jù)結(jié)果。并根據(jù)設(shè)定的參照值做出相應(yīng)動(dòng)作模擬，如顯示報(bào)警、閉鎖等信號。
DSP模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。選用美國TI公司16－bit定點(diǎn) TMS320VC5410A-120芯片，該芯片采用先進(jìn)的改造型哈佛結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度達(dá)到了120MIPS；內(nèi)置128K RAM、32K ROM；40-bit算術(shù)邏輯單元（ALU）、17×17乘法器和40-bit 專用加法器，具有單指令和塊指令重復(fù)操作的能力；3個(gè)多通道緩沖串口（McBSP）、一個(gè)與主機(jī)通信的增強(qiáng)型8/ 16－ bit并行HPI口以及6通道DMA控制器，有效的使用DMA功能，可不通過處理器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取，極大地提高了處理器運(yùn)行效率 [6]。
A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要由ADC芯片及外圍電路構(gòu)成，其功能是將采集的多路模擬信號轉(zhuǎn)換成16-bit的數(shù)字信號。選用TI公司ADS1606芯片，其帶寬為2.45MHz，信噪比為88dB；非線性失真為-99dB，無失真動(dòng)態(tài)范圍為101dB。ADS1606可通過片上的可調(diào)FIFO輸出數(shù)據(jù)，簡易的并行數(shù)字輸出數(shù)據(jù)接口可直接與數(shù)字信號處理器連接，方便用戶接口設(shè)計(jì)。
多路選擇開關(guān)：選用美國ADI公司的ADG509-A芯片，該芯片為四選一模擬開關(guān)。在CPLD控制下依次選取溫度、濕度和壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
集成可編程邏輯器件(CPLD)：選用法國ALTERA公司生產(chǎn)的 EPM7128S 芯片。其在系統(tǒng)中的主要功能是時(shí)序和邏輯控制：系統(tǒng)工作時(shí)，它讀取并分析從DSP端口傳送過來的各種狀態(tài)信號，通過控制多路選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序控制，從而實(shí)現(xiàn)DSP與A/D模塊間的通信。另外，系統(tǒng)還通過連接CPLD來擴(kuò)展USB控制接口，實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)間的通信。
USB接口控制模塊：系統(tǒng)中DSP與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB2.0�？刂菩酒x用美國Cypress 公司CY7C68013芯片。該芯片傳輸速度最高達(dá)56Mbps。CY7C68013能非常靈活地實(shí)現(xiàn)與DSP的接口，系統(tǒng)中利用DSP的EMIF口,連接CPLD來擴(kuò)展USB控制接口。并使其作為從設(shè)備,選用Slave FIFOs ,異步讀/ 寫方式。這樣外部控制器就可以像讀/ 寫普通FIFO一樣對CY7C68013內(nèi)部的4Kb FIFO進(jìn)行讀/ 寫[7]。
6. 在線監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括SF6氣體密度、微水含量計(jì)算和修正程序、DSP芯片初始化程序、CPLD設(shè)計(jì)程序、USB2.0設(shè)計(jì)程序、各功能模塊初始化程序及PC機(jī)設(shè)計(jì)程序等。其中圖二給出的是SF6氣體密度、微水含量的計(jì)算和修正程序框圖。
圖二 程序框圖
Figure.2 Flow chart of program
7. 結(jié)論
本文提出基于DSP芯片TMS320VC5410A的SF6斷路器氣體密度及微水含量在線監(jiān)測方法。該方法依靠VC5410A強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，有效的保證了監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。而芯片內(nèi)豐富的資源則簡化了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，降低了成本。因而本方法具有較好的應(yīng)用前景。
創(chuàng)新點(diǎn)：傳統(tǒng)的SF6斷路器中的 SF6氣體密度及微水含量檢測以離線檢測居多，無法隨時(shí)掌握氣體密度、含水量的變化并適時(shí)報(bào)警。基于DSP的SF6氣體密度及微水含量在線監(jiān)測方法，很好的實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測要求。而且較之一般監(jiān)測系統(tǒng)，基于DSP的監(jiān)測系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以更好的滿足實(shí)時(shí)性要求。
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