在线监测系统

1. 监测系统应具有较强的抗干扰能力。

2. 监测系统应具有较强的对环境变化的耐受性。

3. 监测系统不应影响一次设备的正常运行。

4. 监测系统的寿命应长于被监测设备的预期寿命。

对在线监测系统的基本要求

在线监测的基本框架运行技术措施

电力设备 传感器 信号预处理 数据采集 数据处理信号传输 故障诊断

信号变送系统（设备近区）

数据采集系统（设备近区）

信号传输系统

处理和诊断系统（主控室）

当诊断系统与传感器之间的距离很远时，模拟数据的传输往往是一个很困难的课题。尤其当信号具有较宽的频率分量时，主要原因有二： 长距离传输线会受到各种干扰的影响，使信号质量恶化。 传感器与数据采集系统中放大器的接地点之间常常存在较强的共模干扰电压。

一、传感技术

传感什么？

超声波 脉冲电流

远红外气体含量温度

电信号

温度 热电偶 直流电压光强度 光电二极管 直流电流

机械振动 超声传感器 交流电压放电脉冲 罗克夫斯基线圈 交流电流气体含量 气体传感器 电阻

位移 电感式位移传感器 电感液位 电容式液位计 电容厚度 水晶厚度传感器 频率

传感器工作原理

放大、变换

测量环境

被测信号

检出器

狭义传感器 信号预处理部分

广义传感器

输出输入匹配xi yo

传感器的特性y = kx理想传感器

y = f(x)非线性传感器

f(x) 通常是单调的 .

y = f ( x , N )实际传感器

N 为环境变量，包括温度、湿度、振动、大气情况等。

传感器基本性能指标基本参数 环境参数 可靠性指标 其他指标

量程指标 量程、过载能力。灵敏度指标 灵敏度、分辨率、 满量程输出、输入输出阻抗。精度指标 误差、线性度、重复性、阈值、 稳定性。动态性能指标 频率特性、时间常数、阻尼系数、响应时间、衰减率等

温度指标 工作温度范围 温度漂移抗振指标 抗振幅度 冲振允许频率大气环境 湿度 气压

工作寿命保修期保险期平均无故障时间绝缘电阻耐压水平等

电源 供电方式 电源电压 电源稳定性 功耗结构 外形尺寸 重量 材质安装方式

NN

fx

x

fy

传感器在任一基准状态（ x0 , N0 ）处的变化

),( 00 NxFx

fS

传感器灵敏度

NN

fy

0 传感器的漂移

传感器的静态特性

静态特性表示传感器在输入量处于稳定状态时的输出 -输入关系。

环境要求 可测量范围 线性度 迟滞效应

输出特性 分辨率 稳定性 静态误差

由于传感器总存在惯性、阻尼等因素，使传感器的输出不仅与输入量有关，而且与输入量的变化速度和加速度有关。

传感器动态特性

y = f ( x , N )

y ( t )= f [ x( t ), N( t ) ]

动态模型 传递函数 传感器无失真检测条件

动态模型

可加性

因此，分析线性时不变系统时，总是可以将复杂的激励信号分解成若干简单的激励。

n

ii

n

ii tytx

11

)()(

频率保持特性 当线性时不变系统的输入为某一频率时，则系统的稳态响应也为同频信号。

传感器简化为线性常系数时不变系统，因此传感器具有以下两个重要特性：

n

n

nn

n

n dt

yda

dt

yda

dt

dyaya

1

1

110

m

m

mm

m

m dt

xdb

dt

xdb

dt

dxbxb

1

1

110

传感器的动态模型

系数 a0, a1, •••, an 和 b0, b1, •••, bn 均与传感器的结构有关

传递函数

如果 y(t) 是时间变量 t 的函数，并且当 t 0 时，y(t) =0 ，则函数 y(t) 的拉普拉斯变换 Y(S) 的定义为

0)()( dtetySY St

传感器的动态模型的拉氏变换

))(( 1110

nn

nn SaSaSaaSY

))(( 1110

mm

mm SbSbSbbSX

传感器的传递函数

nn

nn

mm

mm

SaSaSaa

SbSbSbb

SX

SY

txL

tyLthLSH

1110

1110

)(

)(

)]([

)]([)]([)(

nn

nn

mm

mm

SaSaSaa

SbSbSbb

1110

1110

x y

动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性，我们总是希望传感器的输出量随时间的变化关系能够完全复现输入量随时间的变化关系。

实际的被测信号是多种多样的，无法一一模仿。工程上通常采用标准信号函数的方法来评定传感器的动态特性指标。

任意信号都可通过傅立叶变换分解成各次谐波来分析。主要用于分析系统的频率特性，称为“频率响应法”。

阶跃信号是瞬间突变信号，是测试信号中最难以复现的一种，主要用于分析系统的时域特性，称为“瞬态响应法”

正弦信号

阶跃信号

标准测试信号

1. 传感器的频率响应特性

当输入信号为正弦时，且传感器是稳定的则可用 j

代替传感器传递函数 H(s) 中的变量 s 。

0

0

1110

1110

)(

)(

)()()(

)()()(

)(

)()(

dtetx

dtety

jajajaa

jbjbjbb

jX

jYjH

tj

tj

nn

nn

mm

mm

因此，可将 H( j ) 定义为传感器的频率响应特性

jj eAejHjH )()()(

（ 1 ）幅频特性 :

增益 A — 传感器对检测信号的放大或衰减倍率。

带宽 — 传感器的增益保持在一定值上的频率范围。

时间常数 ：一阶传感器特征量， 越小，频带越宽。

固有频率 0 ：二阶传感器特征量。

（ 2 ）相频特性

2. 传感器的瞬态响应特性

过调量（过冲）：第一次超过稳定值出现的最大偏差。

x

t

xi

y

b

at

trs tst

yo

上升时间 trs ：由稳定值的 10% 到 90%所需时间。 响应时间 tst ：由开始输入到输出稳定所需的时间。

衰减度 ：振荡幅值衰减的速度。

非接触性：测量系统不能影响一次系统的运行。

强的抗干扰性

对环境的耐受性。

高的可靠性

在线监测用传感器的特殊要求

二、数据采集与处理

Data sampling and processing

传送

存储

处理

显示

数字信号的优点

模拟信号 数字信号数据采集系统

数据采集系统

数据采集系统由采样 - 保持放大器、模拟多路转换器、基准电压、标准时钟、 A/D转换器和数据 RAM 等构成。

传感器 放大器滤波器

模拟多路通道

采样 / 保持

ADC

标准时钟

物理参数其他模拟通道

目前的 A/D转换器最高分辨力可达 16 位， ADC转换时间最快可达 10ns 以下。 数字采集系统的内部设计、制造和调整工作都由采集系统的开发商负责。用户只需选择、测试、组装和进行外部简单的调试，而不必了解转换器的内部细节。

在选择或构建数据采集系统时，用户需要明确系统组件或模块的技术特性，以及不同功能电路相联时的相互作用，以便正确评估数据采集系统的精度和速度以及存储容量是否满足测量的需要。应主要考虑以下几个方面：

1. 分辨率和精度；2. 拟监控的信号通道数；3. 通道带宽；4. 采样速率；5. 数据存储容量；6. 成本因素。

A/D 转换器的动态性能分析

转换速率；

转换精度；

通道带宽

触发特性。

1. 转换速率

转换时间 是 A/D转换器从转换开始到输出值稳定为止的时间，一般用时间（ s或 ns ）单位表示，又称转换周期。 对于完整的数据采集系统来说，还应包括采样保持电路和多路转换延迟的时间。

采样率 表示 A/D转换器在单位时间内读进模拟值的次数。一般情况下，转换周期的倒数即为最高采样率。

A/D转换包括两个基本过程：

采样 —— 在等间隔时间点上抽取连续模拟信号相应的瞬时值，使模拟信号变成时间上离散的信号。（在时间上量化）

量化 —— 用一组数码逼近采样信号，使采样信号变成幅值上离散的数字信号。

（在幅值上量化）

对应着我们在使用采样卡时，所最为关心的两项技术指标：采样率和采样卡的位数。

采样过程和采样定理

K

f(t) f*(nT) f(t) f*(nT)

(t-nT)

0 2 4 6 8 10 12 140

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

模拟信号0 2 4 6 8 10 12 14

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

数字信号

单位采样脉冲（ Unit Sample)

)0(0

)0(1)(

n

nn

)(0

)(1)(

0

00 nn

nnnn

)(n

0 n)( 0nn

0 n0n

0

)()()(n

s nTtnTftf 相应采样信号

采样的目的是希望由采样后的数字信号能够正确反映原始信号。那么需要满足什么条件由采样后的数字信号才能不失真地恢复原始信号呢？

采样定理：如果 f(t) 是一个有限带宽信号，在 ||> M 时，X(j)=0 。如果 s> 2M ，其中 s=2/T ，那么 f(t)就唯一地由其采样样本 f(nT) ， n=0,+1,+2,···所确定。

采样定律要求，采样频率必须大于 2M ，该频率 2M又称为奈奎斯特频率。

采样定理只是从原则上提出了采样周期的上限值，而没有给出解决实际测量问题的具体方法。

① 信号的最高频率 — 奈奎斯特频率应理解为包括噪声在内的最高频率，而不是有用信号的最高频率。

② 采样定理在对有限带宽信号应用才是正确的，否则将产生频率混叠现象。

③ 根据采样定理，利用大于信号最高频率 2倍以上的频率进行采样，就可以无失真地恢复出原信号。但考虑信号恢复滤波器的截至特性不可能是理想的，所以实际采样时应取信号最高频率的 3～ 5倍。

在采样定理应用中必须注意的问题

量化过程与量化误差

模拟信号可能是任意实数值，如果用数字量精确表示其幅值，则可能需要无限多数字位。然而任何一个实际的数字系统都只有有限的字长。 拥有限字长的数字量去逼近信号幅值的过程即为信号量化过程。

R

AD

= 和 [ ] 表示舍零取整的过程。

实现 A/D转换的基本思想是以某一参考量 R 为单位去度量模拟信号 A ，从而得到数字量 D 。这一过程可表示为

最常用的量化逼近方式有截断和舍入两种方式。

截断——舍其不足一个单位间隔的幅值。射入——即采用四舍五入的取整方案。

量化误差是量化方式和最小量化单位的函数，一个满度输出数字为 n 位二进制码的模数转换器，可把一个幅值等于转换器满额度模拟输入范围 (FSR)划分成 2n 个相等的量化区间 ( 单位 ) 。

模数转换输出数字的最低有效位

1 LSB =1/2n FSR

设输入信号 f(x) 的平方均值为 ,则截断量化信噪比为

)(2 nTf

)](3lg[10)1(02.6)(

)](3lg[1002.6)(

2

2

nTfnSNR

nTfnSNR

R

T

截断量化 (1)

舍入量化 (2)

量化信噪比是实际测试中选择 A/D转换器的主要依据，知道输入信号的范围、所选量化方式以及系统要求的信噪比指标，即可由公式 1 和公式 2 求出所需转换器的位数 n 。

从信号功率 /噪声比的角度，舍入量化优于截断量化。

2. 转换精度（动态特性）

动态范围 是 A/D转换器能处理的最小信号与最大信号之比，一

般用 dB 表示。

通道间串扰 在多通道 A/D转换器中，某通道输入模拟电压对其

他通道数字输出的影响，一般用% 或 dB 表示。

信噪比 表示输出端满标度正弦波与 Nyquist 频率以下所有噪

声成分之和（平方和的平方根）的比率，此噪声包括了量化误差，一般用% 或 dB 表示。

总谐波失真 表示输出的所有高次谐波成分之和（平方和的平方

根）相对于输入信号基本频率成分的比率，用% 或 dB表示。

3. 通道带宽、采集系统的存储深度和多路转换

存储深度一次采集所能存储的数据量，即采集系统数字 RAM 的存储容量，一般以字节数（ byte ）为单位。它反映了采集系统对信号波形的存储能力。

采样通道带宽采集系统模拟通道的带宽，通常是指模拟通道的上限频率值（即 -3dB增益带宽）。它决定了采集所能测量的最高信号频率，使数据采集系统的关键指标。

多路转换

当同时需要采集多个信号时，通常是采用多路转换实现的。

(1) 共用采样 / 保持电路、 ADC 的多通道采集

放大器滤波器

模拟多路器

采样 / 保持

ADC

标准时钟

其他模拟通道

模拟信号 1模拟信号 2

模拟信号 n

(2) 公用 ADC 的多通道采集

模拟多路器

采样 / 保持

缓冲器

标准时钟

模拟信号 1模拟信号 2

模拟信号 n

ADC

采样 / 保持

采样 / 保持

采保电路需较长时间精确保持采样值，以免积累过量误差。

(3) 各通道独立转换的采集系统

采样 / 保持

数据总线

模拟信号 1模拟信号 2

模拟信号 n

ADC

采样 / 保持

采样 / 保持

ADC

ADC

缓冲器

缓冲器

缓冲器

速度快、抗干扰能力强，成本高。

数据传送与管理

经数据采集系统获得的数字信号通常不仅需要显示，还要发布给网络用户，并统一保存到相应服务器的数据库系统中，以便对测量数据进行管理和检索。

现场监测者

专责工程师

地区负责人数据使用人员

远程专家

数据采集模块

原始信号

数据仓库

控制模块

数据传递

数据透视表服务 数据访问

外部服务器

管理模块

控制服务器

广域网(Internet)或者建立在专线上的Intranet

电厂局域网(TCP/IP)

用户终端

局域网服务器 备份应用系统

用户终端

用户终端

路由器

机组稳定性状态监测子系统

发电机局部放电监测子系统

发电机运行状态监测子系统

状态服务器

Database 和 Web

远程用户终端

其他

服务器

路由器

数据中心服务器

中试所局域网

远程用户终端

远程用户终端

远程用户终端

频繁地存储原始数据不仅占用了相当的网络带宽，也会给状态服务器的存储空间带来较大的压力。以一个具有 16路监测量的监测系统为例，如果每通道存储深度为 8M样点（ 16 Mbyte ） ,每一小时所有测量点巡检一次，则一天的数据量为 6144Mbyte ，这样 80G 的硬盘，两个星期就存满了。 而且，从绝缘监测任务的性质来看，保存这些数据并没有太大的意义，毕竟绝缘老化过程是一个相当长期的过程。因此，在数据库中，也不需要保存这些数据。

数据存储策略

所以，在数据采集后通常是在本地机上进行数据处理，经数据压缩和特征提取后，将能够反映绝缘状态的特征量进一步上传和保存。

近期数据：通常规定对近期数据完全保存，采用循环耍新的方法，实现故障过程追忆。

长时数据：经数据压缩和特征提取后，仅保存能够反映设备状态的特征量，以实现对故障发展趋势的掌握。

数据处理

由于环境噪声的污染，通过数据采集环节得到的数据虽然经过了初步的放大、滤波处理，但仍然含有大量的噪声信号，因此对数据进行分析、处理成了在线监测系统的另一个重要任务。

处理后的信号原始信号

降噪（干扰抑制）

特征提取

数据显示

数据压缩

通过数据处理环节，可以滤除各种干扰，提高信号的信噪比并提取信号的特征量，由于用户不可能对大量数据逐一浏览，因此还需要对数据采取不同的表现形式，以更加直观的形式帮助用户作出定性和定量的判断。

数据处理

干扰抑制

频域法

时域法

多通带滤波

谱线删除法

自适应滤波

脉冲分类法

小波滤波

一、现场干扰环境调查表 1 变电站载波通讯频带

注：载波通讯均为相对地工作方式

线路 相 接收频率 /kHz 发送频率 /kHz

线路 A500 kV

C 184~188 188~192

C 88~92 92~96

A 112~116 116~120

线路 B500 kV

C 320~324 336~340

A 304~308 300~304

C 396~400 388~392

A 252~256 256~260

线路 C220 kV

292~296 276~280

104~108 152~156

线路 D220 kV

380~384484~488

412~416452~456

表 2 地环噪声信号各频段干扰功率比重

频段 /kHz

功率比重(PR, %)

备注 频段 /kHz功率比重(PR, %)

备注

10~85 0.3 宽带干扰 317~347 3.4 线路 B

88~98 0.1 线路 A 373~396 4.8线路 B线路 D

100~110

0.1 线路 C 403~427 80.3 线路 D

110~125

1.5 线路 A 730~747 1.5 广播通讯

180~198

4.2 线路 A 972~991 0.2 广播通讯

249~266

0.8 线路 B 1157~1177 0.1 广播通讯

268~310

2.8线路 B线路 C

二、频域滤波

干扰分析表明，电力现场的窄带干扰具有强度大、分布固定的特点，因此关键是如何选择最佳监测频带，以躲开固定分布的窄带干扰。 频域滤波处理的一般方法：

G()=H()F()

f(t) F() G() g(t)变换 乘 H(u,v) 反变换

因此，频域滤波处理的关键是选取合适的滤波器函数 H() !

可实现的典型滤波函数巴特沃兹逼近 (与切比雪夫逼近 )

01

1

01

1

...

...

)(

)()(

bsbsb

asasa

sB

sAsH

nn

nn

mm

mm

滤波器特性取决于系数 a , b

取决于分母多项式的阶次 n

n 与元器件的数目有关

现场干扰的处理效果

(a) 原始信号 (b) 滤波后信号

经过滤波处理后，信号中的直流分量被消除，强脉冲放电信号得到更清晰的突显，原来被淹没的一些小的脉冲放电也由于干扰的滤除而突显出来。 信噪比提高了近 20dB 。

三、时域干扰抑制法

脉冲干扰抑制的前提是脉冲识别，目的在于判断脉冲是否存在、脉冲持续时间和相应的起点与终点，以便较准确地确定脉冲相位和波形。 目前脉冲识别多采用阈值识别法，即在时域设定阈值，当信号高于该阈值时，则判断脉冲存在。而现场测量的脉冲多是衰减振荡波，这样做很容易将高于阈值的一个振荡脉冲看作多个脉冲，且不能确定脉冲持续时间。

1. 脉冲分类法

0 5 10 15 20 25-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

T ( us )

i ( m

A )

PD pulse injected at.19th disk

0 20 40 60 80 100-20

0

20

40

60

利用脉冲幅值阈值和脉冲波形特征进行逻辑判断以识别振荡脉冲。幅值阈值用于判断脉冲存在与否，根据脉冲波形分辨脉冲的起点和终点。 在这里定义第一个过阈值的脉冲半波起点（幅值过零点）作为脉冲起点，最后一个过阈值的半波终点（幅值过零点）作为脉冲终点。

时间 (t)

幅度

(A

t)

振荡脉冲识别原理图

前半波终点为脉冲终点

没有新的脉冲

脉冲识别结束该半波与前半波是否属于同一脉冲

脉冲识别开始

设定幅值阈值 Am 、比较阈值 m1 、 m2

有无过阈值半波

该半波起点为新脉冲起点

跳过该半波

有无过阈值半波

有

有

无

无

否

是

脉冲识别流程图

将脉冲分离后，既可根据脉冲信号在工频周期中的相位，以及不同测量点和测量方法的相互对应情况，来判断脉冲信号是否为干扰。 由于以将脉冲有效隔离，如果确定为干扰脉冲后，既可在时域将其剔除。

把称为基本小波（也叫母小波 mother wavelet）Ψ(t)作位移 τ(τ称平移因子 )后，再在不同尺度 a（ a称伸缩因子）下与待分析信号 x(t)作内积：

等效的频域表示式

小波变换可比喻为： 用镜头观察目标 [分析信号 x(t)], Ψ(t)代表镜头所起的作用（滤波）， τ的作用相当于镜头对目标平行移动， a 的作用相当于镜头向目标推进或远离。

dta

t)t(x

a

1,aWT *

x

dtea)(x2

a,aWT j*

x

C”C’C dd’d”

以较高频率作分析

以较低频率作分析

平移方向

镜头推进方向a

t

X(t)

2. 小波消噪

小波变换的特点：1、具有多分辨率，也叫多尺度的特点，可以由粗及精逐步观察信号

2、也可看成用基于频率特性Ψ(ω)的带通滤波器在不同尺度下对信号滤波，由于富氏变换的尺度变换特性：

如果Ψ(t)的富氏变换是Ψ(ω) 则Ψ(1/a)的富氏变换是 |a|Ψ(aω) 因此这组滤波器具有品质因素，即相对带宽（中心频率与带宽之比）恒定的特点， a越大相当于频率越低。

3、适当地选择基本小波，使Ψ(t)在时域上为有限支撑，Ψ(ω)在频域上也比较集中，便可以使 WT在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，它可以根据信号不同的频率成份，在时域和空间域自动调节取样的疏密 :频率高时则密；频率低时则疏。有利于检测信号的奇异点或瞬态。

小波降噪思想 实际工程中，有用信号通常表现为宽带信号或是一些突变信号，而噪声信号则通常表现为窄带信号，如果把主要反映噪声频率的那些尺度的小波变换去掉，再把剩余各尺度的小波变换结合起来作反演变换，就能很好地抑制噪声。

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200-0.4

-0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

0

1j=0

j=1

j=2

j=3

Mexico帽状小波函数

小波处理前后波形对比（ (a)- 处理前； (b)- 处理后）

基小波 -bior3.7 ，分解阶数 -11阶，阈值参数－基于分解阶数调节

滤波效果不理想的信号波形及小波滤波后波形 基小波 -bior3.7 ，分解阶数 -11阶，噪声结构 - 非白噪

利用小波进行信号消噪可以很好地保存有用信号中的尖峰和突变部分。而如果采用傅里叶分析进行滤波时，由于噪声分布主要在高频部分，可用低通滤波器进行滤波，但这种方法无法将信号的高频部分和噪声的高频部分加以有效区分，将导致信号中高频信息的损失。 因此，小波分析对脉冲信号中白噪的消除有着傅立叶分析不可比拟的优点。

三、终端检测局放原理

UHF 传感器

不能标定放电量

无法获取工频相位

抗干扰能力强 , 信躁比高

VHF 传感器

可以标定放电量

能够获取工频相位

抗干扰能力差

抗干扰能力强 , 可标定, 可获取工频相位的电缆局部放电检测系统

UHF+VHF

数据压缩及特征提取

目的：在可能的情况下尽量减少图像数据的尺寸，以便于传输、存储、管理、处理和应用。

在线监测中，通常采用重采样的方式对数据进行压缩。

数据显示

1. 波形图

椭圆扫描谱图原始波形图

2. 二维谱图

放电信号的 -N 图原始信号波形

3. 三维谱图

局部放电 -Q-N 谱图

4. 趋势图

介质损耗变化趋势图

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

Jan-00 Feb-00 Mar-00 Apr-00 May-00 Jun-00 Jul-00 Aug-00 Sep-00 时间（月 - 年）

介损

tgδ

（%

）差

A-

B-

C-

Thank you