基于DSP的GIS气体状态在线监测系统设计与实现
（1.泰山科技学院智能工程学院，山东 泰安 271000；2.齐鲁理工学院计算机与信息工程学院，山东 济南 250000）
摘要：针对GIS气体状态在线监测系统，采用DSP芯片TMS320F28033作的核心控制器，对系统进行设计与实现。系统由传感器模块、信号采集模块、规约转换模块和后台显示模块、报警模块等组成。软件设计使用CCS4.0集成开发环境和智能终端调试软件。本文提供了硬件设计框图、软件设计流程图、系统算法以及调试结果等。系统投运后运行稳定，反应迅速，可以满足GIS变电站对在线监测的要求。
关键词：TMS320F28033；GIS；气体状态；在线监测；
中图分类号：TP368 文献标识码：A
Design of GIS Gas State Online Monitoring System Based on DSP
Wang Mingwei1,Lei Tengfei2,Zhao Shasha1,Yang Xiaonan1
（1 Intelligent engineering college.Taishan College of Science and Technology, Shandong Taian 271000 China;
2 Computer and information engineering college.Qilu Institute of Technology,Shandong Jinan 250000 China;）
Abstract:Aiming at GIS gas state online monitoring system, the system is designed and implemented by using DSP chip TMS320F28033 as the core controller.The system consists of sensor module, signal acquisition module, protocol conversion module, background display module and alarm module.The software design uses CCS4.0 integrated development environment and intelligent terminal debugging software.This paper provides hardware design block diagram, software design flow chart, system algorithm and debugging results.After the system is put into operation, it runs stably and responds quickly, which can meet the requirements of GIS substation for online monitoring.
Key words: TMS320F28033;GIS;Gas state;Online monitoring;
1 引言
气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是输配电和变电领域都广泛应用的电力设备，它将变电站内除变压器以外的一次元件如断路器、隔离开关、接地开关、PT、CT、避雷器、母线、连接管和过渡元件等集成一体而形成的组合电器，内部充入一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质[1-2]。
由于GIS是全封闭组合电力设备，一旦出现事故，造成的后果比分离式敞开设备严重的多，其故障修复尤为复杂，有时需要两周甚至更长的时间才能修复，且停电范围大。因此，GIS的运行检测十分重要，不仅需要常规的检测，还应有GIS在线监测技术以测量GIS运行中的绝缘状态，及时发现各种可能的异常或故障预兆，及时进行处理。 对于GIS在线监测，已有相关文献进行了研究，如文[1]采用ISO数据聚类算法和FKNN分类算法构建了GIS气体绝缘状态在线检测的评估模型，可提供相关预警信息；文[3]对我国GIS高压断路器气体监测做了国内外综述，但没有对其系统进行设计与实现。文献[4-6]针对GIS在线监测做了相关的研究，但是在电路设计与程序设计方面，有待进一步的优化与改进。
基于以上相关文献研究，本文采用DSP控制芯片作为主控芯片，从系统方案，硬件电路以及系统软件等方面出发，设计并实现系统，该系统设计为智慧电网以及智能电力系统自动化提供新的思路。
2、GIS气体状态在线监测系统设计
2.1系统工作原理
为保证GIS安全运行，必须对气室内SF6的气体密度、微水量（露点值）、温度等参数进行严格监控。如一次设备发生泄漏，会使SF6气体密度降低、微水量（露点值）增加，造成开关设备耐压强度降低等严重后果。GIS气室常用SF6气体密度和微水量（露点值）这个概念来衡量是否已满足绝缘或灭弧要求，因为SF6气室内的绝缘强度取决于SF6气体的密度值和微水含量（露点值）。密度值通过20℃下的气体压力来体现。为保证GIS气室安全可靠运行，必须实时监测SF6的气体密度和微水量（露点值）。
2.2系统方案
基于DSP的GIS气室状态在线监测系统，要求能够实时监测GIS气室内SF6的密度、微水（露点值）和温度值，测量误差≤1%，当装置的测量值超标时，能够启动声光报警；并且能够将装置的测量值以IEC61850规约的形式上传到后台监控计算机。
系统硬件设计框图如图1所示。系统硬件由传感器模块、信号采集模块、规约转换模块和后台显示模块等组成。传感器模块包括：SF6密度传感器、微水传感器、PT100温度传感器，用于测量GIS气室SF6气体的密度、微水（露点值）和温度值。规约转换模块实现RS485与IEC61850通信协议的转换。后台显示模块通过智能终端调试软件显示各参数实时数据。
图1 系统硬件设计框图
3. 系统的硬件电路设计
3.1 DSP最小系统
系统CPU芯片选用美国TI公司生成的32位高效处理器TMS320F28033，它具有3个32位定时器、32位浮点运算加速器、10K片内SRAM、32K片内FLASH、1个串行通信接口，工作电压为3.3V[7-8]，完全满足本系统的设计需要。TMS320F28033最小系统原理图如图2所示。
图2 最小系统原理图
3.2 信号采集电路
系统输入的传感器信号经过电流-电压转换（SF6密度传感器、微水传感器）、电阻-电压（PT100温度传感器）转换后进入信号采集模块，如图3所示。
A/D转换选用MAX187芯片，MAX187用采样/保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换成12位数字信号，其采样/保持电路不需要外接电容。MAX187有两种操作模式：工作模式与休眠模式。 为芯片的操作模式选择位，当 为低电平时进入休眠模式， 为高电平或悬空时为工作模式。REF引脚接高电平时使用内部参考电压，悬空时使用外部参考电压，本系统设计采用外部参考电压（+5V），以提高系统测量电压精度[4]。芯片的SCLK、 、DOUT管脚分别与CPU芯片的管脚相连，以I2C通信的形式实现MAX187与TMS320F28033之间的数据交互。
图3 信号采集原理图
SF6密度传感器输出的4-20mA电流信号，经过R1=250Ω电阻转换为1-5V电压信号；D1为1N4007防反二极管，起到保护作用；R2、C3组成RC滤波电路，防止线路高频干扰信号串入A/D芯片中造成误采样；VCC为+5V电压，C1=0.1uF，C2=10uF，起到滤波、平滑电压源信号的作用。
3.3 系统报警电路
系统报警电路原理图如图4所示。当系统监测到传感器信号超出设定阈值时，由于TMS320F28033管脚输出电流能力有限，无法直接使继电器动作，需要通过光耦芯片TLP127驱动继电器。继电器管脚5、8为一对无源节点，节点容量为AC250V/5A，可外接AC220V声光报警灯提示工作人员当前系统监测状态。
图4 系统报警原理图
4 系统软件设计
4.1 软件流程
系统软件设计包括TMS320F28033初始化程序、A/D采样程序、SF6气体密度计算程序、温度补偿校准程序以及通信程序等。系统工作流程如图5所示：
图5 系统流程图
4.2 系统数据校正
实际运行过程中，一般采用测量SF6气体压力进行间接换算为SF6密度值。但由于SF6气体密度一定时，气体压力会随着环境温度的变化而变化。因此，为确保SF6气体压力的变化是由于泄漏而非环境温度改变引起的，就需要通过一定的计算机处理算法进行修正，使SF6气体压力值始终对应20℃的标准压力，并将该值等效为GIS气室内SF6气体的密度值，以便进行实时监测。系统的温度校准由TMS320F28033完成，采用国际上最流行的Beattie-Bridgman温度补偿算法，也就是SF6气体状态参数方程：
系统工作时，每隔5s采集一次数据，采集后TMS320F28033经过温度补偿算法将实时采集的数据折算成20℃下的SF6气体压力（密度）和露点值（微水），当SF6气体密度或微水值超标时系统启动声光报警。同时，经过TMS320F28033处理后的数据传送到规约转换模块，将系统规约转换成IEC61850规约后经光纤通信将数据上传到后台计算机实时显示。
系统软件主程序由以下几个子程序构成：
（1）TMS320F28033初始化程序：void TMS_BSP_Init();
（2）A/D采样程序：void i2c_SendByte()；
（3）SF6气体密度计算程序：SF6_count();
（4）EEPROM初始化子程序：void SPI_25AA640_Init();
（5）串口通信初始化程序：void comInit();
以下给出A/D采样程序部分代码：
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i ﹤ 8; i++)
{
if (_ucByte & 0x80)
{
I2C_SDA_1();
}
else
{
I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
I2C_SDA_1();
}
_ucByte ﹤﹤= 1;
i2c_Delay();
}
}
5 系统的测试
系统开发完成后经过长期的试验、校准，得到了大量的试验数据，表5.1是现场通过与标准校验仪比对得到的数据。
表1现场测试数据
气室 第一次测量结果 第二次测量结果 实际值
测量值 误差 测量值 误差
1#气室温度值 26.3℃ 0.8% 26.2℃ 0.4% 26.1℃
1#气室密度值 361.6kpa 0.4% 360.0kpa 0.8% 363.00kpa
1#气室露点值 -27.4℃ 0.4% -27.2℃ 0.4% -27.3℃
2#气室温度值 26.4℃ 0.8% 26.3℃ 0.4% 26.2℃
2#气室密度值 363.4kpa 0.7% 362.0kpa 0.3% 361kpa
2#气室露点值 -27.4℃ 0.4% -27.2℃ 1% -27.5℃
3#气室温度值 26.1℃ 0.4% 26.0℃ 0.8% 26.2℃
3#气室密度值 358.0kpa 0.8% 360.0kap 0.3% 361.0kpa
3#气室露点值 -27.0℃ 1% -26.8℃ 0.4% -26.7℃
4#气室温度值 25.8℃ 0.8% 26.0℃ 0 26.0℃
4#气室密度值 362.0kpa 0.3% 361.0kpa 0.3% 363.00kpa
4#气室露点值 -27.3℃ 0.7% -27.4℃ 0.4% -27.5℃
图6为系统现场数据采集界面，通过数据分析，系统的测量结果均在国家标准允许的误差范围内（≤±1%），系统运行稳定、可靠，满足工程现场应用要求。
图6 数据采集界面
6 结论
随着国家智能化变电站建设的发展，对GIS气体状态监测的功能和精度要求也越来越高。本设计开发初期对国内外同类型的GIS状态监测产品做了大量的调研，并在SF6密度、微水传感器的工作原理和算法研究方面做了大量工作。本系统应用于110kV及以上电压等级的GIS智能组件柜中，可实时监测SF6气体的压力、密度、露点值等，能根据现场监测的实际情况发出报警信号并在监控后台中显示当前报警值。同时，用户可根据现场实际情况设置报警阈值。本设计的实现，可减少智能变电站GIS一次设备停电检修的次数，并提高一次设备运行的安全性。
参考文献：
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[7]陆子明，徐长根.DSP设计与应用基础教程[M].北京：国防工业出版社，2005.
[8]刘多林.基于DSP控制的新型智能控制系统设计[J].微计算机信息，2008，5-1：79-80
基金项目:国家自然科学基金(批准号: 12102492).山东省重大科技创新工程项目(批准号: 2019JZZY010111)、山东省重点研发计划项目(批准号: 2019GGX104092)和山东省自然科学基金(批准号: ZR2020KA007; ZR2022MA073）.
作者简介：
王明伟（1984- ），男，汉族，山东枣庄人，高级工程师，硕士；研究方向：高压电器在线监测。
雷腾飞（1988-），男，汉族，山东肥城人，副教授，硕导，研究方向：电力系统自动化；
赵沙沙（1992-），女，汉族，山东济宁人，讲师，硕士，研究方向：电气设备监测与故障诊断；
杨晓楠（1990-），男，汉族，山东泰安人，助教，硕士，研究方向：电气设备监测与故障诊断。
