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1、太原理工大学 硕士学位论文 电力设备局部放电在线监测系统的研制 姓名：马晨大 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：马福昌;萧宝瑾 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 电力设备局部放电在线监测系统的研制 摘 要 电力变压器是电力系统的中枢部分，一旦出现故障，后果将不堪设想。 统计数据显示， 在电力变压器出现的所有故障中， 80%左右的故障属于绝缘 故障。随着电力设备容量等级的不断提高，局部放电已经成为电力变压器 绝缘劣化的重要原因。因此，及时准确地测出电力变压器内部局部放电量 并排除系统潜在的故障具有重要的意义。 目前，电力设备局部放电的检测方法主要有脉冲电流法、超声波检测 法、光测法和超高频
2、法等。其中，超声波检测法作为一种卓有成效的方法 在局部放电检测中得到了广泛的应用。传统的超声波法检测局部放电的流 程大致如下：将压电陶瓷传感器检测到的由局部放电产生的超声波信号转 化为电信号，通过同轴电缆传回主控室，再使用后台软件进行分析处理。 这种方法的系统复杂度高，并且在测点分布广、地形复杂的情况下布线困 难、成本高。 针对以上问题，经过一年多的研究实验，本文提出了将无线数传技术 应用于电力设备局部放电在线监测领域中，对传统的超声波局部放电监测 系统进行改造。整个系统以超低功耗单片机MSP430为核心，结合无线收发 芯片CC1000，将局部放电数据以无线的方式传输给数据接收单片机（上位 机
3、） ，当上位机接收到局部放电数据之后，会通过485总线实时地将数据传 输给总控计算机做进一步处理。该系统采用重复编码技术，很好地解决了 多机工作时的通信冲突问题和工作环境恶劣导致的无线通信失败问题。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 本文的主要创新工作集中在局部放电信号的提取和无线传输部分。通 过对经过滤波和对数放大处理后的局部放电信号直接进行抽样提取，降低 了硬件电路的复杂度，更加符合当前电路设计领域中尽量简化硬件，加大 软件部分比重的潮流和趋势，同时，设备成本也得到了相应的降低。而在 无线传输部分，本设计的局部放电检测模块（下位机）采用单工方式。只 发不收、间歇工作的模式最大限度地减少
4、了系统工作时间，从而降低了系 统的整体功耗。 关键词：局部放电，信号提取，无线传输，重复编码 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGN OF ON-LINE MONITORING SYSTEM FOR ELECTRICAL EQUIPMENT PARTIAL DISCHARGE ABSTRACT Power transformer is a pivotal part of power system, the result will be very dangerous once it conked out. The statistic showed that 80 percent o
5、f the malfunction of power transformer belong to insulation fault. Along with the increase of capacity of power equipment, partial discharge have already become the most important causation of insulation deterioration of power transformer. Therefore, it has become very important to accurately measur
6、e the partial discharge inside power transformer in time. By this way, we can find and get rid of the potential faults of system in time. At present, the method used in detecting partial discharge mainly include pulse current measure, ultrasonic measure, photics measure and UHF measure etc. In all t
7、hese methods, ultrasonic measure got been widely applied because of its advantage. The classical partial discharge detecting used with ultrasonic measure works like that: First, turn the ultrasonic signal caused by partial discharge into electricity signal, then transmit the signal to master control
8、 room via coaxial-cable in order to do further processing by background software. The disadvantage of this method is too complicated and expensive, otherwise, it is difficult to install in complicated landform. In view of the above problem, through researchs and experiments in one year, this paper p
9、roposed to use the wireless data transmission technology in the region of partial discharge monitoring for electrical equipment and boost the classical ultrasonic measure by using this technology. This system uses ultra-low-power MSP430 MCU as the core, with the wireless transceiver chip 太原理工大学硕士研究生
10、学位论文 IV CC1000. The partial discharge data will transmission to the receiver SCM via wireless way, when receiver SCM receive the partial discharge data, will transmission it to the control computer for further processing through 485. The system adopts the technique of repetition code, so that it can
11、 solve the two problems perfectly: One is the correspondence conflict by many machines working; the other is the failure of wireless correspondence caused by bad working environment. The innovation point of this paper mainly focus two parts: One is the pick-up of partial discharge signal, by using t
12、he direct pick-up technology, the complexity of hardware circuit get reduced, corresponding the cost of equipment get reduced, in addision, this disposal also match the present trend that make the most of software for solving problem more than hardware. The other innovation is about wireless transmi
13、ssion, the mode of partial discharge detection devices about the design is single, only transmitsion not receiving, the intermittent mode can minimize the system of working hours, thereby reduce the overall power consumption of the module. KEY WORDS: partial discharge, signal pick-up, wireless trans
14、mitting, repetition code 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 图表目录 图 2-1 局部放电的相位.8 图 2-2 局部放电的时域波形.9 图 2-3 局部放电检测各个阶段波形图.16 图 3-1 系统整体结构图.18 图 4-1 下位机系统框图.20 图 4-2 上位机系统框图.21 图 4-3 MSP430F149 引脚定义2623 图 4-4 MSP430F149 功能模块2624 图 4-5 POR 与供电电压2624 图 4-6 复位电路.25 图 4-7 时钟电路.25 图 4-8 JTAG 电路.26 图 4-9 CC1000 简化模块图27.27 图
15、 4-10 射频输入/输出匹配电路 .29 图 4-11 RSSI 外围电路图30 图 4-12 CC1000 外围电路.30 图 4-13 电源电路.31 图 4-14 射频功率放大电路.32 图 4-15 微波转换电路.33 图 4-16 RS-485 转换电路34 图 4-17 电平跳变电路.35 图 5-1 数据收发中断处理流程图.39 图 5-2 数据采集流程图.40 图 5-3 局部放电波形图.41 图 5-4 数据采集子程序流程图.42 图 5-5 下位机主程序流程图.44 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 图 5-6 上位机主程序流程图.46 图 5-7 配置寄存器读写
16、时序图.47 表 5-1 读写时序说明表.48 图 5-8 CC1000 自校准程序流程图.49 表 5-2 发送数据帧格式和说明.50 表 5-3 接收数据帧格式.51 图 6-1 MSP430 编译环境.52 图 6-2 串口测试工具.53 图 6-3 Smart RF Studio 的工作界面54 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究目的和意义 随着近几年国民经济的飞速发展和人们生活水平的日益提高， 各行各业对于电力的 需求达到了空前高涨的程度，与此同时，保证电气设备的稳定和安全运行就显得愈发重 要。电气设备主要由导体、导磁材料、绝缘材料和操作机构构成。因此电气设备故障也 主要可以分为三类： 机械故障、 导体故障和绝缘故障。 对大量实际故障的统计分析表明： 绝缘故障占据电气设备故障的比重最大12。 例如对110kV及以上大型电力变压器93次事 故原因分析的结果表明，80%左右的事故是绝缘事故，而且几乎都是在正常工作电压下 损坏的3。电气设备上的绝缘材料（绝缘纸、塑料、矿物油等）长期工作在高电压、高 温及自然环境下，
