1. 在线监测系统

4. 一、传感技术

5. 传感什么？ 电信号 超声波 脉冲电流 远红外 气体含量 温度

6. 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

7. 传感器工作原理 x i y o

8. 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。

9. 传感器基本性能指标 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 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 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 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 其他指标 可靠性指标 环境参数 基本参数

12. 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 ) ]

15. 传感器的动态模型 系数 a 0 , a 1 , ••• , a n 和 b 0 , b 1 , ••• , b n 均与传感器的结构有关

16. 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 传感器的动态模型的拉氏变换

17. 传感器的传递函数 x y

18. 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

19. 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 。 因此，可将 H ( j  ) 定义为传感器的频率响应特性

20. （ 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 

23. 二、数据采集与处理 Data sampling and processing

24. 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

25. 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

26. 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。

28. 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。

29. 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。

30. 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 。

31. 采样过程和采样定理 K f ( t ) f * ( n T) f ( t ) f * ( n T)  ( t - n T) 模拟信号 数字信号

33. 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 > 2  M ， 其中  s = 2  /T ，那么 f ( t ) 就唯一地由其采样样本 f ( n T) ， n =0, + 1, + 2,··· 所确定。 采样定律要求，采样频率必须大于 2  M ， 该频率 2  M 又称为 奈奎斯特 频率。

35. 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。 = 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

36. 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 2 n 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 = 1/2 n FSR

37. 设输入信号 f ( x ) 的平方均值为 , 则截断量化信噪比为 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。

38. 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。

39. 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。

40. 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

41. (2) 公用 ADC 的多通道采集 采保电路需较长时间精确保持采样值，以免积累过量误差。 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

42. (3) 各通道独立转换的采集系统 速度快、抗干扰能力强，成本高。 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

43. 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

44. 数据采集 模块 数据传递 数据透视表 服务 数据访问 管理模块 原始信号 数据仓库 控制模块 外部 服务器 控制 服务器

46. 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

47. 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

49. 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

50. 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

51. 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

52. 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 412~416 452~456 380~384 484~488 线路 D 220 kV 152~156 104~108 276~280 292~296 线路 C 220 kV 256~260 252~256 A 388~392 396~400 C 300~304 304~308 A 336~340 320~324 C 线路 B 500 kV 116~120 112~116 A 92~96 88~92 C 188~192 184~188 C 线路 A 500 kV 发送频率 /kHz 接收频率 /kHz 相 线路

53. 表 2 地环噪声信号各频段干扰功率比重 线路 B 线路 C 2.8 268~310 广播通讯 0.1 1157~1177 线路 B 0.8 249~266 广播通讯 0.2 972~991 线路 A 4.2 180~198 广播通讯 1.5 730~747 线路 A 1.5 110~125 线路 D 80.3 403~427 线路 C 0.1 100~110 线路 B 线路 D 4.8 373~396 线路 A 0.1 88~98 线路 B 3.4 317~347 宽带干扰 0.3 10~85 备注 功率比重 ( PR , %) 频段 /kHz 备注 功率比重 ( PR , %) 频段 /kHz

54. 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) 因此，频域滤波处理的关键是选取合适的滤波器函数 H(  ) ! 变换 乘 H(u,v) 反变换

55. 可实现的典型滤波函数巴特沃兹逼近 ( 与切比雪夫逼近 ) 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

56. 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 。

57. 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

58. 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

59. 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。 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 A m 、比较阈值 m 1 、 m 2 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

62. 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。 Mexico 帽状小波函数

63. 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

64. 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

65. 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。

66. 三、终端检测局放原理

67. 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 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

69. 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。

70. 数据显示 1. 波形图 椭圆扫描谱图 原始波形图

71. 2. 二维谱图 放电信号的  -N 图 原始信号波形

72. 3. 三维谱图 局部放电  -Q-N 谱图

73. 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-

74. Thank you