1  引言
    为了将电力变压器的故障率降至最低，作者设计了一个带故障预警功能的测试系统(图1)，该系统也是预警维护的基础，并因为该功能而将该系统称为预警维护测试系统。
根据一些可能的故障原因(潮湿、振动、过热、气体和老化)的当前和历史状态，一些专家(Lamela et al., 1999; Rivera et al., 2000)设计了好几个模型来预测变压器的工作状况。为了获取模型中算法所需要的数据，他们在每个变压器中都安装了传感器。
    预警应用程序装配有虚拟数据卡，它实际上是由传感器采集并处理后的提供给模型的数据体，因此预警程序能够从数据管理事务中解脱出来(Jackson 和Zave,1998)。 
    该系统主要有三个子系统:数据采集系统(DAS)，数据存储(DS)和预警应用程序(PA)以及虚拟数据卡。这样就形成了一个可升级的、容易重新配置的系统，而整个工程项目的开发时间也大大缩短。当复制方案实施后该系统就完全开发成功了。

2  系统结构
    因为建立模型需要使用传感器采集的历史数据，故必须决定传感器在何处放置以及如何放置。最显而易见的方法就是让应用程序管理它自己的历史数据记录，但这会增加程序不必要的复杂度，因为这意味着它必须同时处理实时采样数据和历史数据。另外一个办法就是依靠传感器或数据采集设备处理自身采集的历史数据，但该方案的缺点就是数据采集系统一般实时性要求较高，对历史数据处理等不可预测的诸如此类方面的要求会降低系统实时性性能(Kopetz，1997)。而且如果每个传感器都带上独立的存储单元，则处理每个字节的成本和集中式方法比起来成本就不具备任何优势。
    由于市场上大量提供字节处理成本很低的标准数据库接口，从而使它们成为数据存储的一个不错的选择。在数据采集设备和用户应用程序(图2和图3)之间插入数据库会减少两者的数据管理任务，从而减少它们的复杂程度(Devjin，1997; Inmon，1993)。在系统部件间这种功能的分工使管理变得容易，因为任何一边的变化都不会影响到另一边。与此对应，其他的子系统也必须仔细设计和匹配运行。在对一个单一电路系统升级为一个可重新配置、可升级的模块化系统时必须从经济性和工作量两方面来考虑这是否值得。

　在系统设计阶段，除了考虑引入数据库的经济性外，还必须将系统的可升级性以及灵活性牢记在心。因此相应的系统要考虑到将来采用新的传感器，会有不同需要的应用程序，从而使系统具备快速实现、简单和少犯错误的特点。
    实际工作系统所涉及到的网络如图1所示。图中有三个电力变电站，共四个变压器被监测和进行数据分析。两个变压器装在变电站A，另外两个分别装在变电站B和C。来自于变压器的不同的传感器的数据被带PXI处理板的工控机处理和存储。在每一台工控机上都安装了图2所描绘的所有子系统(数据采集系统，数据库和预警应用程序)并运行它们。
    当和数据采集系统的功能冲突被避免时，为了简化模型的调整，变电站的数据库全部被复制到位于Vigo大学的中央数据库服务器上。预警模型应用程序在Carlos III大学运行，并在这儿做出相对于中央数据库的所有模型的调整。
    现在远程管理和监控工业计算机(从电力公司，CarlosIII和Vigo大学)是完全可能的。
    描绘了预警系统所涉及的所有的协议层。如图所示，数据采集系统将数据传递给数据存储器，它们之间通过一个开关进行连接。为了达到最优性能，数据采集系统使用了一个客户端数据库(C-DLL)，客户端数据库使用自身的协议。预警程序使用开放数据库连接(ODBC)协议通过局域网(LAN)或广域网(WAM)来对数据存储器进行存取操作，从而不需要直接和传感器打交道。实际上对测试系统而言其存取点是一个名为虚拟采集卡的传感器处理后的信号。出现在数据存储器中的rep级是指所实施的利用数据库工具的复制机理。

3  数据采集系统
    数据采集系统是负责变压器中信号采集和处理的子系统。它由一组传感器、预处理和条件处理设备以及数据采集卡构成。
    系统共使用了16个模拟传感器: 3个PT100温度传感器; 4个应力变压器，它们用于改变电力变压器高压(HV)侧和低压(LV)侧的当前测试值; 4个电压变压器以测试高压侧和低压侧的电压; 4个压电加速计以测试变压器的振动; 一个测量变压器油湿度的电容湿度计以及一个气体传感器。
系统还使用了9个数字量传感器，他们采用无电压的继电器触点，用于监测变压器高压开关、油泵和风扇的状态。
    在进行信号条件处理后，数据采集系统处理传感器送入的原始信号然后将它们送入下一个处理单元(数据库系统)。根据模型的要求，其信号处理内容包括如一些数据信号的快速傅立叶变换，有效值和平均值的计算等等。

4  数据库
    数据库从功能上可划分为如下几个部分：缓冲区和数据表、滤波处理、采样、批处理以及虚拟采集卡(见图3)。数据表存储来自传感器的所有数据，而缓冲区仅仅接受来自传感器的最后一个值。每一个模型都有一个专门的滤波器对来自传感器的最后一个值进行处理，这样缓冲区的数据就可以精确地反映模型的特点。

　如果将多路处理功能放在数据采集系统部分，则应该意识到一但多路处理电路改变后，模型也必须进行相应的更改，这并不是一个好方法，因为耦合进一些不相关的任务如数据获取和预警等会降低系统的可升级性以及可重复性（Mario et al., 1999; Mario et al., 2000a;Mario et al., 2000b)。这种方案唯一的优势就是速度快，从而使得它必不可少（Johnson,1995）。
　　(1)数据采集系统/数据库(DAS/DS)接口
   DS提供两个存取点或接口。考虑到实时条件的约束，最左的接口提供了到DAS的存储功能。当前接口利用了新的数据库(如图3所示的动态连接数据库(DLL))，而该数据库又使用了Oracle调用接口(OCI)，OCI是由API提供的Oracle与其数据库通信的接口。通过这种方式，数据采集系统总是使用更高一级的API，而不会去考虑在这一级API背后数据是如何进行处理的。使用这样一种技术，在开放数据库连接(ODBC)、对象链接和嵌入式数据库(OLEDB)中也会带来同样的优点，但是最大的差别在于开发工程师必须编制协议层。因为数据采集系统有性能要求，这种方案能达到速度方面的要求，因此也是值得的。
    最右面的接口是给预警应用程序使用的，它根据需要提供了多种方式去存取传感器的历史数据和当前数据，在此处就选择了ODBC来进行通信，因为DS是一个独立的应用程序，所以最好使用广泛兼容的数据存取方法，最关键的是在这里速度并不是一个重要问题。
(2)可重新配置的滤波器
    数据转换是所有数据库的关键功能，因为它通常会决定系统的整个性能(Vranes and Stanojevic, 1995; Keck and Kuehn, 1998)。在设计阶段也必须时刻考虑系统将来的可升级性和可扩展性，因为当应用程序处理需求增加时数据库很可能要求具有额外的功能和更大的处理能力。
    每一个滤波器都从缓冲区挑选它所需要的传感器信息，并按模型所要求的方式处理这些信息值。数据转换就带来了模型所需的放于缓冲区的采样值。
    滤波器的特性是独立的，通过数据库里的几个步骤很容易重新设置它们，这些步骤通过ODBC可以从预警程序里直接调用。预警算法设计师也可以产生一个文本文件，列出每一个模型所需要的传感器并将该文件送给数据库，在数据库里进行批处理将这种新配置调入到数据库中。
(3)虚拟采集卡
    每一采样点都会进行周期性的采样，采样频率根据预警算法的要求来进行合适的配置。随后，数据还会被增加一些辩识信息如时间戳，序列号等，然后数据被插入到模型表去。这些表格以及他们的标准查询语言(SQL)接口就形成了虚拟采集卡的核心部分。
    通过虚拟采集卡模型就可以获得传感器的全部数据，包括当前数据和历史数据。而且源于虚拟采集卡的数据流的几个特性如采样速率和传感器组等都可以动态重新设置(如图3所示)而不会降低预警程序性能(Cowan and Lucena, 1995)。
    模型还可以间接地从数据采集系统调用历史数据到传感器表中去。为此，老的采样系统的配置经过批处理(见图3)后送入模型表，然后进行频率和时间间隔的配置。
    由于使用了元数据和存贮程序，虚拟采集卡维护(安装，删除和修正)功能强大且容易操作。

5  复制和升级
    某些预警模型需要的虚拟采集卡会消耗掉数据库的大量的计算资源，在这一负荷下可能会拒绝数据采集系统插入新的采样数据到传感器表中，从而造成数据的丢失。最明显的办法就是升级计算机系统，但是这既消耗金钱又浪费时间，因为系统是安装在好几个变电站的。此外我们还需要通过集中监控的方式远程监控这些分布式系统。
    为了解决这些问题，我们设计和构建了一个通过中央服务器(CS)连接所有分布式变电站的网络，该网络能够支持集中式的和双向的复制方案。和数据备份要求相比，数据复制能提供更多的服务，特别是在如我们所讨论的在不同地方运行的克隆系统的某些关键环节特别有用。
    一方面，使用复制功能后中央服务器和数据采集系统不再有关联度，上面所提到的虚拟采集卡的一些问题也得到完全解决。因此在复制的环境中运行的复制模型不会对远处的变电站造成影响(Babin and Hsu, 1996; Kulkarni and Ramirez,1997)。另一方面，通过这种方法变电站能够在远处被轻易监视(向上复制)和控制(向下复制)。复制工作流程如下:
    l 每一个DAS都将数据插入到当地的DS中。
    l 中央服务器根据程序的规定周期性地连接到远处变电站的数据库上去并提取出自上一次刷新后在复制表中出现的变化。通过这种方式，就实现了数据的实时化，并使得所需带宽最小(只发送变化的数据)和时间同步。
    l 对每一个分布式变电站，中央服务器单向复制传感器表，因此在原始表处发生的变化被送到中央服务器，而其他变化(系数和估计表格)则作为可更新的映射被重新配置，这就维持了原始数据和映射表格相互同步，从而允许预警应用程序远程管理和监视变电站表格。因此，变电站能够被远程管理，因为表格决定了维护系统的运行行为。
    如果需要更为强大的计算处理能力，则只有中央服务器需要升级，而其他的分布式变电站系统可以保持不变。因此变电站分布式系统和中央服务器就构成了一个可升级的系统。

6  结论
    当安装好四个克隆的预警维护测试系统后，作者断定虚拟采集卡的使用可以大大减小系统的复杂性和预警应用程序的开发时间，因为它们从获取全
页部数据的预处理工作中完全解脱出来而将重点放在预警算法的处理上。
更为重要的是，虚拟数据采集卡能够给模型提供所有的传感器信息，而且系统能够对它们进行重新配置以获取额外的信息。同样的原因，因为预警算法不考虑传感器组和采样特性，所以开发进程也加快了。
系统被分成三个独立的子系统(数据采集系统，数据库和预警应用程序)，可由三个小组来并行开发，而且简化了并行开发的关联度。
系统模块化设计允许系统部件分布式分布。实际上本文提到的可复制的底层网络结构允许对CPU要求很高的预警模型，因为它不会和分布式变电站的数据采集任务相冲突。因此，系统是可升级的，它能够处理预警算法的日益增加的复杂度。