1.2 加速度信号采集

加速度检测的难点：加速度传感器采用压电式的IEPE传感器，采集卡需要提供恒流源激励;要求可扩展到多个加速度传感器测量点，检测端口多，最高达到24个;采集速率要求高，需达到50kHz及以上。

加速度信号的采集卡选择NI-9234，每个采集卡可检测4路信号，而且给加速度传感器提供2 mA IEPE恒流源激励，将加速度传感器的电容量信号变为电压信号，采集卡NI-9239检测到电压信号后转变为加速度的量程值。检测到的加速度信号数据量很大，数据处理、数据存储和数据传输将在下文中介绍。

2、处理算法的研究

对于电流检测，检测到的结果是交流电流与直流电流，通过中性点的交流电流为50Hz整数倍的正弦波，需通过一定的算法将交、直流电流分离，对于此算法，经过研究，已找到了较好的分离算法。

加速度检测到的信号最终被频域处理，以此观察振动的幅值，由于振动的频率较高，因此加速度检测的采样率也较高，采用传统的FFT处理算法，要达到较好的频率处理效果，并保证频域的分辨率，所需要采样的数据量与采样率有关，数据量很大，会给无线通信和数据的存储增加难度，例如，采样率10kS/s，需要采样10000个点，才能达到频率分辨率为1。由于我们只关心50Hz整数倍处的频率，因此，只要精确地得到该处的频域幅值即可，如何在尽量少的数据量下，得到精确的局部频域幅值，这就需要研究局部细化的FFT算法，使得采样率较高，采样的数据量较少时，仍然可以得到想要的结果。

LabVIEW中涵盖了大量的函数模块，还集成了很多数据处理和分析的工具包以及功能强大的Express VI，这都使得在LabVIEW中实现算法变得很轻松。本文中的直流偏磁监测设备所需要的主要算法有两个：一是电流采集后需要分离出其中的交流、直流成分;二是加速度信号采集后需要进行局部细化FFT变换。这两种算法在LabVIEW中都有可用的VI模块，还可以模拟分析实现最优效果的算法阶数。

3、无线通信方式

如图1所示，在现场的实时采集设备与控制室的监测PC之间采用无线通讯方式，本监测系统选择使用新颖的Mesh无线网络通讯方式，并进行了测试。如图5所示，无线模块之间可达到的通信量最高为25Mbps(3.125MB/s)。

NI 9234或NI 9239的采样位数为24位，考虑到方向位等，因此每个采样点由32位组成，即每个采样点的数据量为32bit(比特)，采样率最高为51.2kS/s，即每秒采样51.2k个数据点，每个数据点由32bit组成，因此一个通道需要的实时通信速率为：1.6384Mbit/s，监测6路振动信号和1路电流信号，所需要的实时持续的通讯速率为：11.4688Mbit/s，即1.4336MB/s(B，字节，1B = 8bit)，Mesh无线网络可满足需求。实际数据采集中会设置采集间隔，间隔在1分钟以上，通信量会较小一些，因此，对于全部可扩展的24路加速度检测，该通讯方法仍能达到要求。

LabVIEW高度集成了各种通信方式，具有强大的通信功能，这种功能使得LabVIEW很容易编写出具有强大通信能力的应用软件，实现现场监测设备与上位机服务器之间的通信。

图5 Mesh通讯测试结构图

4、监测数据的存储设计

变压器直流偏磁监测系统的监测对象是电流和加速度，电流通过算法分离出其中的直流分量，加速度信号需要频域处理，因此监测系统保存的数据有两种，一种是时域数据，另一种是频域数据。时域数据的横坐标是时间，纵坐标是采集到的数据点;频域数据的横坐标是频率，纵坐标是加速度采集数据频域变换后的幅值。因此，存储的时候，使用三种表格存储相应的数据。

时域数据的数据量最大，按照某个固定的时间间隔产生一张表格，表格只存储采样的数据点，即时域波形的纵坐标。对于一个关系型数据库而言，行数和列数都在一定的限制范围内，处于限定的范围内的执行效率才是最高的。针对于时域采样数据的特点，列数很少，而行数非常多，如果按照行数累加存储，当行数达到限定范围，再转移到后面的列从头开始存储，那么将瞬间增加很大的存储空间，对于数据存储来说是不好的，因此采用的存储方法是按列逐次存储，即存储一次采集的数据，紧接着在后面的列中存储数据，达到列限定的数量时，转移到下一行存储。这种存储方法可以最大效率的利用数据库中的表文件，但是读取数据的时候，如果整个表格内搜寻将非常麻烦，影响执行的效率，因此，在将数据块存储的时候，需要将这个采样时刻的对应存入表的列记录，读取的时候，在相应的几列中搜寻即可。时域数据的存储，并没有存储横坐标，其横坐标的信息将在主数据表中提取。

频域数据的存储，为了防止在传递过程中的畸变，频域变换在现场控制器中实现，将频域的结果传输到上位机中存储，电力变压器所监测的加速度信号的频域分析由于其自身运行的特点，频谱都在50Hz的整数倍，其他频率的幅值基本为零，可忽略，可只将50Hz的整数倍频率幅值存储，通常只关心2k频率内的频谱，只需存储不超过40个数据点，非常节约存储成本，而且读取迅速。横坐标是固定的，读取50Hz整数倍的幅值可直接查看频域图谱。

主数据表中存储每个采样时刻的时间，时域波形的采样频率，以及所需要的特征值。在每次采样后，要对电流信号进行算法分离出其中的直流分量，对于加速度监测，需要计算出这个时刻振动量最大的值，或者其他的特征量，在查看历史数据的时候，直接从主表中提取这些特征值信息绘制成图表，对于某个异常的值可查看当前的时域波形和对应的频率图谱，时域波形的横坐标根据其采样频率即可推到出来，算法非常简单。并且还要存储时域数据存储到的相应列数。

LabVIEW的数据存储功能极其强大，一方面对于测量数据的存储，有多种存储格式，非常便于存储、显示和访问，该部分的VI都集中在Measurement File/ Storage VIs;另一方面，LabVIEW还可以与其他数据库进行交互存储，开发了专用的Database Conectivity工具包。本文中的数据存储采用数据库与TDMS结合的存储方式，电流和加速度检测的原始测量文件存储在TDMS中，占用的空间小，便于访问和显示而且TDMS操作函数众多，可实现较为强大的功能;原始数据的分析结果以及特征值存储在Access数据库中，结构清晰，便于调用历史数据和管理已存储的原始测量数据TDMS文件。Access数据库中的数据还便于远程访问和控制，可以此实现直流偏磁监测系统的远程访问和控制。

四、 软件实现与现场成果

控制室中的监测PC存储现场监测到的数据及实时控制器处理后的结果，监测PC放置在控制室中，要求：界面友好，易理解，采用B/S结构，便于远程的查看和控制。控制室监测PC的软件设计还要求可显示当前的实时数据，并可设定各种程度的警报，便于提醒值班人员;可查看历史监测数据，便于以后的研究工作，且出现故障时，便于查看相应的数据，根据上述的数据存储设计，查看历史数据可根据特征值来选择相应时刻的历史数据，查看数据具有针对性;可对监测过程的采集参数进行设定，如：间隔周期、采样率、采样点数、频率分析的长度等。如图6所示，为变压器直流偏磁监测系统的主界面。主界面中可以清晰查看每个加速度传感器和霍尔电流传感器的工作状态，并用LED指示上位机服务器(监测PC)与现场监测设备的通信状态。对于本次检测关注的重点：中性点直流电流和加速度频域幅值，都在主界面中显示出来，并且分析了加速度幅值最大值，并显示最大值处的频率。直流电流和加速度频域幅值都分别设定了报警门限值，显示清晰明了。

图6 变压器直流偏磁监测系统的主界面