李雙科 吳記群

(蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校電氣工程系1，甘肅 蘭州 730050;蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校電子信息工程系2，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)各種設(shè)備中十分重要且比較貴重的關(guān)鍵設(shè)備之一，其安全運(yùn)行對保證電網(wǎng)安全可靠意義重大。運(yùn)行中的變壓器一旦出現(xiàn)故障，則可能造成大面積的停電，由此造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，變壓器的狀態(tài)監(jiān)測具有重要的意義。有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)資料表明［1－2］，在變壓器故障中，繞組、鐵心和有載分接開關(guān) (onload tap changer，OLTC)的故障分別占46.4%、23.6%和 18.5%，三項(xiàng)故障總和達(dá)到 88.5%，它們是變壓器發(fā)生故障的主要部件。

目前，變壓器在線檢測的主要方法有:短路電抗法［3］、傳遞函數(shù)法［4］、聲強(qiáng)法［5］、油樣氣相色譜法［6］和振動分析法［7－8］等。本文基于振動信號分析設(shè)計(jì)了大型電力變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，通過監(jiān)測變壓器的振動信號、電壓信號、電流信號和開關(guān)量信號，對信號進(jìn)行綜合分析后判斷變壓器的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線測量的精確性和實(shí)時性，具有很好的應(yīng)用前景。

1 振動分析法

變壓器在穩(wěn)定運(yùn)行時，鐵心由于硅鋼片的磁滯伸縮引起振動，繞組在負(fù)載電流的電場力作用下也會產(chǎn)生振動，繞組和鐵心的振動通過變壓器器身和油傳遞到變壓器的油箱，引起油箱的振動。變壓器油箱表面的振動與變壓器繞組和鐵心的壓緊狀況、位移和變形狀態(tài)密切相關(guān)。因此，變壓器油箱的振動信號能夠直接、有效地反映出變壓器運(yùn)行中的繞組和鐵心的狀況［9］。

振動分析法就是通過固定在變壓器油箱壁上的振動傳感器得到振動信號，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型對振動信號進(jìn)行分析與處理，得出變壓器的運(yùn)行狀態(tài)、故障原因、具體部件和損失程度等。

由于三相電力變壓器每相的振動信號與該相的電壓、電流信號密切相關(guān)，因此應(yīng)對振動信號、電壓和電流信號同時進(jìn)行采樣，以便分析振動信號與電壓電流信號的相互關(guān)系［10］。

2 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主要包括系數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)兩部分。數(shù)據(jù)采集終端安裝在工作現(xiàn)場，主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲。上位機(jī)通過與數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行通信(包括串口通信和以太網(wǎng)通信)，取得終端采樣數(shù)據(jù)后主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(包括波形分析和頻譜分析)、顯示和故障診斷。這部分主要采用LabVIEW編寫程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System structure

2.1 數(shù)據(jù)采集終端

終端硬件選擇具有工業(yè)級的PC-104模塊，其中，CPU模塊選用臺灣研華的PCM-3350，A/D模塊為研華的PCM-3718。PCM-3718的主要指標(biāo)是16路單端模擬輸入或8路差分模擬輸入、2個8位的數(shù)字輸入端、轉(zhuǎn)換精度可達(dá)12位、采樣頻率最高可達(dá)100 kHz。

由于需要監(jiān)測三相電力變壓器每一相的振動信號，因此至少需要3路振動傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4路振動信號。此外，需要對變壓器的三相電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測，同時系統(tǒng)各預(yù)留1路電壓、電流測量通道，即各有4路采集通道，還有1路溫度采集通道，共有13路模擬輸入通道。

由于PCM-3718可采用16路單端模擬輸入或8路差分模擬輸入方式，而系統(tǒng)共有13路模擬輸入，因此PCM-3718應(yīng)采用單端輸入方式。此外還須采集變壓器的有載分接開關(guān)信息，故用到了PCM-3718的1個數(shù)字輸入端口。變壓器振動信號能量主要集中在基頻(100Hz)附近，諧波分量都很小，500Hz以后基本衰減到0，因此，采樣頻率選擇為4096Hz，可以保證信號分析的準(zhǔn)確性。終端每10s采集一次數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)選用WinCE，采用Embedded Visual C++進(jìn)行監(jiān)測軟件編程。數(shù)據(jù)采集終端對采集到的變壓器振動、電壓、電流和溫度信號進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，并作出簡單的狀態(tài)診斷，最后通過RS-232、Ethernet把處理獲得的數(shù)據(jù)和異常信息發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)利用LabVIEW軟件作進(jìn)一步的分析處理，最終得到變壓器的運(yùn)行狀況。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)部分采用LabVIEW軟件編程。LabVIEW是由NI公司推出的一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具，是科學(xué)研究和工程領(lǐng)域最主要的圖形開發(fā)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等嵌入式應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)。由于采用圖形化編程，LabVIEW特別適用于做圖形顯示的系統(tǒng)界面。

上位機(jī)主要功能包括:實(shí)時波形和頻譜顯示、實(shí)時趨勢分析、實(shí)時棒圖和數(shù)據(jù)列表顯示、天趨勢分析、年趨勢分析和報(bào)警分析。上位機(jī)實(shí)時波形和頻譜顯示流程如圖2所示。

圖2 實(shí)時波形和頻譜顯示流程圖Fig.2 Flowchart of real-time waveform and spectrum display

上位機(jī)部分首先根據(jù)數(shù)據(jù)分析的需要生成相應(yīng)的請求幀，通過串口或以太網(wǎng)通信方式把請求幀發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端，終端收到請求幀后組織數(shù)據(jù)，然后發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給上位機(jī)。上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后首先判斷數(shù)據(jù)接收是否正確:若數(shù)據(jù)接收錯誤，則發(fā)送數(shù)據(jù)接收錯誤響應(yīng)幀給終端，通知終端重新發(fā)送數(shù)據(jù);如果數(shù)據(jù)接收正確，則首先發(fā)送數(shù)據(jù)接收正確響應(yīng)幀給下位機(jī)，表明此次數(shù)據(jù)通信完成。然后上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并進(jìn)行波形、頻譜顯示和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示，以及當(dāng)前變壓器工作是否正常等信息顯示。

①實(shí)時波形和頻譜顯示部分用來顯示當(dāng)前時刻12路信號中的1～4路信號的實(shí)時波形、實(shí)時頻譜和選中通道的靜態(tài)數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)每10s更新一次，顯示的通道最多可以選擇4路，最少1路，頻譜顯示的范圍為0～2 kHz。

②實(shí)時趨勢分析部分用來顯示當(dāng)前5 min內(nèi)4個振動組通道的靜態(tài)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及顯示當(dāng)前變壓器趨勢變化。

③實(shí)時棒圖和數(shù)據(jù)列表部分分別用棒圖和列表的形式顯示當(dāng)前10s內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

④天趨勢分析部分用來顯示從當(dāng)前時刻開始往前24 h內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。天趨勢分析可以反映當(dāng)前一天內(nèi)變壓器的運(yùn)行情況。

⑤年趨勢分析部分用來顯示過去某天內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。年趨勢分析可以用來查詢過去某天內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)。

⑥報(bào)警分析部分是用來顯示報(bào)警時刻振動、電壓和電流波形、頻譜以及報(bào)警前后各150s的靜態(tài)數(shù)據(jù)，并記錄同時刻的振動、電壓和電流波形數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析報(bào)警時刻的振動與電壓、電流的相互關(guān)系。

3 實(shí)時波形和頻譜顯示界面

實(shí)時波形和頻譜顯示界面主要包括:工作狀態(tài)指示燈、通道選擇、波形顯示、頻譜顯示、靜態(tài)數(shù)據(jù)顯示和各功能按鈕。

①工作狀態(tài)指示部分包括變壓器狀態(tài)指示燈和終端狀態(tài)指示燈。變壓器狀態(tài)指示燈為綠色，表示當(dāng)前變壓器處于正常工作狀態(tài)，紅色代表當(dāng)前變壓器處于報(bào)警狀態(tài)。終端狀態(tài)指示燈為綠色，代表當(dāng)前終端處于正常工作狀態(tài)，紅色代表當(dāng)前終端處于故障狀態(tài)。

②通道選擇部分包含4路振動、4路電壓和4路電流共12路通道選擇按鈕。用戶可以從中選擇1～4路，若選擇超過4路，則選擇無效，需重新進(jìn)行選擇。選擇完成后按確認(rèn)按鈕便可實(shí)現(xiàn)通道更新，下一次數(shù)據(jù)顯示就按此次選擇的通道進(jìn)行顯示。

③實(shí)時波形顯示部分實(shí)時顯示當(dāng)前時刻所選通道的波形數(shù)據(jù)。用戶可以通過改變波形顯示界面的橫坐標(biāo)范圍來更清楚地觀察波形，此外可以通過游標(biāo)移動讀取所在位置的數(shù)據(jù)。

④實(shí)時頻譜顯示部分通過對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。顯示的頻譜數(shù)據(jù)范圍最大為2 kHz。通過頻譜圖可以更有利于在頻域分析信號。

⑤靜態(tài)數(shù)據(jù)顯示部分顯示所選通道的振動組靜態(tài)數(shù)據(jù)。

⑥各功能按鈕主要包括凍結(jié)、存儲、打印。如果對某一時刻的數(shù)據(jù)特別感興趣，可以通過凍結(jié)按鈕停止數(shù)據(jù)更新;如果想保存某一時刻的數(shù)據(jù)，可以在凍結(jié)的情況下通過存儲按鈕保存該時刻的數(shù)據(jù)，以便于將來進(jìn)一步分析該時刻的數(shù)據(jù)。此外還可以通過打印按鈕打印當(dāng)前時刻的波形圖。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用振動分析法對變壓器的振動、電壓、電流和溫度信號同步采樣，更有利于分析變壓器的振動信號與電壓、電流之間的相互關(guān)系，對于故障診斷能夠起到更好的作用。

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