郭小龍,武蘭民,周國華,呂玉祥*

(1.太原理工大學物理與光電工程學院,太原 030024;2.國家電網公司,北京 100031;3.大同供電公司,山西 大同 037008)

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大型變壓器實時在途監(jiān)測與運輸安全狀況評估*

郭小龍1,武蘭民2,周國華3,呂玉祥1*

(1.太原理工大學物理與光電工程學院,太原 030024;2.國家電網公司,北京 100031;3.大同供電公司,山西 大同 037008)

摘要:運輸安全是大型變壓器正常使用的先決條件。針對大型變壓器的運輸安全,推導了基于車體參數(shù)、路面等級、行駛速度、垂直振動加速度的大型變壓器運輸振動模型,給出了運輸前和運輸過程中的沖擊允許值預測模型。研制了一套大型變壓器運輸實時監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了實時預警功能,改變了目前封閉式監(jiān)測的現(xiàn)狀。描述了系統(tǒng)的組成,原理及其在實際運輸中的應用。實例分析表明,實時監(jiān)測系統(tǒng)結合預測模型可有效保障運輸安全。

關鍵詞:大型變壓器;運輸安全;沖擊允許值;沖擊加速度

大型變壓器在運輸過程中不可避免地會受到運輸沖擊,運輸沖擊可能造成變壓器內部線圈、鐵心、墊塊等發(fā)生移位或變形,進而導致變壓器壽命減少,甚至直接被損壞,延長電網建設時間,影響電力系統(tǒng)的正常運行[1-5]。因此,有必要建立一個完善的大型變壓器運輸安全監(jiān)測系統(tǒng)。

早在20世紀70年代就有數(shù)臺110 kV以上的大型變壓器因運輸沖擊,在投用不久后損壞,李啟盛等人就已提出需要安裝運輸振動記錄裝置[6]。80年代國家提出了《三相油浸式電力變壓器技術參數(shù)和要求》(GB6451.1～5—86)[7]的方案,規(guī)定220 kV變壓器運輸需安裝封閉式沖擊震動記錄儀。在《電氣裝置安裝工程 電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗收規(guī)范》(GBJ148—90)[8]中,進一步規(guī)范了大型變壓器運輸要求,提出了沖擊加速度、壓力(充氮運輸)、傾斜、天氣等運輸安全參數(shù),并指出我國對大型設備運輸中裝設沖擊記錄儀尚屬初始階段。對于沖擊記錄儀的種類、安裝位置,以及大型變壓器允許沖擊值,還需積累數(shù)據(jù)和經驗。沖擊允閾值的大小,國內尚無標準,國外對于大型變壓器運輸標準也各不相同,如日本東芝公司規(guī)定在運輸?shù)那昂蠓较驗?gn,橫向為1gn,垂直為3gn。德國TU公司規(guī)定各向均為3gn。美國國家標準規(guī)定:垂直為1gn,前后為4gn。經我國有關部門商定,最終將國產大型變壓器運輸沖擊值3個方向均定為3gn。針對運輸加速度允許值范圍和封閉式監(jiān)測現(xiàn)狀,文獻[1]提出了運輸安全裕度評估的主要安全系數(shù),并建議采用專用沖撞記錄儀,在封存運輸記錄基礎上,增加實時預警等功能,確保運輸安全。2011年11月國家電網公司下發(fā)了《關于加強大型變壓器運輸過程質量管理的通知》[9]文件,再次強調了運輸過程監(jiān)管的重要性。

本文分析了目前大型變壓器的運輸監(jiān)測現(xiàn)狀,結合沖擊加速度、路面等級、行駛速度等參數(shù),提出一種大型變壓器運輸振動模型,設計一套集智能傳感器技術、物聯(lián)網技術、Android技術、Web技術等為一體的大型變壓器運輸監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了運輸安全監(jiān)管網絡化,運輸數(shù)據(jù)分級共享,業(yè)主、制造公司、運輸公司共同在線監(jiān)督,及時的對變壓器運輸質量進行評估和預警,進而采取針對性預防措施,大大提高了大型變壓器運輸?shù)陌踩浴?/p>

圖1　系統(tǒng)結構

1　系統(tǒng)整體設計方案

通過對現(xiàn)有大型變壓器運輸監(jiān)管體系的對比分析,確定了如下方案:整個體系框架由監(jiān)測終端、集中控制器和WEB監(jiān)控中心3部分構成,其總體系統(tǒng)結構如圖1所示。監(jiān)測終端和集中控制器通過ZigBee技術構成了物聯(lián)網即獨立的智能傳感網絡,共同完成運輸參數(shù)采集。監(jiān)控中心通過控制集中控制器,可智能識別終端設備,增減監(jiān)測終端數(shù)量,完成網絡組建,為后續(xù)網絡維護和數(shù)據(jù)安全提供保障。監(jiān)測終端安裝在大型變壓器頂部,主要負責采集運輸過程中的相關參數(shù)(沖擊加速度、車體傾斜角度、充氮壓力等),并通過物聯(lián)網傳輸?shù)郊锌刂破?。集中控制器放置于駕駛室內,主要完成終端數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、異常提醒、數(shù)據(jù)存儲、現(xiàn)場圖片采集,并通過3G網絡上傳至監(jiān)測中心,可應對各種突發(fā)情況。監(jiān)控中心由無線網關服務器、Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、文件服務器、內容服務器、管理服務器等設備組成,主要負責在大型變壓器運輸前,審批運輸計劃、考核運輸單位資質、分析路線和評估風險;在運輸過程中,記錄全程數(shù)據(jù)、線路,對運輸狀態(tài)實時評定,并可與傳感網絡通信,調整相關參數(shù)閾值;在運輸結束后,分析運輸數(shù)據(jù),評定運輸質量。業(yè)主、變壓器制造廠商、運輸單位和相關部門均可通過WEB分權限了解大型變壓器的相關運輸狀況。

2　數(shù)學模型的建立

2.1基于路面沖擊的振動模型

在大型變壓器運輸過程中,路面不平度是行駛阻力和振動的主要激勵[10-14],沿行駛方向的路面不平度會引起大型變壓器在豎直方向上的低頻振動,沖擊允許值由振動模型求得。在路面的橫斷面上,不平度則引起車輛的側傾,為保證行駛安全性傾側角以7°作為傾角預警值[15]。以運輸大型變壓器的平板車和大型變壓器作為研究對象,建立如圖2所示大型變壓器路面運輸振動模型,m2為平板車車身及大型變壓器質量,即簧上質量;K2為整體車身懸架彈性系數(shù);C為整車車身懸架阻尼系數(shù);m1為簧下質量,K1為所有輪胎剛度。

圖2　大型變壓器路面運輸振動模型

該系統(tǒng)的振動微分方程為

(1)

式(1)中,K,M,Z均為矩陣,展開后得系統(tǒng)的振動微分方程為:

對上式進行拉氏變換,可得

(2)

引入輔助變量

(3)

(4)

對不同路面等級的響應的功率譜為(5),Sq(ω)為路面不平度激勵q對應的激勵譜。

Sz2(ω)=|Hz2～q(ω)|2Sq(ω)

(5)

2.2沖擊允許值預測模型

通過路線考察,根據(jù)運輸路線路面的功率譜、空間頻率范圍等,生成符合原功率譜的路面隨機序列,可作為系統(tǒng)模擬運輸?shù)穆访婕顀[16-22],進而分析整個運輸計劃的安全性,制定沖擊允許值。

當車輛在不同路面等級公路上行駛時,可把路面速度輸入的譜視為白噪聲,即

(6)

式(6)中,n0為參考空間的頻率,n0=0.1m-1;v為車速。根據(jù)文獻[13],求得響應均方值為

(7)

(8)

(9)

3　大型變壓器運輸安全智能傳感網絡設計

3.1智能傳感網絡的整體設計

智能傳感網絡即物聯(lián)網,由監(jiān)測終端和集中控制器組成,主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示、打包、發(fā)送及實時預警等任務。根據(jù)前面推導的大型變壓器運輸振動模型可知,運輸沖擊由路面條件、行駛速度、車體參數(shù)、天氣狀況等因素共同決定,其中充氮運輸還需防止內部氧化。因此,運輸監(jiān)測傳感網絡采集車速、沖擊加速度、車體傾斜角度、內部充氮壓力以及天氣等參數(shù),進行實時顯示分析,提醒相關人員執(zhí)行正確操作,保證大型變壓器的運輸安全。

3.2集中控制器軟硬件設計

圖3　硬件結構圖

集中控制器硬件設計如圖3所示,集中控制器采用了高通的MSM7227處理器[23],擁有包括浮點運算單元的600 MHz應用處理器、320 MHz應用DSP、400 MHz調制解調器、3D硬件加速圖形處理器、集成GPS和800萬像素攝像頭,支持VGA視頻編碼、解碼及顯示。集中控制器將Android的軟件系統(tǒng)移植到高通的MSM7227硬件平臺上,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時顯示和處理、數(shù)據(jù)上傳和智能語音報警等功能。CC2530模塊及其外圍電路作為ZigBee網絡中的協(xié)調器,負責ZigBee網絡的建立、接收各監(jiān)測終端數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令,并將采集的數(shù)據(jù)通過簡單處理,轉發(fā)給MSM7227。電源管理芯片(Power Management)負責為系統(tǒng)供電,通過電壓識別,產生相應的PWM調節(jié)輸出功率,降低系統(tǒng)功耗。RF模塊(WCDMA/GSM FR Transceiver)發(fā)射功率大,傳輸距離遠,適合在惡劣條件下通訊,同時可將處理過的數(shù)據(jù)按照定義好的格式傳遞給監(jiān)控中心。GPS模塊測量運輸車輛的經緯度、海拔、速度以及時間等信息。攝像頭模塊負責拍攝現(xiàn)場圖片,并轉發(fā)至服務器端。USB接口完成離線數(shù)據(jù)的讀取和系統(tǒng)充電。SIM接口連接SIM卡,利用無線網絡進行通信,并獲取當?shù)靥鞖庑畔?。LCD TFT顯示模塊和觸摸屏用于數(shù)據(jù)顯示和人員操作。聲音模塊提供語音警報功能,提醒相關人員執(zhí)行相應操作。

集中控制器軟件由應用層,框架層,驅動層3部分構成,結構如圖4所示。應用層主控制軟件使用JAVA實現(xiàn),是智能傳感網絡和監(jiān)測中心的接口,負責從監(jiān)控中心接收命令,同時把各種監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測中心?？蚣軐硬捎肁ndroid原生系統(tǒng)框架,控制各種硬件模塊。驅動層的控制框架和驅動模塊采用Linux內核開發(fā)完成。

圖4　軟件結構圖

圖5　硬件結構圖

3.3監(jiān)測終端軟硬件設計

監(jiān)測終端的硬件結構圖見圖5。根據(jù)實際應用的需求,監(jiān)測終端的微控器采用了TI公司的第2代ZigBee[24]收發(fā)器CC2530,一個支持實時仿真的8 bit CPU(Central Processing Unit),具有ISP(In-System Programming)和IAP(In-Application Programming)功能,主要用于2.4GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段,工作溫度可高達125 ℃,具有極好的共存性能和靈敏度,并可在低電壓下工作。此外,CC2530還支持數(shù)據(jù)加密、幀處理、空閑頻道檢測、數(shù)據(jù)緩存等功能。監(jiān)測終端通過遙控方式開啟,可防止押運人員的異常操作。穩(wěn)壓電路將鋰電池的電壓轉換為系統(tǒng)各部件所需的電源電壓。各種傳感器負責采集大型變壓器運輸過程中的沖擊加速度值、傾斜角度和充氮壓力(充氮運輸)。JTAG(Joint Test Action Group)接口可訪問CC2530內部所有部件,方便進行編程、調試等。此外,硬件結構還包括存儲電路、防盜電路、看門狗電路以及時鐘電路等。監(jiān)測終端安裝在大型變壓器頂部,取電困難,為確保系統(tǒng)在運輸過程中可以長時間工作,選用了高性能鋰電池供電,并采取了一系列降低系統(tǒng)功耗的措施,如給傳感器加開關電路、分時供電、無線數(shù)據(jù)打包發(fā)送、在空閑狀態(tài)使用睡眠模式等。

圖6　軟件流程

監(jiān)測終端軟件內嵌Z-Stack協(xié)議棧中包含有OSAL(Operating System Abstraction Layer)操作系統(tǒng)抽象層,是一個簡單的多任務操作系統(tǒng)。在實際的應用中,先將實時多任務操作系統(tǒng)Z-Stack移植到CC2530中,并根據(jù)需要實現(xiàn)的功能,將分機系統(tǒng)劃分為7個任務事件:系統(tǒng)初始化任務、網絡消息處理任務、看門狗任務、數(shù)據(jù)采集任務、短消息處理任務、時鐘采集任務及數(shù)據(jù)打包發(fā)送任務。為保證系統(tǒng)的實時性,設定了合理的任務優(yōu)先級。監(jiān)測終端軟件流程圖如圖6所示。

3.4沖擊振動傳感器的設計和安裝

Shock101型沖擊振動傳感器是專門為測量運輸沖擊加速度設計的一款傳感器,具有性能穩(wěn)定、精度高、溫漂小、結構緊湊、安裝方便等特點[25],可直接替代目前的機械或數(shù)字式加速度傳感器。通過與MadgeTech公司合作,開發(fā)了利用終端的CC2530實時采集沖擊傳感器加速度峰值的功能,改變了大型變壓器運輸加速度閉環(huán)監(jiān)測的現(xiàn)狀,實現(xiàn)了全程監(jiān)測,實時預警的功能。在現(xiàn)場安裝如圖7所示。Shock101型沖擊振動傳感器采用三線制數(shù)字輸出,可通過協(xié)議發(fā)送指令控制。

圖7　沖擊傳感器安裝圖

圖8　現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

4　現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

在實際運輸過程中,變壓器運輸安全分析分為3部分:(1)通過對運前線路和路面不平度等級的考察,利用振動模型和沖擊允許值預測來模擬運輸環(huán)境,估算運輸沖擊,制定沖擊預警值,確保模擬運輸安全性;(2)根據(jù)實際運輸數(shù)據(jù)分析路面等級調整沖擊預警值,發(fā)現(xiàn)異常速度、加速度、傾角、氮氣壓力數(shù)據(jù)時及時提醒相關人員做出相應操作;(3)運輸結束后分析運輸數(shù)據(jù)并判斷運輸質量。

運輸模擬主要由監(jiān)測中心完成。監(jiān)測對象為西安發(fā)往榆次北的500 kV分解運輸、現(xiàn)場組裝式100萬kVA的三相自耦變壓器的B相繞組,其中變壓器B相線圈的質量75 t,高4.8 m,直徑4.4 m。運輸車輛為沃爾沃FH16-550,自重19 t,平板車為五軸線兩縱列液壓平板車可載重125 t,單軸可載重25 t,單軸自重5 t,車長25.5 m,平板車車輪規(guī)格為8.25-15 18PR,充氣壓力(0.98±0.02)MPa。

運輸起點為,陜西省西安市灞橋區(qū)G70福銀高速收費口(北緯N34°16′37.35″東經E109°04′49.74″,海拔:415.66 m)。終點為山西省晉中市榆次區(qū)331縣道中段(北緯N37°44′21.57″東經E112°50′12.13″,海拔:1024.52 m)。路面譜基本在A、B、C三級范圍內[22,26],且B、C級路面占比較大。運前模擬分析以C級路面為激勵得到垂直加速度提醒減速,若出現(xiàn)D級路面激勵產生的垂直加速度及時報警,垂直方向加速度值閾值應集中在0～0.2gn,若大于0.35gn報警。前后,左右沖擊加速度均以0.25gn作為報警閾值[1],傾斜角度以7°[15]作為報警閾值。本次運輸可以較高速度行駛(40 km/h)。大型變壓器運輸安全在線監(jiān)測系統(tǒng)于2013年1月應用于大型電力變壓器的運輸當中,系統(tǒng)迄今運行良好?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像如圖8所示。運輸當日氣溫-6 ℃～10 ℃,微風,晴,相對濕度40%～60%。數(shù)據(jù)路段起點為,G5京昆高速山西省臨汾市堯都區(qū)臨汾服務區(qū)附近(北緯N36°07′2.69″東經E111°27′59.29″,海拔:435.86 m)。終點為,山西省晉中市太谷縣勝利街(北緯N37°28′41.40″東經E112°30′24.68″,海拔:769.27 m)。按時間順序路徑G5國道,366縣道,369縣道,208國道,367縣道,108國道,均為瀝青路面。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,運輸整體相對平穩(wěn),未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。在運輸過程中,與理論值相符,均為未出現(xiàn)異常值。運輸過程基本符合規(guī)范,變壓器目前正常運行,未出現(xiàn)異常。

5　結論

(1)大型變壓器運輸安全在線監(jiān)測系統(tǒng)集遠程在線監(jiān)測、實時預警、路面預測于一體,通過監(jiān)測路面沖擊加速度、車體傾斜角度和車輛行駛速度,結合監(jiān)控中心軟件,評估大型變壓器運輸安全等級。根據(jù)相關路面參數(shù)預測振動強度,及時語音提醒,可有效的減少了大型變壓器運輸損傷。

(2)隨著該系統(tǒng)的運行,將逐漸積累運輸相關的數(shù)據(jù),建立有關沖擊加速度、損壞度等級數(shù)據(jù)庫,有利于進一步修正變壓器振動模型和沖擊允許值預測模型。

(3)本文提出的振動模型對所有路面的大型設備振動預測均有一定的參考價值。

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郭小龍(1990-)男,碩士,太原理工大學,山西省太原市,主要從事電力電子設備的研發(fā);

呂玉祥(1964-)男,教授,太原理工大學物理與光電工程學院,碩士生導師,山西省呂梁市,主要從事電力電子設備的研究與開發(fā)。

TheReal-TimeMonitoringinTransitandAssessmentoftheTransportationSecuritySituationofLargeTransformers*

GUOXiaolong1,WULanmin2,ZHOUGuohua3,LüYuxiang1*

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.State Grid Corporation of China,Beijing 10031,China;3.State Grid Datong Power Supply Company,Datong Shanxi 037008,China)

Abstract:Transportation safety is the major prerequisite to the normal use of transformer.For the transportation safety of large transformers,large transformers transportation vibration model is deduced based on car body’s parameters,pavement grade,speed and vertical vibration acceleration.The impact allowable values of predictive model before and during transportation process are given.Transportation real-time monitoring system of large transformers is developed.It achieves the function of real-time early warning,and changes the current status of closed monitoring.The composition,theory and application in transportation of system are described.The practical application shows that the real-time monitoring system and predictive model can ensure the transportation safety effectively.

Key words:large transformers;transport safety;impact allowable value;impact acceleration

doi:EEACC:6320;214010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.026

中圖分類號:TM41;U461

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0917-06

收稿日期:2013-10-17修改日期:2013-12-02

項目來源:山西省電力公司科技項目