李林銳 鄭 浩 劉厚康 唐旭明 傅正財

（1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240； 2.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230022；3.國網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心電力設(shè)備，其可靠運行尤為重要，一旦出現(xiàn)事故，后果不堪設(shè)想。因此，對于電力變壓器運行狀態(tài)進行有效地監(jiān)測尤為重要。近年來，國內(nèi)外采用振動信號分析法監(jiān)測電力變壓器的鐵心及繞組的運行情況，通過振動信號對鐵心和繞組情況進行狀態(tài)評估和故障診斷等，取得了一定的成果[1-4]。然而目前缺乏對電力變壓器等電氣設(shè)備振動特性的統(tǒng)一考核標(biāo)準(zhǔn)[5]，變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測振動信號的準(zhǔn)確度、有效性還需進一步研究。

為此，本文設(shè)計了一種針對電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的檢測裝置，應(yīng)用DDS 技術(shù)及信號放大電路輸出模擬電力變壓器的振動信號，通過對比變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的輸出結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)振動信號測量的結(jié)果，對電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測振動信號的準(zhǔn)確性、有效性進行檢測。

1 電力變壓器振動信號的特征

電力變壓器振動主要來源于鐵心與繞組。鐵心的振動主要取決于硅鋼片的磁致伸縮，鐵心的硅鋼片在強磁場下的磁致伸縮引發(fā)了鐵心的振動。磁致伸縮的變化周期為電源電流周期的1/2，故磁致伸縮引起鐵心振動的基頻為2 倍電源頻率，磁致伸縮的非線性以及沿鐵心內(nèi)框與外框的磁通路徑長短不一致等多因素還造成了鐵心振動信號中含有高次諧波成分[6]。電力變壓器的繞組振動是繞組中電流產(chǎn)生的電磁力引起的，基本上集中在頻率為100Hz 處，通過絕緣油傳至油箱。電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測油箱表面的振動信號來監(jiān)測電力變壓器的鐵心和繞組情況。

電力變壓器振動信號是以基波頻率為100Hz 的正弦信號疊加整數(shù)倍基波頻率分量組成的。頻率范圍為100～1000Hz，100～500Hz 的頻率范圍內(nèi)最為明顯，＞1kHz 的高頻分量基本可以忽略[7]，一般通過200Hz、300Hz 等高次諧波分量的變化診斷鐵心狀況，在鐵心無故障的前提下，通過100Hz 基頻幅值變化診斷繞組狀況，所以模擬的振動信號組成為100Hz 頻率的基波疊加高頻分量（至多到10 次諧波），且主要集中在100～500Hz。

2 檢測裝置原理

在模擬電力變壓器振動信號時，除了各個頻率分量的幅值外，振動信號的基頻率波動也是需要考慮在內(nèi)的。時域離散系統(tǒng)的有限采樣點會導(dǎo)致還原波形的失真，頻譜特性與原始信號的頻譜特性不同，所以一般使用平滑窗口函數(shù)改進頻譜特性。基頻率波動和高頻率分量的共同影響，使得信號采集時難以進行整周期采樣，可能造成頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，從而造成振動信號幅值提取出現(xiàn)誤差。為避免頻譜泄露，同時達到高頻譜分辨率的效果，采樣窗口函數(shù)的窗口寬度應(yīng)當(dāng)取為振動信號周期的整數(shù)倍[8]。

模擬的電力變壓器振動信號通過本裝置產(chǎn)生，參考基頻率可以通過通信接口精確控制，所以可以根據(jù)基波周期時間調(diào)整窗函數(shù)寬度，提高裝置測量精度。GB/T 15945—2008《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》中規(guī)定電力系統(tǒng)正常的頻率標(biāo)準(zhǔn)為50±0.2Hz，根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到0.5Hz[9]。電力變壓器振動信號的頻率是以兩倍電源頻率為基頻的，所以裝置的參考基波頻率為100±1Hz，作為模擬電網(wǎng)頻率的波動。

檢測裝置的原理圖如圖1所示。裝置采用模塊化設(shè)計，包括標(biāo)準(zhǔn)源模塊、上位機控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。標(biāo)準(zhǔn)源模塊負(fù)責(zé)生成模擬的振動信號，通過應(yīng)用DDS（Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字式頻率合成器）技術(shù)和信號放大輸出正弦基波疊加高次諧波的信號即模擬的振動信號，上位機控制模塊主要完成對數(shù)據(jù)的分析、處理和控制檢測進程等功能，數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡，對標(biāo)準(zhǔn)源模塊輸出的模擬振動信號和待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)輸出的振動信號進行采集。各模塊之間通信通過RS-232 接口進行。標(biāo)準(zhǔn)源模塊輸出的模擬振動信號幅值作為標(biāo)準(zhǔn)測量值，與待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)輸出的振動信號幅值進行對比，計算待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差，并給出評價。作為控制核心的處理器Nios Ⅱ完成頻率變動、振動信號波形表達生成、控制檢測流程等功能。

圖1 檢測裝置原理圖

3 硬件設(shè)計

3.1 可編程片上系統(tǒng)實現(xiàn)

可編程片上系統(tǒng)（System on a Programmable Chip）即SOPC 是利用可編程邏輯技術(shù)將系統(tǒng)放在一個芯片上的特殊嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)集中了處理器、存儲器、通信接口等各個模塊，具有可編程性，設(shè)計方式非常靈活。

本裝置應(yīng)用SOPC 的設(shè)計理念，進行模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采樣、片內(nèi)存儲波形的存儲器RAM、核心處理器等多個功能部分。使用SOPC Builder 配置處理器為Nios Ⅱ/f 快速型，生成系統(tǒng)需要的時鐘、控制檢測流程、改變模擬振動信號的幅值和頻率參數(shù)、進行UART 接口通信等功能。支持Nios Ⅱ CPU 的芯片選用Cyclone 系列的EPlCl2-Q240C8，具有5980 個邏輯單元，92160 個比特的嵌入RAM，兩個鎖相環(huán)（PLL），185 個用戶I/O 管腳，通過使用Altera 的Nios Ⅱ軟核和豐富的IP 庫，可快速實現(xiàn)完整的可編程單芯片系統(tǒng)。

3.2 模擬振動信號波形輸出

DDS 包括頻率寄存器、累加器、存儲波形的存儲器RAM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。如圖2所示，在系統(tǒng)時鐘脈沖fs下，累加器根據(jù)頻率寄存器中的頻率控制碼在時鐘周期內(nèi)進行累加，同時在存儲波形的存儲器RAM 中尋址對應(yīng)的幅值后，進行信號輸出的編碼，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A 變換）和低通濾波器，最終輸出連續(xù)的波形[8]。采用相對帶寬寬、分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時間極短的DDS 技術(shù)可實現(xiàn)不論幅值大小的任意信號的輸出，配合信號放大電路可用來模擬電力變壓器的振動信號。

圖2 DDS 不同部分的輸出信號

電力變壓器的振動信號中有2 個變動參數(shù)：基頻率和各個基頻整數(shù)倍頻率的分量的幅值。基頻率的變動用來模擬電網(wǎng)頻率的波動，而各個基頻整數(shù)倍頻率的分量的幅值變化則模擬電力變壓器鐵心和繞組的振動情況。

系統(tǒng)時鐘脈沖fs，頻率寄存器中的控制字K，二進制累加器的位數(shù)為N，則輸出頻率就可以通過頻率寄存器中的控制字進行控制：

輸出信號的頻率分辨率為

從式（2）中可以知道，對于一確定的系統(tǒng)時鐘脈沖裝置，累加器的位數(shù)N越大，頻率分辨率就越高，輸出波形的精度越高。

存儲器RAM 的輸出信號序列為

DDS 輸出的基波信號y=A0sin(2πfx)，疊加對應(yīng)幅值的2～10 倍頻率的高頻分量后，得到最終模擬的電力變壓器的振動信號。

3.3 低通濾波

數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出頻譜會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，該混疊是以抽樣率速率重復(fù)出現(xiàn)的，也就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號存在雜散信號，且該雜散信號以參考時鐘整數(shù)倍頻率為中心，因此需要低通濾波得到干凈的輸出信號。通過分析數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波的頻譜，可以得出：數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波除主要輸出頻率f0外，在fs，2fs，…兩邊±f0處均存在非諧波分量[10]，通過將低通濾波器加在數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端，可得到主要輸出頻率f0。

由采樣定理知本裝置設(shè)計的DDS 電路最高輸出頻率為150MHz，考慮到波形的輸出質(zhì)量，設(shè)置低通濾波器的截至頻率為120MHz。采用如圖3所示的橢圓濾波器。橢圓型濾波器在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都有等波紋的起伏，比巴特沃斯和切比雪夫濾波器有更陡的下降梯度，過渡帶陡峭，在相同性能指標(biāo)下，橢圓濾波器所需的階數(shù)更小[11]。

圖3 橢圓濾波器電路

3.4 振動信號數(shù)據(jù)采集

振動信號的數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)，采用具有4 通道16 位同步采集的NI9215 高速數(shù)據(jù)采集卡，對標(biāo)準(zhǔn)源模塊輸出的模擬振動信號和待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)輸出的振動信號進行采集。采集通道采用共地設(shè)置，可保證四個通道同步采樣。采集的標(biāo)準(zhǔn)源模塊輸出的模擬振動信號作為標(biāo)準(zhǔn)測量值，待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)輸出的振動信號作為待檢測值。

4 軟件設(shè)計

利用Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境進行與硬件電路相匹配的軟件內(nèi)核設(shè)計，利用Visual Basic 6.0 編寫上位機軟件。上位機主要完成兩個方面的功能。一是控制，即模擬振動信號的生成輸出和檢測流程的控制。二是數(shù)據(jù)處理，即對采集卡送入上位機的時域離散數(shù)據(jù)進行計算和分析。

4.1 數(shù)據(jù)處理

對于電力變壓器的振動監(jiān)測系統(tǒng)，測量的振動信號是跟隨電網(wǎng)頻率波動而在100Hz 左右波動的，克服頻率波動保證采樣的振動信號的完整性對于振動監(jiān)測系統(tǒng)是非常重要的。模擬的振動信號由裝置自身產(chǎn)生，其頻率波動是已知的，所以在數(shù)據(jù)采集時，通過與上位機模塊即時通信可保證整周期采樣，避免了頻譜泄漏，保證了測量數(shù)據(jù)的完整性，從而提高了測量的準(zhǔn)確度。

在上位機控制模塊對采集的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，針對特定的基波頻率進行傅里葉變換，這個特定的基波頻率就是標(biāo)準(zhǔn)源模塊生成的振動信號的基波頻率，從而檢測出基波頻率與各頻率分量的幅值。充分利用美國MathWorks 公司開發(fā)的Matlab，將Matlab 的強大數(shù)學(xué)計算功能與Visual Basic 的程序界面開發(fā)結(jié)合起來，進行FFT 分析。將標(biāo)準(zhǔn)源模塊輸出的模擬振動信號幅值作為標(biāo)準(zhǔn)測量值，與待檢測的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)輸出的振動信號幅值進行對比，計算振動信號的測量誤差并給出評價。

4.2 檢測流程

檢測流程如圖4所示，在上位機軟件中設(shè)置檢測頻率波動、各頻率分量幅值變動范圍，在一定基波頻率下的測試點，完成各頻率分量幅值變動的同時進行測試并記錄測試結(jié)果。幅值變動完成后，再自動跳轉(zhuǎn)至下一個基波頻率測量點繼續(xù)進行測試并記錄測試結(jié)果。測試的時間可根據(jù)實際情況進行設(shè)置，自動完成測試后，所有測試的數(shù)據(jù)將匯總，對應(yīng)測試的時刻繪制成表格及圖像。最終生成測試報告經(jīng)USB 接口導(dǎo)出。

圖4 檢測流程圖

5 檢測裝置性能測試

檢測裝置可用外部供電和內(nèi)置電池供電兩種方式，其中內(nèi)置電池可供電72h 保證裝置可靠運行，模擬的振動信號的基波頻率及各頻率分量幅值可在上位機控制模塊中進行設(shè)置。

采用標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分析儀、示波器等測量儀器對檢測裝置進行性能測試，將檢測裝置與標(biāo)準(zhǔn)測量裝置連接，然后對比標(biāo)準(zhǔn)測量值與檢測裝置的顯示的輸出值。以各頻率分量幅值A(chǔ)0=25mV，A1=5mV，A2=5mV，A3=3mV，A4=4mV，A5=10mV 為檢測點，進行性能測試，部分頻率下的測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果，檢測裝置與標(biāo)準(zhǔn)測量值之間的誤差均在1%以內(nèi)，精度高，可用于變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的實驗室研發(fā)及振動信號的準(zhǔn)確度檢測。

6 結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的檢測裝置，通過應(yīng)用DDS 技術(shù)和信號放大能輸出模擬電力變壓器振動的振動信號，模擬的振動信號不僅能實現(xiàn)各頻率分量幅值的變動，還能模擬電網(wǎng)頻率的波動。通過模塊之間的即時通信，保證振動信號的整周期采樣，避免了頻譜泄漏，確保振動信號的準(zhǔn)確度。通過對振動信號準(zhǔn)確度的檢測完成對電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的性能評價，為電力變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的可靠運行發(fā)揮作用。

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