李瀟然，孔德仁，孟祥勇，劉 歡

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；2.六七二廠試驗場，黑龍江齊齊哈爾 161006)

0 引言

油浸式變壓器由于其較好的大容量散熱能力和高電壓絕緣能力[1]，被廣泛地應(yīng)用于當前的電力系統(tǒng)中，擔任著重要的角色。但油浸式變壓器投入工作的時間越久，發(fā)生故障的可能性就越大，由于其故障所造成的生活不便、經(jīng)濟損失等都是非常嚴重的。雖然油浸式變壓器在設(shè)計方法、材料選擇、制造工藝上都有所改進，故障發(fā)生率降低，但仍不能排除其發(fā)生事故的可能性。因此，對油浸式變壓器進行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、故障定位、故障檢修等操作使其保持或快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)尤為重要。

近些年，電力設(shè)備由傳統(tǒng)的計劃檢修和故障維修方式向狀態(tài)檢修方式過渡[2-4]。其中，在線監(jiān)測是狀態(tài)檢修的前提和基礎(chǔ)，通過在線監(jiān)測，在不影響設(shè)備運行的前提下獲取變壓器關(guān)鍵參數(shù)信息，實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。同時，可通過數(shù)據(jù)分析和比對的方法判斷設(shè)備運行狀況，進行故障預(yù)警，識別故障種類和程度，最后根據(jù)實際情況制定合理的維修策略[5]。

1 油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

油浸式變壓器各項關(guān)鍵參數(shù)(溫度、液位、振動、壓力、電壓等)狀態(tài)由其運行狀況決定。雖然油浸式變壓器故障原因錯綜復(fù)雜，但每一項故障均會在參數(shù)的變化上有所體現(xiàn)，因此可以通過搭建多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)來實時監(jiān)測油浸式變壓器各關(guān)鍵參數(shù)的變化，進而判斷變壓器的運行狀態(tài)。

考慮到嵌入式微系統(tǒng)在信號處理、控制方面的可靠性和可擴展性的優(yōu)勢[6]，本文在常用的變壓器在線測試方法的基礎(chǔ)上，選用嵌入式微處理器硬件平臺和LabVIEW軟件平臺設(shè)計和開發(fā)了油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由傳感器模塊、下位機子系統(tǒng)和上位機子系統(tǒng)組成，依托該框架，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

(1)開機自檢：系統(tǒng)開機后可進行自檢，確保測試系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；

(2)數(shù)據(jù)采集和傳輸：下位機子系統(tǒng)可實現(xiàn)17通道數(shù)據(jù)的個性化采集，并通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的傳輸；

(3)數(shù)據(jù)顯示和存儲：下位機子系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場顯示，上位機子系統(tǒng)可實現(xiàn)所接收數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲；

(4)數(shù)據(jù)分析及狀態(tài)判別：系統(tǒng)設(shè)置了各參數(shù)閾值，故障時上、下位機均會發(fā)出警報。同時，上位機可通過數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的判斷、設(shè)備運行狀態(tài)的預(yù)測等操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

如圖2所示，油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由信號采集及調(diào)理模塊和微控制器處理平臺組成。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號采集及調(diào)理模塊

信號采集及調(diào)理模塊主要完成各關(guān)鍵參數(shù)的采集及相應(yīng)的信號處理工作。

2.1.1 繞組熱點溫度檢測

對繞組熱點溫度的測量采用間接計算法。間接計算法是根據(jù)假設(shè)的變壓器熱模型，結(jié)合各國實踐經(jīng)驗，來估算變壓器繞組的熱點溫度，這是目前變壓器繞組熱點估算的傳統(tǒng)的經(jīng)典方法[7]。無需設(shè)計繞組溫度參數(shù)硬件測試模塊，只需結(jié)合相應(yīng)公式對所采集的油液溫度和低壓側(cè)電流進行計算即可獲取繞組溫度數(shù)值。

2.1.2 油液溫度檢測

油液溫度檢測由Pt100傳感器及相應(yīng)調(diào)理電路組成。Pt100傳感器的阻值會隨溫度變化呈規(guī)律變化，惠斯登電橋?qū)⒃撟兓D(zhuǎn)換為電壓輸出。信號經(jīng)過放大、濾波后接入數(shù)據(jù)采集部分。

2.1.3 電流檢測

電流檢測包括高壓側(cè)三相電流和低壓側(cè)三相電流的檢測[8]，均選用霍爾式電流傳感器。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，從霍爾元件的控制電流端通入電流Ic，并在霍爾元件平面的法線方向上施加磁場強度為B的磁場，那么在垂直于電流和磁場方向?qū)a(chǎn)生一個電勢，其大小正比于輸入電流Ic。

2.1.4 電壓檢測

電壓檢測包括高壓側(cè)三相電壓和低壓側(cè)三相電壓的檢測。高壓側(cè)電壓檢測采用單相電壓互感器將大電壓轉(zhuǎn)換為小電壓，進而采用電壓變送器將其轉(zhuǎn)換為可進行數(shù)據(jù)采集的小電壓信號。低壓側(cè)直接采用電壓變送器即可。

2.1.5 振動檢測

振動檢測選用ICP低阻輸出型加速度傳感器，該傳感器輸出具有兩線制特點，采用一根同軸電纜實現(xiàn)低阻抗電壓信號輸出和內(nèi)置阻抗變換器的恒流源激勵，極大簡化了測試系統(tǒng)信號調(diào)理部分的電路設(shè)計，同時也改善了系統(tǒng)的測試精度，該傳感器調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 加速度傳感器調(diào)理電路

2.1.6 液位檢測

液位檢測采用陶瓷電容壓力敏感傳感器，該傳感器基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標準電信號。傳感器輸出信號為4～20 mA電流信號，采用I/V轉(zhuǎn)換將其先轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號然后接入數(shù)據(jù)采集部分。轉(zhuǎn)換后的電壓信號為V(單位為V)，輸入電流信號為I(單位為mA)，則

V=0.3125I-1.25

(1)

2.1.7 液壓檢測

油液壓力檢測采用電容式壓力傳感器，該類傳感器低頻特性優(yōu)秀，能夠滿足準靜態(tài)壓力的測試需求。該傳感器輸出也為4～20 mA電流信號，計算方式同液位傳感器。

2.2 微控制器處理平臺

微控制器是數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)暮诵?，它負責協(xié)調(diào)整個下位機子系統(tǒng)的工作，完成信號的采集、顯示和傳輸[9]。本系統(tǒng)的主控電路選用STM32F103微控制器，該系列芯片是一款高性能、低功耗的32位ARM微控制器，它的時鐘頻率可達到72 MHz，片內(nèi)集成了最高512 KB字節(jié)的閃存程序存儲器；最大64 KB字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲器；所包含的16通道12 bits、最高1 MHz采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器大大簡化了采集模塊電路。

如圖4所示，微控制器模塊由STM32F103處理芯片、系統(tǒng)電源、16路信號調(diào)理電路、A/D采集電路、W5500以太網(wǎng)通訊電路以及LCD顯示電路組成。

圖4 微控制器處理平臺

除了選用微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，還選用了用于采集加速度信號的AD7324芯片。AD7324是一款12位帶符號位的1MSPS逐次逼近型ADC，可選擇輸入范圍，能夠采集正負電壓，非常適合對加速度信號進行采集。

考慮到現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境，系統(tǒng)在進行信號傳輸時選用抗干擾能力強、傳輸速率快的以太網(wǎng)傳輸方式。W5500是高性能以太網(wǎng)接口芯片系列之一，內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議、MAC(medium access control)和物理接口收發(fā)器，具有簡單快速、可靠性高、安全性好等顯著優(yōu)勢，傳輸速率最高可達100 Mbit/s。W5500模塊、MCU與上位機連接圖如圖5所示。

圖5 W5500模塊與微控制器、上位機連接圖

2.3 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于變壓器環(huán)境下電磁干擾現(xiàn)象較為嚴重，因此硬件部分屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計十分關(guān)鍵，采用不同材料組合的方式對監(jiān)測系統(tǒng)進行屏蔽[10]。第一級屏蔽材料選用厚為0.1 mm的坡莫合金，坡莫合金實質(zhì)上是鐵鎳(FeNi)合金，其磁導(dǎo)率很高，相對磁導(dǎo)率可達20 000～200 000，可有效地屏蔽磁場；第二級材料選用2 mm的紫銅，紫銅是電導(dǎo)率最高的材料之一，它被用來作為衡量其他材料的基準，可有效地屏蔽電場；最后選用30#鋼盒作為整體封裝盒，整個系統(tǒng)具有較好的電磁兼容性。所設(shè)計開發(fā)的油浸式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)實物如圖6所示。

(a)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部電路

(b)監(jiān)測系統(tǒng)前后面板圖6 多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)實物圖

3 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)程序由運行于底層STM32微控制器的下位機程序和運行于上位機中的LabVIEW程序組成，其中下位機直接讀取調(diào)理后的傳感器數(shù)據(jù)，在片上SRAM數(shù)據(jù)存儲器中進行緩存，然后通過TCP/IP協(xié)議將緩存數(shù)據(jù)上傳至上位機；上位機LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收、顯示、存儲、狀態(tài)判別、分析和報表輸出等功能，同時可實現(xiàn)系統(tǒng)故障警報功能。

3.1 下位機軟件設(shè)計

多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的下位機主要功能為：裝置上電后，首先對系統(tǒng)時鐘、中斷向量表、液晶顯示屏、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器、W5500模塊等進行初始化，然后完成多通道實時信號的采集、處理、緩存、顯示及傳輸。下位機程序流程圖如圖7所示。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要分為2部分，一部分為數(shù)據(jù)采集軟件，另一部分為數(shù)據(jù)處理與分析軟件。數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收、顯示、自動存儲和狀態(tài)判別，同時，設(shè)置報警功能，在油浸式變壓器運行異常時發(fā)出警告；數(shù)據(jù)處理與分析軟件除了具有歷史數(shù)據(jù)的讀取、實時信號連接、各通道標定及性能標定參數(shù)讀取、信號有效帶寬分析、數(shù)字濾波、頻譜分析的基本功能之外，針對所測參數(shù)還具有個性化處理、測量結(jié)果報表輸出等能力。該軟件采用模塊化設(shè)計，具有開放性、嵌入性、通用性等特點。軟件界面友好、直觀，操作方便，并留有一定的擴展空間。數(shù)據(jù)采集部分軟件流程圖如圖8所示。

圖7 下位機程序流程圖

圖8 數(shù)據(jù)采集程序軟件流程圖

4 油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)驗證實驗

為了測試該油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，對某試驗用小型變壓器開展了試驗。該試驗變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 試驗變壓器參數(shù)

試驗時將油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝到被試變壓器上，監(jiān)測系統(tǒng)輸出報表部分截圖如圖9所示。

當前日期2018-06-06 13:10:48變壓器狀態(tài)正常詳細信息高壓側(cè)電壓A/B/C/kV9.85、9.89、9.86高壓側(cè)電流A/B/C/A2.96、2.89、2.94低壓側(cè)電壓a/b/c/V394.1、396.4、394.3低壓側(cè)電流a/b/c/A73.4、71.1、73.2油液溫度、繞組溫度/℃61.6、75.5液位/cm、壓力/kPa51.2、20.3振動/(m·s-2)0.8

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)輸出報表部分截圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合常用的變壓器在線監(jiān)測方法，基于STM32F103微處理器組成的硬件平臺和LabVIEW軟件平臺研制了油浸式變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)油浸式變壓器17個參數(shù)的測試和故障警報。同時，配備數(shù)據(jù)分析軟件，可對采集到的數(shù)據(jù)進行回放、分析和輸出報表等操作。該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了油浸式變壓器的狀態(tài)監(jiān)測、故障警報以及狀態(tài)判別，具有成本低、判斷簡單直觀、可測關(guān)鍵參數(shù)多、可靠性高等優(yōu)勢。實驗顯示，該系統(tǒng)可較好地監(jiān)測油浸式變壓器關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對智能電網(wǎng)模式的推動具有較大的作用。