謝志迅，周正超，朱洋凱

（南京力通達電氣技術有限公司，南京 210014）

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)建設的穩(wěn)步發(fā)展及全球能源互聯(lián)的階段布局，中國每年生產(chǎn)、運輸和安裝的大型電力變壓器價值高達數(shù)百億元。大型變壓器是電力建設中的核心設備，由于其體積和重量都較大，內部結構件較多，對運輸過程中大的顛簸和加減速等狀況比較敏感，并且需要防潮，因此變壓器在出廠到現(xiàn)場的運輸過程中對行車速度、沖擊振動、氣體壓力、傾斜程度等具有嚴格的要求[1]。

如果大型變壓器在運輸途中受到大的沖擊振動會對其內部器身造成損傷，包括壓力泄漏器身受潮、引出線移位變形和夾件松動變形等，從而導致變壓器產(chǎn)生顯性或隱形的質量缺陷，造成巨大的經(jīng)濟損失，同時對電力建設工程造成工期延誤。因此運輸安全成為大型變壓器正常使用的先決條件。

1 現(xiàn)有變壓器運輸監(jiān)測方案存在的問題

目前在大型變壓器運輸過程中要求安裝三維沖擊記錄儀，在變壓器運輸?shù)侥康牡睾笮枰鰴z查和測試，具體包括：（1）目測外部損傷，氮氣正壓和露點檢查；（2）查看沖擊記錄數(shù)據(jù)，按照振幅和頻率分析估計沖擊損害的可能性以查明隱藏的損傷。

通過檢查沖擊記錄儀的記錄數(shù)據(jù)作為大型變壓器運輸過程中所受沖擊是否超標的依據(jù)，可以對運輸質量進行一定的監(jiān)督保障作用，但在實際使用過程中也遇到了一些問題，具體如下。

（1）傳統(tǒng)的大型變壓器運輸監(jiān)控方案采用的是電子式或機械式離線沖擊記錄儀的方式，離線裝置的缺點是只有當設備運輸?shù)侥康牡刂蟛拍芤淮涡宰x取數(shù)據(jù)用于分析追溯，對途中的異常情況不能實時報警，存在監(jiān)測盲區(qū)的固有缺陷，無法對運輸過程進行預警和改善。

（2）現(xiàn)行的國家標準[2]中對變壓器在運輸過程中受到的沖擊只有不能超過3 g的要求，沒有對振動的幅頻特性進行更詳細的規(guī)定，所以不同廠家的沖擊記錄儀對沖擊振動信號的采樣和計算標準也不同，記錄精度和標定方法都不一致，使得實際應用中沖擊記錄儀存在誤報和漏報現(xiàn)象。

（3）目前沖擊記錄儀大部分是對變壓器運輸過程中所受到的三軸沖擊加速度進行監(jiān)測，對運輸過程中的其他狀態(tài)量監(jiān)測很少，不能夠完整地還原沖擊超標時的周圍環(huán)境和運輸異常情況，從而影響到對變壓器可能受到損害的定性和分析。同時，在相關國家標準中對大型變壓器運輸過程中的內部干燥氣體壓力（標準要求相對外部大氣壓成微正壓，壓力范圍0.01～0.03 MPa）、變壓器傾斜角度（標準要求小于15°）等狀態(tài)量在以前的變壓器運輸過程中是沒有自動監(jiān)測和記錄的。變壓器運輸過程全狀態(tài)在線監(jiān)測信號范圍應該包括變壓器三軸沖擊加速度、傾角、速度、位置、海拔甚至環(huán)境溫濕度以及變壓器油箱內部填充干燥氣體壓力信號。

（4）IEEE 標準PC57.150[3]中建議在線沖擊記錄儀完成多種狀態(tài)信號的采集、存儲以及實時遠傳。但由于變壓器運輸距離遠、時間長且運輸車輛的供電手段較少，目前產(chǎn)品化的變壓器運輸在線監(jiān)測裝置通常采用鋰電池供電，由于采用了GPS 定位GPRS/3G/4G 無線數(shù)據(jù)遠傳技術，裝置的功耗比較大，導致電池體積較大，超過3個月的運輸任務還必須加配電池盒。同時由于電池容量較大，成本也較高，不能航空托運和攜帶，對運輸監(jiān)測裝置的回收造成了一定困難。

（5）在實際的運輸過程中，沖擊記錄儀通常安裝在變壓器側面或頂部具有剛性固定連接點的位置。為避免單一沖擊記錄儀由于自身故障造成的沖擊數(shù)據(jù)錯誤，IEEE 標準PC57.150 建議每臺變壓器安裝多臺記錄儀，安裝點以對角線布置，從而達到最好的監(jiān)測和故障分析效果。但安裝位置的不同會使得同一振動源通過油箱傳遞到不同位置后信號也有差別，不同設備記錄的沖擊數(shù)據(jù)也會不同。

針對上述傳統(tǒng)離線方案和現(xiàn)有在線監(jiān)測方案存在的應用問題，作者設計了一種分布式多態(tài)多點的變壓器運輸狀態(tài)在線監(jiān)測裝置及系統(tǒng)的改進方案，如圖1所示。該方案采用了先進的電力物聯(lián)網(wǎng)、高精度傳感、低功耗處理以及云平臺技術，保證了大型變壓器運輸監(jiān)測的實時性、準確性以及監(jiān)測裝置的可靠性，并通過實際項目應用，驗證了方案的優(yōu)點及其有效性。

圖1 變壓器運輸狀態(tài)分布式多態(tài)多點監(jiān)測系統(tǒng)圖

2 變壓器運輸狀態(tài)分布式多態(tài)多點監(jiān)測方案

大型變壓器運輸狀態(tài)分布式多態(tài)多點監(jiān)測方案采用3 層框架結構設計如圖2所示。

圖2 分布式多臺多點監(jiān)測系統(tǒng)架構圖

（1）采集終端。主要安裝在變壓器本體上用于采集一種或多種變壓器運輸狀態(tài)信號，包括三軸沖擊加速度、傾角、溫濕度以及氮氣壓力信號等。采集終端采用了微功耗傳感器，取消了GPS 定位功能，并且通信用Lora 物聯(lián)網(wǎng)通信替代GPRS/3G/4G通信，終端整體功耗有很大優(yōu)化，鋰電池容量和終端體積都大幅減小，成本也大大降低，一臺變壓器可以配置多個采集終端，可以靈活方便地在變壓器多點安裝并實現(xiàn)多狀態(tài)監(jiān)測。一個采集終端的體積為長120 mm、寬120 mm、高70 mm，外形結構如圖3所示。

圖3 采集終端外形結構圖

圖4 子站模塊外形結構圖

（2）子站模塊。主要功能包括通過GPS 定位獲取變壓器運輸速度和位置信息，通過Lora 物聯(lián)網(wǎng)通信接口獲取多個采集終端的其他運輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)匯集后通過GPRS/3G/4G 無線通信將數(shù)據(jù)遠傳。由于要支持GPS 定位和GPRS/3G/4G 通信，子站模塊的功耗較大，但因為支持Lora 無線通信，可以將模塊安裝在運輸車輛或船舶上具備電源的位置如駕駛室，通過外接電源保證不間斷運行時間，這樣也可以大大減小模塊內置的鋰電池容量和體積。一臺變壓器只配置一臺子站模塊。子站模塊體積為長290 mm、寬190 mm、高90 mm，外形結構如圖4所示。

（3）中心主站。主要功能通過GPRS/3G/4G通信接受各個運輸任務所配置的子站模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)并進行管理以及數(shù)據(jù)分析處理報警等。主站可以按管理要求配置相應云服務器并安裝運輸監(jiān)測系統(tǒng)平臺軟件，包括通信服務程序、應用服務程序以及移動APP服務程序。用戶可以通過WEB網(wǎng)頁方式訪問服務器進行監(jiān)控，也可同時通過移動終端如手機APP進行監(jiān)控。監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖5 中心主站監(jiān)控系統(tǒng)畫面圖

3 技術難點

3.1 Lora物聯(lián)網(wǎng)通信

Lora 物聯(lián)網(wǎng)通信技術是基于全球免費頻段的一種相對成熟且穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術，使用了特有的線性調頻擴頻技術，使其具備遠距離、高可靠性、低功耗特性，并且具備靈活的自組網(wǎng)特性，特別適用于分布式采集應用。

采用Lora 無線網(wǎng)絡作為采集終端與子站模塊直接的通信媒介，是由于無線方式相對于現(xiàn)場總線更便于變壓器運輸現(xiàn)場部署實施。同時37.5 kb/s 通信數(shù)據(jù)帶寬也能夠滿足變壓器運輸狀態(tài)監(jiān)測的應用要求。

Lora通信模塊功耗低，待機功耗達到μA 等級，完全滿足無源運輸監(jiān)測終端的低功耗要求。同時Lora 通信信號覆蓋廣、通過性強，在空曠地帶能夠達到2 km的通信半徑，能夠滿足分布式變壓器運輸監(jiān)測系統(tǒng)應用的信號穩(wěn)定性。甚至在海運過程中可以將子站模塊安裝在主控室接入船運網(wǎng)，實現(xiàn)在海運過程中的信號實時在線傳輸，盡可能避免了海運過程中的監(jiān)控盲區(qū)。

為了在保證通信質量的情況下同時具備低功耗和低成本的特性，設計采用點對點通信的方式，子站模塊作為主機負責協(xié)調與采集終端從機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)同步和通訊休眠。

3.2 低功耗設計

由于變壓器運輸監(jiān)測的特殊性，監(jiān)測終端需要與變壓器本體固定在一起，必須采用內部電池供電。為了保證足夠的工作時間，運行低功耗是監(jiān)測終端的關鍵指標，需要從硬件及軟件方面共同采取低功耗設計方法。

CPU 選用NXP 公司低功耗M4 處理器MK22FN512，工作電流10 mA。

GPRS 模塊選用SIMCOM 公司的SIM800C，采用4 V 供電，正常功耗20 mA，通訊模式下平均120 mA。GPS 模塊選用MAX7Q，采用3.3 V 供電，正常模式下工作電流為30 mA，低功耗工作模式下7 mA。

其余壓力傳感器、溫濕度傳感器以及加速度傳感器均選用微功耗傳感器，整體工作電流為5 mA。

同時采集終端采用低功耗電源管理模式，處理器能夠對各個功能模塊的電源進行控制，從而保證在空閑狀態(tài)下裝置整體的微功耗運行。

對于采集終端的低功耗設計只需要考慮傳感器電路以及CPU、Lora通信功耗，經(jīng)設計和實際測算，采集終端功耗運行是平均功耗13 mA，選用30 VAh容量的鋰電池。

對于子站模塊的低功耗設計需要考慮CPU、GPS 模塊以及GPRS/3G/4G模塊和Lora通信功耗，在外接電源失效的情況下必須能支持半個月的電池供電，經(jīng)設計和實際測算，采集終端功耗40 mA，選用100 VAh容量的鋰電池。

由于在實際運行過程中會遇到低溫或者高溫的情況，設計中選擇的電池類型應能夠滿足實際情況的溫度范圍，電池組容量能夠保證在該溫度范圍內的待機時間。

3.3 振動數(shù)據(jù)處理

在變壓器運輸過程中，沖擊振動不是單一頻率的。復雜的運輸環(huán)境經(jīng)常會產(chǎn)生由不同頻率不同振幅的組合振動。通常，公路運輸?shù)恼駝宇l率范圍在3～350 Hz，船舶運輸?shù)恼駝宇l率范圍在2～30 Hz，鐵路運輸?shù)恼駝宇l率范圍在2～500 Hz，而變壓器在裝卸和吊運過程中的振動頻率范圍在2～20 Hz。

變壓器的沖擊受損程度取決于其材料特性、質量、體積、設計和生產(chǎn)工藝。由于變壓器的體積和價格，不可能用標準的墜落或沖擊測試試驗來建立沖擊損害數(shù)據(jù)庫。通過基于沖擊響應譜分析方法（RSMA）的有限元仿真分析（FEA）[4]可以理論上計算損害性。評估變壓器沖擊損傷最合理的方式就是用實際記錄數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，并用仿真方法來確定某一種特定設計的變壓器的平均損害性。根據(jù)已有經(jīng)驗數(shù)據(jù)，重量超過100 t的大型變壓器受到?jīng)_擊損害的振動頻率范圍在2～30 Hz頻帶，而振幅范圍在2.5g～8.0g。

由于變壓器運輸過程可能發(fā)生的沖擊振動信號頻率范圍為2～500 Hz，采樣頻率選為1.6 kHz，為有效監(jiān)測變壓器沖擊受損程度，采樣范圍選為±8g，分辨率0.1g，采樣精度±10%，原始采樣數(shù)據(jù)用三階巴特沃茲算法進行高頻濾波，截止頻率選為30 Hz，濾波后的振動數(shù)據(jù)按照振幅峰值進行越限判斷和告警，越限閥值可設定，通常取1.0g 作為預警閥值，3.0g 作為告警閥值。同時裝置可以將沖擊振動超標時刻的波形數(shù)據(jù)記錄下來用于后期故障分析。

4 結束語

變壓器運輸分布式多態(tài)多點監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某超高壓輸電工程的500 kV 變壓器實際運輸中進行了實際應用，效果良好，實現(xiàn)了運輸全過程狀態(tài)在線監(jiān)測，能對運輸全過程進行實時跟蹤報警。該工程的變壓器運輸工況有以下幾個特點，充分檢驗了監(jiān)測系統(tǒng)的實用性和可靠性。

（1）運輸過程涉及公路鐵路及海運等多種運輸方式；

（2）運輸里程長，路線全程大于3000 km；

（3）海拔跨度大，運輸出發(fā)地與目的地之間海拔相差大于2400 m；

（4）運輸全程溫差大，從20～-20 ℃，運輸全程最高溫差在40 ℃。

（5）運輸全過程歷時43 天，行程超過3300 km，監(jiān)測數(shù)據(jù)30余萬條。

圖6 運輸軌跡圖

圖7 三軸沖擊加速度曲線

圖6～9所示分別為運輸任務的全程軌跡、三軸沖擊加速度曲線、運輸速度曲線以及加速度超標告警事件圖示。

圖8 運輸速度曲線

對本次運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得出以下結論。

（1）海上運輸，最高運輸速度為23 km/h；鐵路運輸，最高運輸速度為55 km/h；公路運輸，最高運輸速度為30.49 km/h。鐵路運輸速度相對海運較快。

（2）變壓器運輸過程三軸沖擊加速度受變壓器運輸速度變化影響大，在運輸速度快及變化較劇烈的鐵路運輸階段，變壓器所受沖擊加速度變化也相對較劇烈。

圖9 加速度超標告警事件

（3）本次運輸設定1g為沖擊加速度預警門檻，3g為沖擊加速度實際超標告警門檻。運輸過程中最大沖擊加速度為Z軸1.9g，發(fā)生在鐵路與公路運輸轉運時。

（4）變壓器運輸遠程監(jiān)測系統(tǒng)具備沖擊加速度告警事件推送和查詢追溯功能，可以第一時間對沖擊加速度超標事件進行告警處理和追溯分析。

通過方案的改進和實測應用，解決了傳統(tǒng)方案在工程應用中的不足和缺陷。該系統(tǒng)完善了針對電力建設中變壓器運輸?shù)男滦凸芸胤绞剑粌H可以用于變壓器電抗器本體運輸，也可以用于套管、互感器等大型電力設備的運輸，極大地提高了特高壓電力工程建設中大型設備的運輸安全和管理效率。