舒 愷, 郭高鵬, 張 潔, 余萃卓, 胡 杰

(寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315000)

電力變壓器是從發(fā)電廠到變電站整個電網(wǎng)系統(tǒng)中的主要和關(guān)鍵的設(shè)備，其工作狀態(tài)的好壞關(guān)系到電網(wǎng)能否安全、平穩(wěn)地運行。如何對變壓器進行維護和監(jiān)測來避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，一直是變壓器在設(shè)計和使用中關(guān)注的重點。目前對變壓器進行在線監(jiān)測的主要方法包括溶解性氣體、熱成像和機械振動等，其中振動檢測法作為一種變壓器的體外檢測方法，與電力設(shè)備沒有直接的電氣連接，不會影響設(shè)備的運行，具有投入小和施工方便的優(yōu)勢，成為研究的熱點之一[1-3]。文獻[4]和文獻[5]采用數(shù)據(jù)采集卡的方案來采集變壓器振動信號，這種方案通信距離短且成本高，多用于實驗室研究，不太適合在實際工程項目中推廣應(yīng)用。筆者提出了一種由單片機控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多路振動信號進行就地轉(zhuǎn)換，然后通過以太網(wǎng)Modbus TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至遠端計算機，利用LabVIEW開發(fā)上位機軟件進行信號顯示和分析的變壓器振動信號數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

1 變壓器振動信號的特征分析

電力變壓器的振動主要來自鐵心振動和繞組振動，繞組變形和鐵心松動約占變壓器總故障的60%[6]。變壓器工作時繞組中通過電流，電磁感應(yīng)作用下的電磁力作用在線餅、線匝間使繞組產(chǎn)生振動。當(dāng)繞組發(fā)生變化如變形、移位時，會導(dǎo)致繞組振動的強度和特征發(fā)生變化。變壓器繞組可以等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，繞組的振動加速度和變壓器電流的平方成線性關(guān)系，振動頻率是電流頻率即工頻的2倍，為100 Hz。另外由于繞組的非線性，其穩(wěn)態(tài)解中含有二次和三次項等，因此繞組的振動頻率除基頻外還包括200 Hz、300 Hz等高次諧波[7]。變壓器的鐵心由于磁致伸縮效應(yīng)會引起振動，鐵心磁致伸縮變化頻率為磁場頻率的2倍[8]，所以鐵心振動的頻率是電流的2倍，即100 Hz。與繞組振動類似，由于非線性等原因，鐵心振動也會包含高次諧波。

鐵心和繞組的振動經(jīng)由支撐骨架和變壓器油等傳遞到變壓器外表面，由于機械系統(tǒng)的阻尼特性，較高頻率的高次諧波很難傳遞到變壓器外表面，能檢測到的振動信號多在2 kHz以內(nèi)，不同原理、不同個體的變壓器會有差異，更為普遍的振動信號在1 kHz以內(nèi)[9]。

2 需求分析和方案設(shè)計

針對變壓器振動信號的頻率范圍，根據(jù)采樣定理和充分還原信號細(xì)節(jié)的考慮，采樣倍率設(shè)為10倍。變壓器不同部位的振動信號頻率和相位也不盡相同，其相位關(guān)系包含了某些特征信息，因此需要采用同步方式采集多個位置的信號以便于分析振動信號之間的關(guān)系。

振動信號采用壓電加速度傳感器采集。除了振動信號外，變壓器負(fù)載和溫度等對振動信號也有影響，故將負(fù)載電流和溫度等參數(shù)一并采集。電流和溫度的傳感變送器市場上可選的成品較多，例如，模擬信號輸出的、采用RS485接口的等。為了簡化傳感器電路設(shè)計和適合現(xiàn)場的工作環(huán)境，選用基于RS485接口Modbus RTU協(xié)議的傳感變送器[10]。

壓電加速度傳感器輸出的信號為模擬式小信號，而變壓器工作時自身產(chǎn)生的電磁干擾及所處變電站、配電房等環(huán)境的電磁干擾均較為嚴(yán)重，如果直接將傳感器輸出的信號遠程傳送或簡單放大后傳送，容易耦合進來一些干擾信號導(dǎo)致采集信號失真。將傳感器的信號就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后進行遠程傳送能較好地解決長距離傳送過程中串?dāng)_和共模干擾的問題。

系統(tǒng)在現(xiàn)場將傳感器信號調(diào)理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，單片機控制ADC按一定的采樣率完成同步數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位計算機，利用上位計算機強大的計算能力進行信號分析和處理。上位計算機一般安放在中控室或機房，距離變壓器安裝位置通常有數(shù)百米的距離，兩者之間可采用RS485或以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)按10倍采樣率采集振動信號，每個數(shù)據(jù)為16位，1 s內(nèi)產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)簡單估算為4路(振動信號)×16位×2 k頻率×10倍采樣率+2路(電流和溫度)×16位×1 k頻率，對應(yīng)速度要求為1312 kbit/s?？紤]通信時添加的報頭、校驗碼和主從問答響應(yīng)時間等，預(yù)估至少需要2 Mbit/s的通信速率，這遠高于工程中RS485遠距離傳輸時的可靠通信速度，因此采用以太網(wǎng)通信更為可行。

考慮上位計算機信號處理軟件開發(fā)的方便和快捷，選用LabVIEW軟件進行開發(fā)。LabVIEW中的動態(tài)穩(wěn)定控制(Dynamic Stability Control,DSC)系統(tǒng)對Modbus TCP提供了較好的支持，單片機端對Modbus TCP提供一些庫，程序開發(fā)較為方便，因此綜合考慮通信速率和軟件開發(fā)的便捷性，最終確定采用以太網(wǎng)傳輸方式、Modbus TCP通信協(xié)議來實現(xiàn)單片機和上位計算機之間的通信。

根據(jù)上述分析，基于LabVIEW的變壓器振動信號數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端和遠端計算機2個部分，系統(tǒng)組成如圖1所示?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端由加速度傳感器與其供電恒流電路、濾波電路、ADC、單片機和網(wǎng)絡(luò)接口等組成，上位機運行基于LabVIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和分析軟件實現(xiàn)信號顯示、處理等功能。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 數(shù)據(jù)采集端電路設(shè)計

3.1 單片機的選擇

綜合考慮系統(tǒng)對網(wǎng)口等外設(shè)和計算能力的需求，選用STM32F407ZET6單片機。該單片機的主要資源有：ARM 32-bit Cortex-M4的CPU，主頻可達168 MHz，內(nèi)部集成512 KB的Flash存儲器、192 KB的SRAM存儲器，具有4個USART、1個10/100 M以太網(wǎng)MAC接口和3個交錯式12位ADC。

系統(tǒng)利用單片機STM32F407ZET6的2個USART外擴RS485接口電路分別連接電流傳感器和溫度變送器，以太網(wǎng)MAC接口經(jīng)RMII與以太網(wǎng)PHY層芯片連接實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。該單片機集成了12位ADC，從分辨率和轉(zhuǎn)換速度上可以滿足振動信號采集的要求，但不具有同步采集能力，因此采用外擴同步ADC的方法實現(xiàn)對振動信號傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.2 壓電加速度傳感器電路設(shè)計

根據(jù)變壓器振動信號的特征，選擇上海澄科電子科技有限公司的壓電加速度傳感器CT1050LC，其測量范圍為0～10g，使用頻率范圍為0.2～1500 Hz，靈敏度為500 mV/g。該傳感器內(nèi)部具有電荷放大器電路，其滿量程輸出接近5 V，因此無需專門添加放大電路。傳感器采用二線制形式，將恒流供電和信號輸出共用，具有信噪比高的特點，能滿足變壓器振動信號的采集需求。加速度傳感器CT1050LC需要采用2～10 mA恒流供電，由于現(xiàn)場電磁干擾，有可能會混入工頻信號和其他高頻干擾信號等，通過添加帶通濾波器將振動信號范圍之外的干擾信號加以濾除或降低。

壓電加速度傳感器恒流供電的目的是抑制傳感器輸出信號的溫漂，恒流源的精度直接影響傳感器輸出信號的準(zhǔn)確性[11]。采用LM334為主器件構(gòu)成恒流電路，傳感器恒流供電電路如圖2所示。LM334是三端可調(diào)恒流器件，可通過RV1設(shè)置其輸出電流。由于LM334具有正溫度系數(shù)(0.23 mV/℃)，因此通過在電路中添加負(fù)溫度系數(shù)的硅二極管IN457(-2.5 mV/℃)與LM334的正溫度系數(shù)效應(yīng)相互抵消從而維持輸出電流的恒定，此時RV2與RV1的阻值之比應(yīng)設(shè)為10左右。制作時因PCB制作和器件的個體差異等原因，需要微調(diào)RV1與RV2的阻值，經(jīng)實測獲得所需要的電流值，RV1與RV2應(yīng)選擇金屬薄膜等材質(zhì)的低溫漂系數(shù)電位器。

圖2 傳感器恒流供電電路

根據(jù)前述分析，為消除或降低工頻及高頻干擾，通過四階巴特沃茲帶通濾波器進行濾波，帶通濾波電路如圖3所示。圖3中以U2放大器為中心構(gòu)成的是低通濾波電路，以U3放大器為中心的是高通濾波電路。為簡化參數(shù)計算，參數(shù)計算時先大致選取電容值，低通濾波器選在數(shù)百pF，高通濾波器定在幾十nF，然后根據(jù)濾波器計算公式進行參數(shù)計算，實際調(diào)試時再進行微調(diào)。U2、U3選用放大器AD8610，其具有非常低的失調(diào)電壓、漂移和電流噪聲等特點，具有高輸入阻抗和高輸出驅(qū)動的能力，方便濾波器輸出和與ADC的連接。

圖3 帶通濾波電路

3.3 ADC采樣電路

根據(jù)振動信號的頻率范圍和采樣倍率要求，系統(tǒng)對ADC的采樣率要求為20 kS/s左右。綜合比較后選擇16位分辨率、200 kS/s采樣率的同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606-4實現(xiàn)變壓器振動信號的采集，其具有4個采樣通道，內(nèi)置電壓基準(zhǔn)源，能接受±5 V、±10 V的雙極性信號，具有輸入鉗位保護和高輸入阻抗的特點。

AD7606-4支持并口、SPI等接口方式連接，為了簡化程序設(shè)計、提高速度，采用并行連接的方式，AD7606-4通過FSMC總線與單片機連接，ADC接口電路如圖4所示。ADC電路采用內(nèi)置的電壓基準(zhǔn)，考慮振動信號的特點通過OS0、OS1、OS2引腳設(shè)置過采樣率為4，起到了均值濾波的效果，16位數(shù)據(jù)總線和讀寫等信號通過FSMC總線時序進行控制，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 ADC接口電路

3.4 網(wǎng)絡(luò)接口與電源電路

3.4.1 網(wǎng)絡(luò)接口電路

單片機STM32F407ZET6內(nèi)置以太網(wǎng)MAC層，因此只需添加PHY層芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)接口的擴展，網(wǎng)絡(luò)接口電路如圖5所示。LAN8720A芯片是10/100M以太網(wǎng)PHY層芯片，通過RMII接口與單片機連接，選用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器的收發(fā)端口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口[12]

圖5 以太網(wǎng)接口電路

3.4.2 電源電路

系統(tǒng)中單片機和以太網(wǎng)接口部分為3.3 V供電，模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要5 V供電，濾波器電路采用±12 V供電，RS485部分需要隔離的5 V供電，恒流電路要求18～28 V供電。考慮可靠性和設(shè)計的簡便性，設(shè)計的電源電路變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)過開關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換為DC 24 V后，還需要經(jīng)過后端各分支電源電路轉(zhuǎn)換為所需的電壓，其中DC/DC均采用帶穩(wěn)壓輸出的小功率成品電源模塊。DC/DC1為濾波電路提供正負(fù)電源；DC/DC2輸出5 V給ADC，并經(jīng)AMS1117-3.3線性穩(wěn)壓器LDO輸出3.3 V給單片機等數(shù)字電路供電；DC/DC3為帶隔離的變換模塊，給RS485接口電路供電；24 V經(jīng)LM78L18降壓穩(wěn)壓后輸出18 V給恒流電路供電。

圖6 電源變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為單片機和上位計算機2個部分，兩者之間通過Modbus TCP協(xié)議交換數(shù)據(jù)。Modbus TCP采用的是主從通信策略，需要由主設(shè)備對從設(shè)備發(fā)起通信要求，系統(tǒng)將上位計算機設(shè)為主機。單片機按一定的采樣間隔獲取振動、電流和溫度等數(shù)值后，存放在指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)，當(dāng)上位計算機發(fā)出數(shù)據(jù)請求時，單片機回傳對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

單片機軟件分解為3種子功能：① 對振動信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；② 通過Modbus RTU協(xié)議讀取溫度和電流數(shù)據(jù)；③ 響應(yīng)上位機數(shù)據(jù)請求進行Modbus TCP通信。單片機程序流程如圖7所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換需要對振動信號按固定的周期進行采集，通過設(shè)置單片機內(nèi)部的定時器定時觸發(fā)中斷達到按固定周期采樣的需求，模數(shù)轉(zhuǎn)換程序放入中斷服務(wù)程序中。由于單片機和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，系統(tǒng)實際也沒用到AD7606-4轉(zhuǎn)換器的速度上限，因此在2次采集之間有較多的空閑時間，為了保持振動信號和溫度電流信號的采集和振動信號基本同步采集，將溫度和電流的Modbus RTU采集程序也放置在中斷服務(wù)程序內(nèi)順序執(zhí)行。全部采集完成后，單片機將采集到的信號按4路振動信號、溫度和電流統(tǒng)一格式并按順序依次存儲這6個數(shù)據(jù)，上位計算機也按相同順序進行解析。由于上位計算機的Windows系統(tǒng)非實時操作系統(tǒng)，對下發(fā)送的Modbus TCP數(shù)據(jù)請求命令在時間上具有一定的不確定性，且Modbus協(xié)議允許一定的響應(yīng)時間，同時為了避免單片機多個子功能程序都在中斷模式下工作難以權(quán)衡優(yōu)先級的設(shè)定問題，令單片機端的Modbus TCP通信程序在查詢模式下工作。單片機和上位計算機之間的通信是為了實現(xiàn)現(xiàn)場振動信號和溫度等數(shù)據(jù)的讀取，因此采用Modbus功能碼0x04，當(dāng)上位計算機發(fā)送功能碼0x04后，單片機到固定存儲位置讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送給上位計算機。

圖7 單片機程序流程圖

上位計算機軟件采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器平臺進行開發(fā)，LabVIEW具有豐富的信號處理函數(shù)和模塊，與MATLAB等軟件調(diào)用也比較方便，有利于軟件的快速開發(fā)。基于LabVIEW的上位機程序后面板，信號采集程序框圖如圖8所示，上位機與單片機之間的通信通過LabVIEW中數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控(DSC)模塊中的Modbus TCP函數(shù)實現(xiàn)，將相關(guān)控件放入程序后面板，設(shè)置好IP地址、功能碼、起始地址和寄存器數(shù)量等參數(shù)即可完成通信模塊的配置。將通信部分獲取的數(shù)據(jù)按定義好的順序進行分離，由于溫度和電流信號采用的是商品化傳感變送器，無需進行進一步處理，因此直接接入顯示控件進行顯示。

圖8 信號采集程序框圖

為進一步降低振動信號中包含的干擾噪聲，系統(tǒng)采用小波閾值進行去噪。基本思路是通過小波分解的Mallat快速算法進行去噪，具體步驟為：信號產(chǎn)生的小波系數(shù)含有信號的重要信息，信號經(jīng)小波分解后小波系數(shù)較大，而噪聲的小波系數(shù)較小，并且噪聲的小波系數(shù)要小于信號的小波系數(shù)，選取一個合適的閾值，大于閾值的小波系數(shù)被認(rèn)為是由信號產(chǎn)生的，予以保留，小于閾值的則認(rèn)為是噪聲產(chǎn)生的，置為0從而達到降低干擾信號的目的。對一維信號的降噪過程可以分為 3個步驟：① 信號的小波分解：選擇1個小波并確定1個小波分解的層次n，然后對信號進行n層小波分解計算；② 小波分解高頻系數(shù)的閾值量化：對第1層到第n層的每一層高頻系數(shù)(3個方向)選擇1個閾值進行閾值量化處理；③ 信號的小波重構(gòu)：根據(jù)小波分解的第n層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第1層到第n層的高頻系數(shù)，進行信號的小波重構(gòu)[13]。

程序?qū)崿F(xiàn)時利用MATLAB軟件在算法設(shè)計上的優(yōu)勢，對小波去噪算法在MATLAB中進行設(shè)計和調(diào)試，然后在LabVIEW中調(diào)用MATLAB公式節(jié)點，實現(xiàn)對采集信號的降噪。對變壓器信號的分析和觀察除了時域外，還需要觀測其頻譜構(gòu)成，系統(tǒng)通過LabVIEW中的頻譜分析函數(shù)來實現(xiàn)對振動信號的幅度譜分析。

5 系統(tǒng)分析與測試

為了驗證系統(tǒng)硬件電路的可行性和軟件的邏輯功能是否達到預(yù)期，分別對各功能模塊進行了仿真分析和功能測試。通過單片機編程驗證了ADC數(shù)據(jù)的讀取和Modbus通信功能的可行。對濾波電路利用Proteus軟件進行了仿真，最終確定的參數(shù)如圖3所示，帶通濾波器的頻率響應(yīng)如圖9所示，當(dāng)?shù)陀?0 Hz和高于2.1 kHz時對應(yīng)的衰減約為-3 dB，與設(shè)計要求基本一致，能夠濾除工頻信號等低頻信號和高于變壓器振動信號頻率范圍的高頻信號。

圖9 帶通濾波器的頻率響應(yīng)

以SG三相干式隔離變壓器作為實驗對象進行了空載狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集實驗，采集數(shù)據(jù)的上位機軟件運行主界面如圖10所示。單路信號在MATLAB中的濾波前后對比效果如圖11所示。從圖11中可以看出，經(jīng)過小波濾波的信號尖峰干擾被部分減弱，趨勢曲線更為光滑，降噪效果明顯。該款變壓器的振動信號主要分布在100～700 Hz之間，其中以100 Hz和500 Hz為主。相比文獻[14]中的變壓器頻譜數(shù)據(jù)頻率分布偏高，分析其原因應(yīng)是變壓器種類不一樣，內(nèi)部填充物不同，因此對高頻信號的振動傳遞影響不同。

圖10 數(shù)據(jù)采集軟件主界面

圖11 單路振動信號小波濾波前后對比

6 結(jié)束語

提出了一種基于上下位機架構(gòu)的變壓器振動信號數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，單片機在變壓器工作現(xiàn)場負(fù)責(zé)采集振動、電流和溫度等信號，將模擬量信號就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，避免了信號在長距離傳輸過程中的失真。經(jīng)以太網(wǎng)口Modbus TCP協(xié)議和上位機通信，上位機采用LabVIEW開發(fā)了數(shù)據(jù)采集和分析軟件，實現(xiàn)了變壓器振動信號等多個數(shù)據(jù)的實時顯示、濾波處理和頻譜分析等功能。通過仿真和實測證明，該系統(tǒng)能夠較好地完成變壓器振動信號和環(huán)境參數(shù)的采集和分析，精度、速度和采集帶寬能滿足變壓器振動信號的采集指標(biāo)需求。筆者采用模塊化的設(shè)計思路，從工程化的角度構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)，相對于目前多數(shù)利用數(shù)據(jù)采集卡的方案，該系統(tǒng)具有成本低、受干擾小和更利于遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，有利于在工程上推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)在功能上，尤其是上位機軟件部分還存在進一步研究和開發(fā)的空間。如果在獲得較多的實際運行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對變壓器振動信號的特征、機理進行分析，開展故障判別和趨勢預(yù)測方面的研究，實現(xiàn)對變壓器運行狀態(tài)的評估等功能，將會進一步提升系統(tǒng)的實用價值。