基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计

基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计李晓兰１，黄海２，陈祥献２，吕振肃１（１．兰州大学信息科学工程学院，甘肃兰州７３００００；2.浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江杭州310027）摘要：介绍了一个基于振动法的、用于检测电力变压器故障原因的在线监测系统。关键词：电力变压器；振动法；在线监测中图分类号：TM４０６文献标识码：B文章编号：１００１－８４２５（２００８）１２－００６０－０５DesignofOn－LineMonitoringSystemforPowerTransformerBasedonVibrationAnalysisMethodLIXiao蛳lan１,HUANGHai２,CHENXiang蛳xian２,LUZhen蛳su１（１．LanzhouUniversity,Lanzhou７３００００,China;２．ZhejiangUniversity,Hangzhou３１００２７,China）Abstract：Theon－linemonitoringsystemtobeusedtodetectpowertransformerfaultsbasedonvibrationanalysismethodispresented．Keywords：Powertransformer；Vibrationanalysismethod；On－linemonitoring1引言在电力系统的各种设备中，变压器是主要的设备之一，其安全运行对于保证电力设备可靠运行意义重大。１９９０年～２０００年，通过对１１０kV以上电压等级电力变压器的统计分析结果表明，变压器故障中绕组、铁心和有载分接开关（OLTC）的故障分别占总故障数的３７．５％、２１．７％和１２．４％。三项故障总和达到７１．６％，它们是变压器发生故障的主要部件。变压器检测技术分为离线检测和在线监测两种。离线检测主要采用事后维修和预防维修两种方式，容易造成“亡羊补牢”和“过度维修”，从而造成不必要的人力和物力的耗损，所以近年来国内外主要研究都趋向于在线监测的方式。目前变压器在线监测的主要方法有：短路电抗法、传递函数法、声强法、油样气相色谱法和振动分析法等。振动分析法主要是通过分析固定在变压器油箱表面的振动传感器的信号变化，来监测变压器内部铁心和绕组的压紧状况、位移及变形状态。由于振动分析法简单，不需要电气连接，对电力系统的正常运转无影响而且安全可靠，因而是当前变压器在线监测系统研究的主要方法之一。从俄罗斯６０多台大型电力变压器的现场监测结果来看，有１２台变压器的振动监测方法结果与实际情况几乎一致，准确率达到８０％～９０％，再一次验证了振动分析法用于变压器在线监测和故障振动系统的可行性与可靠性。但是目前用于电力变压器的在线监测系统存在一些不足和局限，主要表现在：变压器建模侧重于电气参数，缺乏对机械结构参数的研究；监测参数不全面，除了电压、电流外，温度、OLTC的状态和油泵及风扇开启时的振动都会使总振动信号发生变化；传统信号分析方法以傅立叶分析法为基础，对非平稳振动信号的分析存在缺陷；目前绝大部分变压器振动系统都是在试验室环境下测试的，缺乏实际现场适用性与可靠性的检验。基于上述原因，笔者设计了用于现场的、参数包括振动、电压、电流、温度以及开关量的较为完整的变压器在线监测与诊断系统TCMS。系统包括下位机分析监测、基金项目：宁波市科技攻关资助项目（２００７B１０００７）第45卷第12期2008年12月TRANSFORMERVol．４５DecemberNo．１２２００８李晓兰、黄海、陈祥献：基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计第12期上位机分析诊断两大部分，结合最新的数值分析方法较为全面的对变压器振动信号进行分析。2TCMS系统结构为了完整地建模并分析变压器振动信号的产生、传递和影响因素，系统中所采集的监测参数除了最主要的油箱表面振动外，还包括电压、电流、温度和开关量等参数。首先，在油箱表面选取合适的测点。对于三相变压器，每个铁心对应处最能够反映出铁心和绕组的振动。因此，在油箱底部铁心正对的位置各放置一个磁座ICP压电传感器（共３个），分别检测变压器铁心和绕组的振动。系统预留１路传感器通道，可选择变压器油箱侧面或其他感兴趣的测点提取振动信号。振动传感器获得的加速度信号经过信号分离、放大和抗混叠滤波处理，通过A／D模块进行数字采样，最后交付CPU模块进行处理。鉴于各相电压、电流相对位置的差别对绕组和铁心的振动信号的影响，在变压器高压侧分别对三相电压、电流进行监测，同时系统各预留１路电压、电流测量通道。４路电压和４路电流信号通过互感器以及信号调理电路，输入到A／D模块进行波形采样；温度传感器采用PT－１００的标准热敏电阻用来检测变压器冷冻油箱温度，通过相应的调理电路后输入到A／D模块；８路开关量主要测试油泵、风扇以及OLTC的状态，直接由数据采集模块数字I／O中读出。整个系统的结构如图１所示。A／D模块获得的数据由CPU进行数据处理，通过液晶显示屏初步显示变压器各个参数的信息并做出简单的状态诊断，最后通过RS－２３２、Ethernet、GPRS或PSTN把处理获得的数据及异常信息发送给上位机。上位机利用LabVIEW软件作进一步的分析处理，最终得到变压器的运行状况。同时上位机根据分析的结果动态的改变TCMS监测的各个阈值，整个系统具有灵活性。TCMS前置机使用于现场环境，要求可靠性高。系统硬件核心部分选择具有工业级标准的PC／１０４模块。其中CPU模块选用台湾某公司生产的基于X８６架构的PCM－３３５０，其主要特性为：板载低功耗NSGX１CPU(时钟频率为３００MHz)；支持CFCSSD固态电子盘；简单稳定，可无风扇工作；支持Win-dowsCE操作系统；支持１０／１００M高速以太网；支持１８－bitTFTLCD显示。数据采集模块选用研华公司的数据采集卡PCM－３７１８H，采用DMA模式时采样频率可高达１００kHz，可用输入模拟量通道为１６路，１２位A／D转换精度，模块内含两个八位数字I／O通道用于数字量采集。3TCMS系统设计及功能概述３．１前置机软件设计及系统功能前置机系统是整个TCMS系统的核心部分，考虑到实时性因素，采用WindowsCE操作系统以及多线程模式开发。软件流程图如图２所示，共分为四个线程。采样线程完成系统采样、数据处理以及存储工作，优先级最高；MFC界面线程负责显示采样线程处理后的结果以及接受系统消息，优先级居中；通讯线程完成与上位机通讯数据的接受与传送，目前暂定串口与网络两个线程，优先级较低。TCMS系统在变压器正常运行时实时提供当前变压器运行的状态信息，包括采样直接获得的动态数据和经过数值分析得到的静态数据。动态数据包括加速度信号和电压电流信号的实时波形；静态数据包括加速度信号峰峰值、有效值、基频１００Hz到８００Hz各次谐波幅值、电压电流和温度的有效值以及变压器当前所有开关量。TCMS前置机采样频率设定为４kHz，每隔１０s采样一次，每次采样时间持续１s。前置机显示部分通过棒图４路加速信号……４路电压４路电流……１路温度信号……８路开关信号加速度调理电压电流信号调理温度信号调理开关量调理模拟信号转换信号A／D电源模块CPU显示模块RS－２３２EthernetGPRSPSTN通讯模块图１TCMS系统架构Fig．１BlocksofTCMSsystem61第45卷数据的形式直观地显示静态数据的实时变化，随着１０s采样数据更新，显示界面实时更新相应的数值，通过观察液晶显示界面，可以直观的对当前变压器运行状态做出诊断。当变压器发生故障时，TCMS具有越值报警和事故追忆两大功能。根据试验测试与实际变压器的研究结果设定报警阈值，若当前采集获得的信号经过数据处理后振动峰峰值超过阈值，则系统自动报警，TCMS前置机显示界面变为红色。除此之外，系统自动记录报警前后各１５０s内报警测点的振动、电压电流的波形数据及处理后获得的静态数据。此次报警作为一个事件被记录，上位机提取前置机保存的报警信息并进行数据处理，分析事故原因。TCMS前置机对每个测点的所有静态数据都提供趋势分析功能。趋势数据包括５min内变化的实时趋势，以及天趋势和年趋势三种。上位机可以实时提取最新趋势数据，对趋势数据分析可以获得短期和长期变压器运行的状态变化，并以此推断变压器寿命、诊断故障部件等。３．２上位机系统功能TCMS上位机系统采用NI公司的LabVIEW软件设计编写，支持网络以及串口通讯两种方式与下位机通讯，扩展可加入GPRS和PSTN通讯方式。目前，上位机能够提取下位机处理获得的动态数据、静态数据、趋势数据和报警数据并以波形的形式显示，并进行简单的频谱分析。上位机软件具有完善的文档管理功能，可以冻结当前波形，存储用户感兴趣的内容，根据需要随意放大或缩小图形，随意选择感兴趣的通道进行对比。除此之外，上位机通过与前置机通讯，能够动态的改变前置机的系统参数，包括报警阈值、显示灵敏度，还可以对下位机系统远程校时、IP设定，以适应不同环境不同变压器的要求。对于变压器诊断模型的建立以及具体信号分析的方法，有另外的小组专门负责。后续工作上位机可加入功率谱分析、倒谱分析、小波分析以及用于非线性、非稳定信号的最新的Hilbert－Huang变换，实时分析变压器当前运行状态，并对故障产生的原因给出结论。4系统结果图３是TCMS前置机系统实物图。整个系统放置在铝制容器中，用金属盖封顶。图中从下往上看主图２前置机各线程流程图Fig．２Lineflowdiagramoffrontcomputer采样采样线程４路振动，４路电压，４路电流，１路温度，８路开关量采样值数据处理进入报警时间记录状态报警次数清０MFC界面线程通讯线程１等待上位机通讯？判断需要发送数据类型发送数据通讯线程２等待上位机通讯？判断需要发送数据类型发送数据初始化界面初始化设备开启各个通讯线程开始等待更新显示界面开启采样线程１０s定时时间到？天趋势数据结束采样线程计算年趋势天趋势次数％２＝０？天趋势次数自加１采样数清０计算天趋势振动P－P连续三次大于阈值振动P－P＆RMS电压电流RMS温度中值数字量开／关年趋势数据实时趋势次数＝３０？计算实时趋势实时趋势点数自加报警数据YYNNYNYNYNY62李晓兰、黄海、陈祥献：基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计第12期要分为模拟信号接口、数字信号接口、信号调理电路、通讯接口、数据采集模块和CPU模块，以及正上方的液晶显示界面。当前显示结果为变压器报警时工作界面图。变压器正常工作时，界面为蓝色；发生故障后，界面转为红色。整个显示界面包括变压器振动信号峰峰值、有效值、基频及各次谐波幅值、电压有效值、电流有效值以及油泵、风扇和OLTC当前开关状态。四个通道交替显示，１０s更新显示通道。上位机软件主要是显示从下位机提取出来的数据，振动、电压、电流通道任选其中四路观察。图４为上位机四通道实时波形图。这种上位机和下位机分离的方式以及通讯的灵活性便于远程监控变压器运行状态。考虑到散热性和电磁干扰（EMI），应把前置机放置在特制密封金属机箱里且做接地处理，只留信号接口与外界接触。因为系统硬件具有工业级标准，故整个系统适用于野外场所。5结束语本文中构建的变压器在线状态监测与故障诊断系统以振动信号为主要监测对象，结合电压、电流、温度和开关量等参量。硬件以嵌入式系统结构为平台，通过通讯与网络技术建立交互的控制分析环境，实时性高、可靠性较强。目前TCMS系统已用于变压器现场试验，实现对数据的采集与远程分析等功能，并能根据试验分析结果对变压器运行状态提供一定的诊断。参考文献：[１]胡勇，程蕾．大型电力变压器故障实例统计分析[J]．电力安全技术，２００３，３(５)：２０－２２．[２]PozaF，MarinoP，OteroS，etal．Programmableelectron-icinstrumentforconditionmonitoringofin－servicepowertransformers[J]．IEEETrans．Instru