存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理

唐玉玲

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,武漢,430074)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備,其安全運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義,故電力變壓器都采用了多種保護(hù)措施[1,2].速動(dòng)壓力繼電器(SPR)是變壓器眾多保護(hù)設(shè)備之一,當(dāng)變壓器在運(yùn)行過程中由各種原因?qū)е聝?nèi)部發(fā)生放電,繼而引發(fā)電弧時(shí),變壓器油將產(chǎn)生大量氣體,使油箱內(nèi)壓力突增,SPR就是根據(jù)油箱內(nèi)油壓或氣壓的動(dòng)態(tài)增加速率進(jìn)行保護(hù),發(fā)出信號切斷變壓器運(yùn)行,防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大.國內(nèi)外都對速動(dòng)壓力繼電器進(jìn)行過研究和開發(fā),并取得了一系列成果和產(chǎn)品[3,4].但目前應(yīng)用的機(jī)械式速動(dòng)壓力繼電器存在諸如動(dòng)作特性調(diào)整不便,存在誤動(dòng)作,以及只能輸出開關(guān)量信號不能提供變壓器油壓的實(shí)時(shí)測量值等缺點(diǎn).

針對機(jī)械式速動(dòng)壓力繼電器的不足,本文設(shè)計(jì)了以微處理器為核心的存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng).其不僅提供多種開關(guān)量報(bào)警(高壓報(bào)警、低壓報(bào)警)或保護(hù)信號(油壓速動(dòng)保護(hù)),且可以實(shí)時(shí)檢測并長期存儲(U盤)變壓器油箱的壓力.配套設(shè)計(jì)了一套上位機(jī)軟件(變壓器油壓分析系統(tǒng)),可以完成數(shù)據(jù)的存儲、管理與分析.與機(jī)械式速動(dòng)壓力繼電器相比,數(shù)據(jù)存儲與處理能力是本系統(tǒng)最突出的特點(diǎn),本文將著重介紹整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理.

1 變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.為了適應(yīng)現(xiàn)場安裝條件,將系統(tǒng)分成探頭(安裝于變壓器油箱,即圖1中探頭板集成安裝在壓力傳感器金屬機(jī)殼內(nèi))和后端處理器(遠(yuǎn)離變壓器,可考慮與變壓器冷卻器控制箱或其他就地控制箱集成)兩部分,兩者之間用光纖傳輸.這樣可以保證信號通道不受變壓器的電磁干擾[5-6],且處理器與變壓器之間完全沒有電的聯(lián)系,進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全等級.光纖接口采用A gilen t Techno logies Inc的高性能HFBR-1521/HFBR-2521接頭[7].系統(tǒng)主要功能由后端處理器完成,后端處理器采用高性能單片機(jī)C8051F340.由于需要完成的功能比較復(fù)雜,且要求保護(hù)系統(tǒng)具備較好的實(shí)時(shí)性和可靠性,故按照功能又將后端處理器分成兩個(gè)部分:控制器和存儲器,采用雙單片機(jī)結(jié)構(gòu),兩片單片機(jī)之間采用I2C和串口(UART 0)兩種方式通信,使用冗余配置提高通信的可靠性.變壓器油壓數(shù)據(jù)以及速動(dòng)保護(hù)信號的動(dòng)作狀態(tài)存儲在U盤中,當(dāng)U盤未插入時(shí)(例如,更換U 盤)數(shù)據(jù)存入單片機(jī)RAM(緩沖區(qū)).本系統(tǒng)U SB接口電路采用了南京沁恒提供的U SB文件讀寫模塊,其與單片機(jī)之間以串口通信連接(使用單片機(jī)的UART 1).該模塊基于CH 375的U盤文件級子程序庫設(shè)計(jì),外圍電路精簡,性能價(jià)格比高.

圖1 變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 F ram ew o rk o f the o il p ressu re superviso ry and p ro tection system s fo r pow er transfo rm ers

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

在本系統(tǒng)中,將數(shù)據(jù)分成3種主要類型:測量數(shù)據(jù)、參數(shù)、速動(dòng)油壓保護(hù)信號的狀態(tài).系統(tǒng)參數(shù)需要掉電保存,將其全部存入C8051F340的FL A SH中(C8051F340片內(nèi)具有64KB FLA SH存儲器).測量數(shù)據(jù)是通過光纖傳輸、頻率測量以及標(biāo)度變換處理后的變壓器油壓測量值.測量數(shù)據(jù)可以傳送到上位機(jī)繪制實(shí)時(shí)曲線并傳送到存儲器進(jìn)行長期保存.速動(dòng)油壓保護(hù)信號的狀態(tài)則由控制器根據(jù)油壓增加速率來確定.

2.2 下位機(jī)數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)各存儲區(qū)以及數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖2所示.探頭板將壓力傳感器信號變換成頻率后通過光纖傳輸?shù)娇刂破?控制器采用測周期的方法測量頻率,頻率測量值標(biāo)度變換(變換系數(shù)存儲在FLA SH)后即得油壓.從圖2可以可看出,為了便于調(diào)試,若上位機(jī)通過RS232與控制器連接,則油壓數(shù)據(jù)可以傳送到油壓分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線模塊繪制實(shí)時(shí)曲線.數(shù)據(jù)還通過I2C或UART傳送到存儲器.若U盤插入存儲器或當(dāng)前時(shí)間為00:00:00(即每天自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)文件),則存儲器在U盤中自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件(＊.TXT),并將油壓數(shù)據(jù)和速動(dòng)保護(hù)信號保存在數(shù)據(jù)文件中.若沒有U盤連接,則將數(shù)據(jù)和保護(hù)信號寫入緩沖區(qū),緩沖區(qū)構(gòu)建于單片機(jī)的RAM中(C8051F340片內(nèi)具有4KB RAM).緩沖區(qū)采用循環(huán)存儲方式,若數(shù)據(jù)量大于緩沖區(qū)上限則最早的數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋.當(dāng)U盤插入后緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)入U(xiǎn)盤數(shù)據(jù)文件.

U盤數(shù)據(jù)文件采用便于處理和閱讀的＊.TXT文件格式,數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)系簡圖Fig.2 D iagram of the data relationsh ip

文件第1行以“[BEG IN]”開始,以下各行每個(gè)部分以“;”隔開.例如,第2行依次保存變壓器編號、油壓高報(bào)警值、油壓低報(bào)警值、存儲間隔(m s)、文件建立日期、時(shí)間.從第3行開始保存數(shù)據(jù),每行保存壓力值、速動(dòng)壓力保護(hù)信號動(dòng)作狀態(tài)(0-未動(dòng)作;1-動(dòng)作)以及保存時(shí)間間隔.文件名為變壓器編號的首字符加上000～999的序數(shù).例如,若變壓器編號為“BYQ 1”,則文件名為B 000.TXT～B 999.TXT,故最多可以存儲1000個(gè)文件,若超過1000個(gè)文件還不更換U 盤,則舊文件就會(huì)被覆蓋.

圖3 數(shù)據(jù)文件格式Fig.3 Fo rm atof the data files

為了提高靈活性,便于使用,系統(tǒng)設(shè)置了一系列參數(shù):傳感器測量上/下限、變壓器編號、高/低報(bào)警值、存儲死區(qū)、秒/分鐘/小時(shí)、日期/星期/月/年.最后兩個(gè)參數(shù)用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302的時(shí)間設(shè)置.參數(shù)保存在FLA SH 中,當(dāng)上位機(jī)與控制器連接(RS232)時(shí),可以采用油壓分析系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置模塊對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行查詢和設(shè)置.油壓速動(dòng)保護(hù)是系統(tǒng)輸出中最重要的信號,它根據(jù)油壓上升速率設(shè)置其動(dòng)作的延時(shí)時(shí)間.其動(dòng)作特性按照表1進(jìn)行整定.

表1 油壓速動(dòng)保護(hù)信號動(dòng)作特性Tab.1 Operating characteristics o f p ro tection signalo f sudden o ilp ressu re

為了減少數(shù)據(jù)存儲量,在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時(shí)進(jìn)行如下壓縮處理:判斷當(dāng)前值與上次存儲數(shù)據(jù)值之間差值的絕對值是否大于存儲死區(qū)(即“例外報(bào)告”,死區(qū)大小可在線設(shè)置),若小于則不存儲當(dāng)前數(shù)據(jù),反之則存儲;若未存儲次數(shù)＞9,即使差值絕對值在死區(qū)內(nèi)也需要存儲當(dāng)前值,以防止由于數(shù)據(jù)的緩慢變化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真.

2.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)管理

變壓器油壓分析系統(tǒng)以ACCESS數(shù)據(jù)庫為核心.為了能處理多臺變壓器數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了BYQ IN FO表格用于存儲變壓器信息,其字段包括變壓器編號、油壓高報(bào)警值、油壓低報(bào)警值以及變壓器描述,每臺變壓器保存為一條記錄.表格DB IN FO用于管理導(dǎo)入數(shù)據(jù)的信息,字段包括變壓器編號、數(shù)據(jù)表名稱、數(shù)據(jù)文件名稱、數(shù)據(jù)文件建立日期、數(shù)據(jù)文件建立時(shí)間、數(shù)據(jù)保存周期、備注.每導(dǎo)入一個(gè)數(shù)據(jù)文件增加一條記錄,BYQ IN FO與DB IN FO 之間以“變壓器編號”字段進(jìn)行關(guān)聯(lián).具體油壓測量數(shù)據(jù)也采用表格來存儲,字段包括編號、壓力數(shù)據(jù)、速動(dòng)保護(hù)信號狀態(tài)以及存儲間隔.每個(gè)文件對應(yīng)一個(gè)表格,這類表格自動(dòng)生成.以變壓器編號以及數(shù)據(jù)文件的生成日期聯(lián)合產(chǎn)生表格名稱,例如,表格名稱BYQ 12008-11-11,其中BYQ 1是變壓器編號,2008-11-11為文件產(chǎn)生日期.DB IN FO中數(shù)據(jù)表名稱字段與此數(shù)據(jù)表名稱對應(yīng).當(dāng)U 盤中的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入時(shí),一方面將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)表格,另外還將數(shù)據(jù)文件備份到系統(tǒng)的指定目錄下,DB IN FO數(shù)據(jù)文件名稱字段則與此文件名對應(yīng).變壓器油壓分析系統(tǒng)用D elph i開發(fā)完成,采用ADO 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作,新建數(shù)據(jù)表格的程序代碼如下:

針對存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),上位機(jī)軟件提供了豐富的工具和友好的界面,如圖4所示.以樹形列表管理變壓器和數(shù)據(jù);以曲線和表格回放、分析油壓數(shù)據(jù);為曲線分析提供了放大、平移、指針、測距等工具,且油壓速動(dòng)保護(hù)信號的動(dòng)作和復(fù)位時(shí)刻會(huì)在曲線上標(biāo)示出來.

圖4 變壓器油壓分析系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Experim en tal cu rve from the o ilp ressure analysis system fo r pow er transfo rm er

3 系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)計(jì)完成的存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了各項(xiàng)測試,獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果.圖4所示為系統(tǒng)在壓力實(shí)驗(yàn)臺上測試時(shí)所保存的數(shù)據(jù)文件在分析系統(tǒng)中回放所得的曲線.可以看出,壓力實(shí)驗(yàn)臺產(chǎn)生的壓力飛升引起了速動(dòng)保護(hù)保護(hù)信號動(dòng)作,動(dòng)作點(diǎn)和信號復(fù)位在曲線中分別用豎線“動(dòng)作”和“復(fù)位”標(biāo)出.系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了日志文件,將系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要操作和錯(cuò)誤信息記錄下來.經(jīng)過驗(yàn)證,本文設(shè)計(jì)的存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求和可靠性指標(biāo),目前已經(jīng)開始應(yīng)用在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場.

在實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)對U盤容量的限制,這是由于使用南京沁恒U盤文件模塊對U盤進(jìn)行操作,其對U盤的容量限制在1GB以內(nèi).但針對本系統(tǒng)的具體應(yīng)用,1GB的容量已經(jīng)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足存儲要求.

4 結(jié)語

油壓速動(dòng)保護(hù)對大型電力變壓器具有很大意義,但當(dāng)前應(yīng)用的機(jī)械式速動(dòng)油壓繼電器在使用中存在一些局限性.本文設(shè)計(jì)的存儲式變壓器油壓監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)在功能上超越了機(jī)械式速動(dòng)油壓繼電器,除了具有最基本的油壓速動(dòng)保護(hù)功能外,還能進(jìn)行高/低壓報(bào)警,并能長期存儲油壓測量數(shù)據(jù).系統(tǒng)選用應(yīng)用廣泛、方便的U盤為存儲介質(zhì),順應(yīng)了技術(shù)的最新發(fā)展.采用便于操作和直觀閱讀的＊.TXT文件,數(shù)據(jù)格式簡單明朗.上位機(jī)以數(shù)據(jù)庫為手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理,可借助數(shù)據(jù)庫的操作方便性,增加系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的管理和分析能力.系統(tǒng)的成功應(yīng)用將為現(xiàn)場技術(shù)人員提供又一了解變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要信息源.還可以將變壓器油壓與溶解氣體分析(DGA)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,為變壓器故障診斷和分析提供更準(zhǔn)確的依據(jù).

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