城市軌道交通主變電所主變壓器鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

代文平，汪秋賓，賀 毅

（四川艾德瑞電氣有限公司，四川成都 610031）

0 引言

城市軌道交通主變電所作為地鐵線路的總變電所，承擔(dān)整條地鐵線路的電力負(fù)荷用電。主變壓器作為主變電所的核心電氣設(shè)備，其正常運(yùn)行要求鐵芯/夾件單點(diǎn)接地，當(dāng)出現(xiàn)多點(diǎn)接地，會嚴(yán)重影響城市軌道交通運(yùn)行安全[1-2]。國內(nèi)外近年來對變壓器鐵芯接地監(jiān)測技術(shù)展開了大量研究[3-7]，但存在測量精度及時效性差等問題。研究表明，鐵芯的故障大部分是由于鐵芯/夾件多點(diǎn)接地引起的[8]。目前，對城市軌道交通主變壓器的鐵芯接地電流監(jiān)測技術(shù)仍處于一片空白，因此，本文提出一種適用于城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)，對變壓器鐵芯接地故障檢測技術(shù)的研究具有重大意義[9]。

1 主變壓器鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)采用過程層、云端層和站控層的?3?層架構(gòu)方式，主要由監(jiān)測電子設(shè)備（監(jiān)測?IED）、云服務(wù)器、Web?應(yīng)用服務(wù)器、通信鏈路及監(jiān)測軟件構(gòu)成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖?1?所示。

圖1 主變壓器鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）過程層。監(jiān)測?IED?就地化設(shè)置在主變壓器的鐵芯接地點(diǎn)附近，完成鐵芯接地電流的采集和處理，并通過?GPRS?的傳輸方式，將采集的電流數(shù)據(jù)通過移動基站傳送給云服務(wù)器。

（2）云端層。接收由監(jiān)測?IED?發(fā)送的鐵芯電流數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存。

（3）站控層。通過電腦或手持式設(shè)備終端等設(shè)備登錄?WEB?應(yīng)用服務(wù)器，完成電流數(shù)據(jù)的訪問。

該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離傳輸、組網(wǎng)方式靈活、功能擴(kuò)展方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可同時監(jiān)測多個主變電所的主變壓器鐵芯接地電流，實(shí)現(xiàn)對主變壓器的實(shí)時監(jiān)測和運(yùn)行狀態(tài)控制，大大降低運(yùn)維人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由高精度單匝穿芯式傳感器、電源模塊、模擬信號處理模塊、模擬信號采集模塊、數(shù)字信號處理和通信管理模塊、GPRS?通信模塊和?RS485?通信模塊組成，其硬件框圖如圖?2?所示。

圖2 主變壓器的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

1.2.1 電源模塊

由于監(jiān)測?IED?采用就地化安裝，因此電源設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮電磁干擾（EMI）和電磁耐受（EMS）2?個方面的因素。電源模塊采用高性能的模塊化小型結(jié)構(gòu)，選型應(yīng)滿足DL/T?1498.2-2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范第一部分?1：通則》中功耗、電磁兼容（EMC）等項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)要求。

1.2.2 高精度單匝穿芯式傳感器

高精度單匝穿芯式傳感器作為監(jiān)測本體取樣的接口元件，在設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮不影響監(jiān)測本體的安全運(yùn)行，選型應(yīng)滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范第一部分1：通則》中精度、溫度及?EMC等項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)要求。

1.2.3 模擬信號處理模塊和采集模塊

模擬信號處理模塊應(yīng)采用高精度、高輸入阻抗、低漂移阻抗單元的集成運(yùn)算放大器，保證小電流和大電流信號的精度，避免由于傳感器線性度不高造成的誤差增大。采集模塊在電路設(shè)計(jì)時應(yīng)與傳感器特性及處理模塊電路配合，保證滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范第一部分?1：通則》中相關(guān)的精度要求。

1.2.4 數(shù)字信號處理和通信管理模塊

數(shù)字信號處理和通信管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)運(yùn)算和通信管理。數(shù)據(jù)運(yùn)算采用非遞歸型濾波器（FIR）高階低通數(shù)字濾波器和離散傅氏變換的快速算法（FFT分析算法），實(shí)時計(jì)算鐵芯接地電流及其諧波電流。數(shù)據(jù)計(jì)算完成后通過?GPRS?模塊上傳數(shù)據(jù)至云平臺服務(wù)器，也可由?RS485?接口采用?MODBUS?協(xié)議傳到當(dāng)?shù)?IED?或數(shù)據(jù)后臺。

1.2.5 GPRS 通信模塊

GPRS?通信模塊將由數(shù)字信號處理和通信管理模塊實(shí)時計(jì)算的鐵芯/夾件接地電流及其諧波電流數(shù)據(jù)上傳至云平臺服務(wù)器。設(shè)計(jì)時應(yīng)從功耗低、體積小、高性能等特性方面考慮。

1.2.6 RS485 通信模塊

RS485?通信模塊負(fù)責(zé)將鐵芯接地電流數(shù)據(jù)傳到當(dāng)?shù)豂ED?或數(shù)據(jù)后臺。選型應(yīng)滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范第一部分1：通則》中相關(guān)的EMC項(xiàng)目技術(shù)要求。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

鐵芯/夾件接地在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件由監(jiān)測裝置IED端和服務(wù)端?2?部分構(gòu)成。

1.3.1 監(jiān)測裝置 IED 端軟件

監(jiān)測?IED?端軟件按照設(shè)定的采樣間隔對接地電流進(jìn)行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)處理后寫入數(shù)據(jù)傳輸緩存中并通過無線發(fā)射模塊發(fā)送至云端。其軟件流程如圖?3?所示。

1.3.2 服務(wù)端軟件

服務(wù)端的軟件包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)保存和實(shí)時告警模塊，其軟件框圖如圖?4?所示。

4.5 嚴(yán)格餐飲具清洗消毒。餐飲服務(wù)單位應(yīng)配備洗碗機(jī)或以蒸汽、煮沸等方式，嚴(yán)格落實(shí)餐飲具和工用具使用后清洗，使用前消毒，消毒后的餐飲具應(yīng)符合GB14934的規(guī)定。餐飲服務(wù)單位應(yīng)配備專用、密閉餐飲具保潔設(shè)施，消毒后餐飲具和工用具并在保潔設(shè)施內(nèi)存放。已消毒和未消毒的餐飲具和工用具應(yīng)分開存放，保潔設(shè)施內(nèi)不得存放其他物品。

（1）系統(tǒng)配置模塊。在移動端或無專用程序時可通過?WEB?端口進(jìn)行系統(tǒng)配置，也可通過專用協(xié)議和專用配置程序通信完成系統(tǒng)配置。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。在傳輸控制協(xié)議（TCP）端口打開服務(wù)程序，啟動一定數(shù)目的服務(wù)線程等待監(jiān)測IED?的連接，當(dāng)監(jiān)測?IED?連接成功時，立即分配空閑的服務(wù)器處理監(jiān)測?IED?上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析后存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫。

圖3 監(jiān)測 IED 端軟件流程圖

（3）歷史數(shù)據(jù)保存模塊。實(shí)時數(shù)據(jù)保存完成后，數(shù)據(jù)進(jìn)入變化保存服務(wù)程序隊(duì)列，變化保存服務(wù)程序根據(jù)配置文件定義，保存該點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。

（4）實(shí)時告警模塊。實(shí)時數(shù)據(jù)保存完成后，數(shù)據(jù)進(jìn)入報警服務(wù)程序隊(duì)列，報警服務(wù)程序根據(jù)配置文件定義，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否異常，并按要求寫入或清除正在報警庫，同時存入歷史事件庫。

2 主變壓器鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)?DL/T?596-2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求，運(yùn)行中的鐵芯/夾件接地電流一般不大于?0.1?A。為驗(yàn)證上述系統(tǒng)方案的可行性，設(shè)計(jì)了一臺主變壓器鐵芯接地智能?IED，搭建智能監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行了測試。

鐵芯智能?IED?的安裝方式方便靈活，主變壓器的鐵芯接地采用扁鐵連接，智能?IED?直接安裝在扁鐵走向經(jīng)過的位置，接地扁鐵直接穿過智能?IED?上的穿線孔；也可將主變壓器的接地扁鐵截斷，換用軟導(dǎo)線穿過智能IED?設(shè)備上的穿線孔后進(jìn)行就近接地。智能?IED?采用固定支架固定方式，可利用主變壓器的螺栓來固定安裝支架，也可將支架設(shè)計(jì)成夾具形式固定在主變壓器上，亦或?qū)⒅Ъ苤苯雍附釉谥髯儔浩鞅倔w上。

由于鐵芯接地智能?IED?采用單匝穿芯式進(jìn)行信號取樣，考慮智能?IED?的安裝現(xiàn)場工況，將樣機(jī)掛網(wǎng)點(diǎn)的主變壓器接地扁鐵截斷，換用軟導(dǎo)線穿過設(shè)備上的穿線孔后采用螺栓連接兩端的扁鐵進(jìn)行鐵芯的接地，同時采用主變壓器的螺栓固定智能?IED?的安裝支架，如圖?5所示。

智能?IED?正常運(yùn)行后，通過?GPRS?通信模塊將由數(shù)字信號處理和通信管理模塊實(shí)時計(jì)算的鐵芯/夾件接地電流及其諧波電流數(shù)據(jù)上傳至云平臺服務(wù)器，用戶登錄云平臺可對主變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測和運(yùn)行狀態(tài)控制，監(jiān)測的實(shí)時數(shù)據(jù)如圖?6?所示。

圖?7?顯示出了監(jiān)測的鐵芯電流月歷史數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)有利于掌握鐵芯電流的變化情況和趨勢，為運(yùn)營維護(hù)人員提供有效的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修。

圖4 服務(wù)端軟件框圖

圖5 智能 IED 掛網(wǎng)圖

通過圖?6、圖?7?的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)完成了主變壓器鐵芯接地電流的實(shí)時采集與顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能，為提高監(jiān)測主變壓器安全運(yùn)行提供了有效的技術(shù)手段。

圖6 鐵芯實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 鐵芯監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線及報表

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對主變壓器的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測和運(yùn)行狀態(tài)控制。同時，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方式靈活、功能擴(kuò)展方便、數(shù)據(jù)存儲和歷史查詢等功能特點(diǎn)，為城市軌道交通的運(yùn)營及維護(hù)提供了有效的技術(shù)手段，提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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