基于S3C6410電力變壓器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

康麗杰，李雅麗，張曉博，馬　媛(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院 通信工程系，河北 石家莊050035)

基于S3C6410電力變壓器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

康麗杰，李雅麗，張曉博，馬媛
(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院 通信工程系，河北 石家莊050035)

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，其安全性對(duì)于保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行具有重要的作用，因此對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是必要的。采用嵌入式系統(tǒng)，利用信息的融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變壓器的在線監(jiān)測(cè)及故障診斷功能。整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理及故障診斷模塊。其中通信模塊選用嵌入式芯片S3C6410作為通信網(wǎng)關(guān)，提高了電力變壓器運(yùn)行的可靠性。

變壓器；在線監(jiān)測(cè)；嵌入式；故障診斷

電力變壓器是電能傳輸和配送環(huán)節(jié)中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，是電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一。變壓器事故不僅會(huì)對(duì)自身的安全造成損失，還會(huì)給電力的供應(yīng)帶來(lái)不利的影響。所以，在線監(jiān)測(cè)與診斷電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，電力變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。本文利用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建了電力變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)變壓器的突發(fā)性故障進(jìn)行在線檢測(cè)和診斷，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

1 電力變壓器常見(jiàn)的故障類型及診斷方法

變壓器由器身、油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置和出線裝置組成。器身包括鐵心、繞組(繞圈)、絕緣、引線和分接開(kāi)關(guān)；油箱包括油箱本體和油箱附件(放油閥、接地螺釘、小車(chē)、銘牌等)；冷卻裝置包括散熱器和冷卻器；保護(hù)裝置包括儲(chǔ)油柜、油標(biāo)、安全氣道、吸濕器、測(cè)溫元件和氣體繼電器；出線裝置包括高、低

正常運(yùn)行的變壓器會(huì)發(fā)出均勻的電磁交流聲，因此，依靠變壓器運(yùn)行聲音來(lái)判定其運(yùn)行狀態(tài)是過(guò)去人工故障診斷的重要方式。但隨著檢測(cè)技術(shù)的提高，各種電氣檢測(cè)方式成為變壓器故障診斷的主要手段。

變壓器的故障類型主要有幾種：繞組故障、自動(dòng)跳閘故障、變壓器油溫突變、油質(zhì)變壞、瓦斯保護(hù)故障等。這些故障會(huì)直接帶來(lái)變壓器油位、油溫、聲音、顏色、氣味、電流、電阻等參數(shù)異常變化，因此，加強(qiáng)對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)控是一種有效的手段。

文獻(xiàn)[1]中提出了若干種變壓器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要有：

(1)氣體分析技術(shù)：由于變壓器在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生諸多的氣體，這些氣體在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)從成分和氣味上都有所不同，因此利用氣體傳感器來(lái)采集運(yùn)行變壓器中的氣體，并對(duì)其成分進(jìn)行分析，就可以對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)及絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷。

(2)振動(dòng)分析技術(shù)：變壓器鐵心與繞組的機(jī)械特性變化可以直接反映鐵心與繞組的狀態(tài)變化，利用相應(yīng)的變壓器振動(dòng)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合直接檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，就可以很方便地發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的故障隱患。

(3)溫度分析技術(shù)：運(yùn)行溫度是變壓器正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。在這些溫度中，有繞組溫度、油溫等，這些溫度數(shù)據(jù)的采集可以利用溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以利用紅外測(cè)溫技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)頻率響應(yīng)分析技術(shù)：該方法可以有效地判斷變壓器繞組或引線結(jié)構(gòu)是否偏移，主要利用的是對(duì)相應(yīng)的電感或電容值進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電感及電容值發(fā)生細(xì)微的變化時(shí)，說(shuō)明繞組發(fā)生了一定的機(jī)械位移。

2 電力變壓器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電力變壓器的故障監(jiān)測(cè)是一個(gè)完整的體系，如圖1所示，主要包括實(shí)時(shí)在線測(cè)量信息、定期預(yù)防性電氣實(shí)驗(yàn)、歷史檢修記錄等信息融合而形成一個(gè)基于電氣變壓器的運(yùn)行特征信息，與服務(wù)器中已在的變壓器狀態(tài)特征庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析后，生成相應(yīng)的變壓器運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障的診斷決策。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖

對(duì)變壓器的監(jiān)測(cè)首先要從變壓器運(yùn)行狀態(tài)的信息采集開(kāi)始。在信息采集過(guò)程中，需要借助的技術(shù)手段主要是利用各種傳感器和繼電器，傳感器用來(lái)采集狀態(tài)信息，繼電器用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)作。這些傳感器和繼電器主要包括溫度傳感器、電壓互感器、電流互感器、瓦斯氣體繼電器、差動(dòng)繼電器、過(guò)電流繼電器等。此外變壓器的運(yùn)行負(fù)荷、有功、無(wú)功功率等參數(shù)也是監(jiān)測(cè)所需要關(guān)注的對(duì)象，最終這些數(shù)據(jù)將匯總成為實(shí)時(shí)在線測(cè)量信息。

根據(jù)國(guó)家《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》、《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)定，周期性地開(kāi)展變壓器電氣特性實(shí)驗(yàn)是了解設(shè)備狀態(tài)的重要手段。目前，主要的電氣實(shí)驗(yàn)是變壓器色譜、水分、局部放電等的檢測(cè)，這些檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于專業(yè)性的檢測(cè)設(shè)備。

最后，歷史的檢修記錄也是監(jiān)控系統(tǒng)所必須考量的數(shù)據(jù)之一。

將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，生成變壓器運(yùn)行特征信息，并將這些信息與變壓器運(yùn)行特征庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，得出相應(yīng)的變壓器運(yùn)行狀態(tài)診斷結(jié)果，利用相應(yīng)的繼電器執(zhí)行相應(yīng)的指令動(dòng)作，從而完成對(duì)變壓器的總體控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)通信層設(shè)計(jì)

變壓器故障監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)由三個(gè)層次組成的完整系統(tǒng)。這三個(gè)層次分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理及故障診斷模塊。在這三個(gè)層次中，數(shù)據(jù)通信模塊是信息和指令的中轉(zhuǎn)站，將采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理及故障診斷模塊，并且將控制指令由數(shù)據(jù)處理及故障診斷模塊下達(dá)至電力變壓器的各個(gè)繼電器中。

本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)通信主要由兩種部分組成，如圖2所示，一部分是數(shù)據(jù)采集模塊中的分散傳感器數(shù)據(jù)，依靠CAN總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。CAN總線通信方式選擇CAN控制器SJA1000T來(lái)完成，采用CAN2.0B協(xié)議，每個(gè)SJA1000T的8條數(shù)據(jù)線連接至51單片機(jī)，51單片機(jī)引用串口與嵌入式系統(tǒng)相連；圖中的嵌入式系統(tǒng)由嵌入式芯片S3C6410來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。芯片S3C6410具有兩個(gè)作用，一個(gè)是對(duì)由CAN總線傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，另一個(gè)作用是對(duì)CAN總線通信和Internet網(wǎng)進(jìn)行連接，充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，將CAN2.0B協(xié)議轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP協(xié)議。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)

通信層上傳的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理及故障診斷模塊。這一模塊由中央處理器組成，以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)變壓器狀態(tài)特征信息，并與上傳的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出變壓器實(shí)時(shí)狀態(tài)分析診斷結(jié)果，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入故障臨界點(diǎn)后，發(fā)出告警信息及控制命令，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

4 總結(jié)

電力變壓器的安全，是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的必要條件。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，開(kāi)發(fā)出更加智能化、直接化的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了本課題研究的重點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，以傳感器為觸角，構(gòu)建了以CAN總線結(jié)構(gòu)為通信主體的監(jiān)測(cè)方式，并通過(guò)后臺(tái)中央處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行變壓器的診斷情況，得出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變壓器更為可靠、經(jīng)濟(jì)的在線監(jiān)測(cè)。

[1]劉明武.電力系統(tǒng)變壓器常見(jiàn)故障分析與診斷[J]．電力與能源，2010(9)：768-769.

Research of power transformer fault monitoring system based on S3C6410

KANG Li-jie,LI Ya-li,ZHANG Xiao-bo,MA Yuan
(Department of Communication Engineering,Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

Transformer was the important electrical equipment in the power system.The reliable operation of the transformer which ensure the safety operation of power grid played an important role.Therefore,it was necessary to carry out on-line monitoring the running status of transformer.Embedded systems and information fusion technology were used to realize the function of on-line monitoring and fault diagnosis of transformer.The whole system was composed of three functional modules:data collection module,data communication module,data processing and fault diagnosis module.Embedded chip S3C6410 was chosen by the communication moduleas communication gateway,so as to improve the reliability of the power transformer operation.

transformer;on-line monitoring;embedded;fault diagnosis

TM 41

A

1002-087 X(2016)01-0211-02

2015-08-12

康麗杰(1980—)，女，河北省人，學(xué)士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ拧㈦娮?。壓套管。這些電力變壓器元件是一個(gè)統(tǒng)一的整體，任何一個(gè)部件的故障都會(huì)引起電力事故。